调节阀在流量调节系统中起调节和控制流量的作用，它在流量系统中是消耗能量的元件。阀对流量的调节是依其局部阻力的变化来实现的。调节阀的流量特性决定着调节品质和特性。本文应用流动阻力计算的理论，在总结已有研究成果的基础上，建立了一套较完整的调节阀流量调节理论。

    1 调节阀固有阀阻力特性

    当调节阀前后两端的总压差ΔH恒定时，过阀流量满足^[1]：

    ΔH=S_vQ²    （1）

    式中S_v－－调节阀的阻力模数
    Q－－过阀流体的体积流量

    如以阀全开作为边界条件，可得：

   或

    式中q－－无量纲流量
    h－－相对开度
    S_VM－－阀全开时的S_V
    ξ_VM－－阀全开时的ξ_V

    式（2）称为调节阀固有流量关系式，式（3）、（4）称为调节阀固有阻力关系式。

    2 调节阀安装特性

    2.1 调节阀流量调节方程式

    当调节阀安装在管路上，管路的沿程阻力应用达西-威斯巴哈公式计算，管路两端的总压差ΔH应满足^[2]：

    ΔH=（S_V+S_H）Q²    （5）

    式中 S_H－－管道阻力模数

    应用阀全开作为边界条件，式（5）可表示（2）为^[3]：

    式中    D_V－－阻力模数比，D_V=S_V/S_H

    D_VM－－阀全开阻力模数比，D_VM=S_VM/S_H

    式（6）为调节阀流量调节方程式。如在调节阀的流量调节范围内，管路内的流体流动处于紊流阻力平方区，则管阻模数S_H为常数。

    2.2 压降比

    文献[4]、[5]中定义压降比（亦称阀权度）P_V为调节阀全开时阀的压降与系统总压降之比，其定义式为：

    压降比与阀全开阻力模数比的关系为：

    3 调节阀流量调节特性

    3.1 流量调节强度

    为了衡量调节阀的流量调节特性，定义阀的流量调节强度为：

    式中 F－－调节强度

    3.2 流量调节精度

    定义阀杆位置可识别的*小行程为阀的*小可识别行程Δl_min。与Δl_min相对应的Δq_min就是阀在相应的开度下可识别的*小流量改变值。定义调节阀在某一开度下的流量调节精度ε_q为：

    ε_q=Δq_min/q   （10）

    从流量调节角度来讲，Δq_min和ε_q值越小越有利于流量调节。

    3.3 调节阀结构参数

    调节阀阀芯的运动方式影响其调节特性，增加阀杆行程的运动方式有利于流量调节。阀的*小可识别行程Δl_min越小，阀芯的定位性越好，流量调节精度就越高。定义阀调节系数Y为阀芯的总行程除以阀的*小可识别行程，即：

    Y=l/Δl_min    （11）

    阀芯的总行程和可识别行程构成了调节阀总的可控制单元数，Y值越大，阀流量的调节特性和可控性就越好，流量调控精度就越高。由式（10）、（11）可得：

    由式（12）可见，当Y值一定时，调节强度F越大，阀流量调节能力越强，而流量调节精度越大，流量调节性能越差。

    由式（1）、（5）、（12）得调节阀安装流量特性的流量调节精度为：

    式中 F_S－－安装状态的流量调节强度
         F₁－－固有状态的流量调节强度

    3.4 调节阀开度分区

    根据调节阀的流量调节特点，将调节阀的开度分为强调节区、有效行程区和无效行程区。有效行程区为调节阀流量调节特性的研究区域，在该区，调节阀具有良好的流量调节特性。在强调节区，流量调节能力很大，流量的可控性差，不能满足要求。无效行程区是阀结构和装配的需要，在该区域内，阀开度的改变所引起的流量变化很小。

    定义有效行程区与强调节区的分界点为调节阀的流量调节界点，简称为界点。与界点相应的流量是调节阀可调的*小流量。与界点相对应的相对开度用h₀表示。

    当调节阀安装在管路中，其流量特性、流量调节强度和流量调节精度等都随管路的阻力特性而变化。式（13）描述了固有调节强度与安装调节强度的关系，由该式可见，在同一开度下，安装调节强度总是小于固有调节强度。如用某一调节精度值来定界点，则安装状态的界点开度值总是小于固有状态的，称调节阀这一特性为界点下移特性。在流量系统设计时，阀的开度变化范围要考虑界点下移这个特点。

    4 调节阀流量调节特性评价

    评价调节阀流量调节性能优劣的基本标准是：具有较高的流量调节精度，阀芯定位准确，即在有效行程区内ε_q要小；流量调节范围大；另外，还要求阀全开时的阻力要小。

    在评价调节阀流量调节特性时，应从下列三方面来综合考虑：

    （1）管路阻力影响。S_H是管路阻力的特征值，S_H大则管路阻力占的比例大。由式（13）可以看出，S_H值大，ε_q则小，提高了流量调节性能。其突出问题是使调节阀的流量调节能力向小开度集中，使得小开度的流量调节能力变大，流量调节的可控性差。
    （2）阀的固有流量特性影响。调节阀应具有良好的固有流量特性。单从固有流量特性上来讲，对数流量关系优于其它流量关系，而这在实际工程中是难以实现的。
    （3）调节阀结构特性影响。从结构的角度来讲，较大的Y值有利于提高调节阀的流量调节精度。阀的*小可识别行程Δl_min要小，阀芯的有效总行程l要大。阀芯的行程大，行程的分辨率高，都对调节有利。

    5 并联管路特性分析

    并联管路一般由阀支路和旁通管支路组成，调节阀安装在阀支路管路上。文献[4]和[5]都对并联管路的流量特性进行了较系统的分析，得到了一系列关系式。在分析中，设管支路和阀支路的作用压力差相等，当阀开度变化时，该作用压力差不变。

    对于上述并联模型，应用流体力学的阻力计算理论，可将其分解成两个独立系统，即阀支路系统和旁通管系统，这两个系统具有下列特点：

    （1）管支路和阀支路是两个独立的系统。因为在分析中，假设作用压力差不变，当在阀的开度变化时，旁通支路的作用压力差不变，旁通支路的流量不变。
    （2）在分析和计算流量时，可将两个支路分开来计算。当阀开度变化时，旁通支路流量不变，只有阀支路的流量变化。阀支路的流量变化可应用串联系统的理论计算。

    对于传统的并联模型，可将管支路和阀支路分开考虑，分开计算。*后将计算结果合起来。如所建的并联模型较复杂，就要应用管网理论来分析计算。

    6 结论

    （1）调节阀固有流量关系用式（2）表示。安装流量关系用式（8）表示。
    （2）流量调节强度是衡量调节阀流量调节能力的重要参数。流量调节精度是衡量调节阀流量调节分辨率的一个参数。
    （3）将调节阀开度分成强调节、有效行程和无效行程三个区。由调节阀的安装特性可推得调节阀在安装状态下界点下移的特性。
    （4）从阀结构特性、固有阻力特性和管路阻力特性三个方面综合评价调节阀流量调节特性。
    （5）对于常用的调节阀并联模型，可分解成阀支路和旁通支路两个独立的系统。这样可简化并联系统的分析。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司