1.2 閥門流阻特性

流阻特性是表征閥門流通能力的重要指標(biāo)，也是閥門內(nèi)部流動(dòng)的外在表現(xiàn)。通過(guò)對(duì)閥門的流阻特性進(jìn)行分析，可獲知其調(diào)控性能，對(duì)閥門的設(shè)計(jì)以及選型具有重要的指導(dǎo)意義。閥門的流阻特性主要可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行表征：流量特性曲線、流量系數(shù)和阻力系數(shù)。

1.2.1 閥門流量特性

閥門的流量特性指流過(guò)閥門的流體的相對(duì)流量與開(kāi)度的關(guān)系，它是選用閥門最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中 Q——當(dāng)前開(kāi)度下閥門內(nèi)部流通的流量；

Q_max——閥門內(nèi)部流通的最大流量；

l——閥桿的當(dāng)前行程；

l_max——閥桿的最大行程。

不同的流量特性曲線線型表示閥門具有不同的流體調(diào)控性能。為了更加簡(jiǎn)便地區(qū)分閥門的調(diào)控性能，目前普遍將閥門的特性曲線分為4類^[4]：快開(kāi)流量特性、直線流量特性、拋物線流量特性和等百分比流量特性，如圖1-4所示。

1．快開(kāi)流量特性

圖1-4中“曲線1”為快開(kāi)流量特性曲線。由線型可知，具有該種流量特性的閥門在較小開(kāi)度下具有較大的流量，即擁有較好的流通能力；而隨著閥門開(kāi)度的增大，流量值雖然在增加，但是增加幅度越來(lái)越小。一般具備快開(kāi)特性的閥門的有效行程為1/4閥座直徑。因此，該種類型閥門主要用于快速切斷式流體控制場(chǎng)合。該特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中 K——常數(shù)。

2．直線流量特性

圖1-4中“曲線2”為直線流量特性曲線，它表示閥門的相對(duì)流量與閥桿的相對(duì)行程呈直線關(guān)系，即單位行程變化所導(dǎo)致的流量變化為常數(shù)。因此，在小開(kāi)度時(shí)，該閥門的流量相對(duì)變化量較大，即靈敏度高；而在大開(kāi)度時(shí)，該閥門的流量相對(duì)變化量較小，容易導(dǎo)致控制的滯后。該特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

3．拋物線流量特性

圖1-4中“曲線3”為拋物線流量特性，它表示閥桿單位行程所導(dǎo)致的相對(duì)流量變化量與此點(diǎn)相對(duì)流量值的平方根成正比。拋物線流量特性是一種介于直線流量特性與等百分比流量特性之間的調(diào)控特性，在實(shí)際中的應(yīng)用相對(duì)較少。該特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

4．等百分比流量特性

圖1-4中“曲線4”為等百分比流量特性，也稱為對(duì)數(shù)流量特性，它表示閥桿單位行程變化所導(dǎo)致的相對(duì)流量變化量與此點(diǎn)相對(duì)流量值成正比。具有該流量特性的閥門在小開(kāi)度狀態(tài)下，流量變化小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)緩和；而在大開(kāi)度時(shí)，流量變化大，調(diào)節(jié)靈敏度高。因此，就調(diào)控性能進(jìn)行對(duì)比，等百分比最優(yōu)，也是調(diào)節(jié)閥中應(yīng)用最廣泛的一種特性。該特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

1.2.2 閥門流量系數(shù)

流量系數(shù)為衡量閥門流通能力的關(guān)鍵參數(shù)，常用K_V表示，定義為閥門前后壓差在10⁵Pa時(shí)，溫度為5～40℃的水每小時(shí)通過(guò)閥門的立方米數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（1-6）。K_V值越大，表示流體的流通能力越好。國(guó)外也常采用C_V來(lái)表示流量系數(shù)，C_V和K_V所代表的含義完全相同，只是定義的單位上存在差別，在數(shù)值上C_V=1.16K_V。

式中 Q——體積流量（m³/h）；

ρ——流體密度（kg/m³）；

ΔP——閥門兩端壓差（10²Pa）。

上述流量系數(shù)的計(jì)算公式主要適用于不可壓縮流體。然而，氣體也是閥門內(nèi)常出現(xiàn)的工作介質(zhì)，一旦在閥門內(nèi)流動(dòng)的氣體存在較大壓縮性時(shí)，采用式（1-6）的計(jì)算公式就不合理了。為此，業(yè)界提出了基于膨脹系數(shù)法的可壓縮氣體流量系數(shù)計(jì)算公式^[5]。

當(dāng)閥門的壓差比X小于臨界壓差比X_T與比熱比系數(shù)F_k的乘積時(shí)（X＜X_TF_k）即閥門內(nèi)部流動(dòng)為非阻塞流動(dòng)，此時(shí)，流量系數(shù)計(jì)算公式為：

式中 Q_VN——?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)體積流量（m³/h）；

p₁——閥門上游絕對(duì)壓力（kPa）；

n_e——膨脹系數(shù)，用來(lái)校驗(yàn)氣體流經(jīng)閥門時(shí)密度變化的影響；

T_in——入口熱力學(xué)溫度（K）；

ρ_N——273.15K，1.013×10²kPa時(shí)的氣體密度（kg/m³）；

Z——壓縮系數(shù)；

X——壓差比，大小為Δp/p₁；

當(dāng)X≥X_TF_k時(shí)，閥門內(nèi)部流動(dòng)為阻塞流，即當(dāng)閥前壓力p₁保持不變，逐漸降低閥后壓力，流量不會(huì)增加。在該狀態(tài)下，流量系數(shù)計(jì)算公式為：

式中——?dú)怏w的等熵指數(shù)。

1.2.3 閥門阻力系數(shù)

當(dāng)流體流過(guò)閥門結(jié)構(gòu)時(shí)，在閥門過(guò)流斷面的節(jié)流作用下，閥門內(nèi)部及其下游管道內(nèi)部將存在一系列的渦流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起流體流速的再分配，造成局部能量損失。工程上普遍采用阻力系數(shù)來(lái)描述流體在閥門處的損失情況^[5]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中 ζ——阻力系數(shù)；

γ——流體密度與基準(zhǔn)流體（水）密度的比值，即相對(duì)密度；

——管道中流體介質(zhì)的平均流速（m/s）。