单座调节阀耐水冲击数学模型

    1 概述

    在过程控制中，调节阀直接和流体相接触，所以调节阀的稳定性和可靠性非常重要。调节阀在工作过程中受到的冲击力影响着调节阀的可靠性、稳定性和使用寿命。冲击力过大，会对调节阀产生严重的冲刷破坏，并伴随有噪声过大和阀体振动等一系列问题。因此，研究调节阀所受到的冲击力对提高调节阀的可靠性、稳定性以及使用寿命有着极为重要的意义。

    2 数学模型

    在介质从调节阀（图1）入口经过阀瓣与阀座间的流通面后，从阀门出口流出的过程中，阀瓣和阀座等阀内件受到一定的冲击作用。由于阀瓣所受的冲击力随着流通面积的变化而变化，而流通面积随着开度的变化而变化，又因阀瓣随开度变化而上下移动，其受到的冲击角度因阀瓣的上下移动而改变，因此，计算阀瓣所受到的冲击力非常困难。为了计算阀瓣所受到的冲击力，采用流体流过孔板的能量变化模拟流体流过调节阀时的能量变化（图2），根据动量守恒和能量守恒计算调节阀所受到的等效冲击力。

图1 单座调节阀

图2 单座调节阀简化模型

    根据应用流体力学的恒定总流动量定理

    P₁A₁－P₂A₂－F=ρQ_v（υ₂－υ₁）    （1）

    式中 P₁、P₂———调节阀入口和出口压力，Pa

    A₁、A₂———调节阀入口和出口接管面积，m²

    υ₁、υ₂———调节阀入口和出口介质流速，m/s

    F———调节阀所受冲击力，N

    ρ———流体介质密度，kg/m³

    Qv———流体体积流量，m³/s

    由于进口与出口处的接管面积相等，即A1=A2，同一开度下流量恒定，所以调节阀进口和出口的速度相等，即v1=v2。因此，调节阀所受到的等效冲击力为F=（P₁－P₂）A₁=ΔPA₁。

    3 冲击载荷

    3.1 压差

    根据总流伯努利方程计算在缩小管处（图3a，截面1－1、2－2）和扩大管处（图3b，截面2－2、3－3）的能量损失，从而计算由能量损失引起的压差。

（a）缩小管     （b）扩大管

图3 不同的控制断面

    缩小管处的能量方程为

        （2）

        （3）

    扩大管处的能量方程为

        （4）

        （5）

    前后压差ΔP为

        （6）

    式中  h_j1、h_j2———局部能量损失

    Pc、υc———节流面的压强和速度

    g———重力加速度，m/s²

    3.2 节流面流速

    线性流量特性下的流速Q_vx和等百分比流量特性下的流速Q_vd为

        （7）

        （8）

        （9）

    式中  Ac———节流面的流通面积，m²

    K_vmax———最大流量系数

        （10）

        （11）

        （12）

    3.3 等效流体冲击力

    线性调节阀等效冲击力Fx和等百分比调节阀等效冲击力F_d为

        （13）

        （14）

    4 结语

    根据流体冲击力计算公式可以确定调节阀在不同开度下所受到的等效冲击力。但应注意，流体冲击力计算公式建立时把流体在调节阀中流动时的能量变化进行模拟化简，未考虑不同调节阀在实际流通过程中流通系数值的修正问题。在计算能量损失时，由于在突然缩小管处用的是经验公式，所以根据能量损失计算的压差与实际压差有一定的误差。而气蚀对等效冲击力的计算也会产生影响。