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摘 要：本文阐述了ISO6358－2008标准规定的表述流量特性的两个参数声速流导C和临界压力比系数b，分析阀门流量音速段和亚音速段的特性，提出临界压力比b选择的合理建议，给出了简单、方便的流量计算公式以及阀门有效截面积的计算方法。
关键字：临界压力比 流量计算公式 有效截面积
1 流量特性的表述
临界压力比b和声速流导C在ISO6358－2008标准表述为流量特性的两个特性参数。通过它们来计算气体阀门的流量特性曲线，其准确性难以保证。在实际的工程设计中，气体阀门的流量特性非常重要，但目前气体流量特性的计算和测量存在多种方法。这些方法主要的原理都是相同的，但也存在一些差异，主要表现在使用的计算公式、单位、符号、测量方法等。这种情况使产品设计师在设计产品时带来极大的不便。本文介绍当前具有比较有代表性的气体阀门流量特性的参数定义、计算公式、测量方法，并给出流量特性参数之间的换算关系，以及阀门有效截面的计算等。
1.1 声速流导C
通过公式（1）可计算声速流导C。通过分析普通电磁阀入口压力和大口开度的关系，从图1和图2中的实验结果可以看出：声速流导C值与气体阀门入口压力和阀门开度呈线性关系，但是同等开度下C值随入口压力的变化程度远小于同等情况下入口力下C值随阀门开度的变化。所以，流量特性参数C主要受阀门开度影响，在开度给定的情况下，C值基本可以确定。
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图1 声速流导C与气体阀门入口压力关系
图2 声速流导C与阀门开度关系
1.2 临界压力比b
ISO6358－2008规定公式（2）计算临界压力比b值。在产品工程设计中，通过公式很难获得准确的值。通过实验的方法，能够获得比较准确的值。具体如下：保持被测气体阀门入口压力及温度为定值，逐步开启流量调节器，以降低被测气体阀门的出口压力，直至被测气体阀门的质量流量不再增大，此时，便是被测气体阀门的临界点。此临界点的压力比便是临界压力比b（如图4）。
图3 临界压力比系数实验回路
图4 临界压力比系数
2 流量的定义
气体的流量的表述有体积流量和质量流量两种。通常情况下，体积流量具有直观易懂。所以在工程设计应用中流量都是采用体积流量。根据理想状态方程式，气体的体积和压力、温度相关，对于相同质量的压缩气体，压力和温度的不同会导致其体积差异很大。因此，在表示气体体积的时候，应该注明该体积对应的压力和温度。
表1 基准状态和标准状态
通常工程上分别采用基准状态和标准状态来定义气体的状态，一般体积流量要换算到这两种状态下的数值来表示。下表给出了基准状态和标准状态的定义、对应的符号参见表1所示。实际的气体状态与标准状态和基准状态之间的换算关系如下：
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3 气动阀等效流量特性分析
阀口由于结构复杂，阀口开度无法把握，工程设计中，可以等效成图5所示的结构。气孔的进气压力保持一定时，随着出气端压力的降低，流量Q逐渐增大。但出气端压力降到一定值时，即使再降压力，流量也不再增加而趋于饱和。这是由于空气流速在气孔后侧达到音速，其后的压力的降低不能影响到进气端。这种饱和状态下的流动称为音速流，反之，不饱和状态下的流动称为亚音速流。
图5 小孔节流示意图
声速流体积计算公式如下：
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亚声速流体积计算公式如下：
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4 阀门有效截面积的计算
在气体阀门的表示及测量方法上，国际上有多种方法。亚洲普遍都是采用有效截面积Se值（见图5），而欧美主要采用CV、KV值。这里，我们着重介绍有效截面积Se值的计算。Se是气流缩流处的有效截面积。这里Se称为小孔的有效截面积。Se比小孔截面积S小，两者的比称之为缩流系数。缩流系数与小孔入口的形状相关，一般取值在0.85～0.95的范围之内。
根据公式（3）和（4），我们给出有效截面的推导公式：
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如图4所示，上述临界压力b值比采用了理想值0.528或0.5，但在开关阀、比例阀、调速阀等实际的气体阀门中，阀内的气流情况非常复杂，很难有规律可循，与理想的气流通过小孔的流动有很大差别。因此，临界压力比b值往往根据气体阀门内部的流道复杂程度而不同程度与理想值有所差异。表2列出了6个不同阀门结构的临界压力比的实际测量值。从表中可见，临界压力比b值根据气体阀门的不同而有较大差异。所以，在实际的工程设计中，临界压力比b不确定性，一些流量控制阀门有效截面需反复调整。
表2 日本SMC公司不同阀门结构临界压力比系数
5 结语
在音速区理论计算公式的合理性没有争议。而对非音速段，在选取合理的b值情况下，就可以采用1/4椭圆的曲线来近似替代气体阀门在非音速段流量特性曲线，通过此种方法得出非音速段的流量公式，一般误差不是很大，上述公式既简单又准确，大大简化实际的工程设计的难度。
来源：调节阀信息网
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发表于 2017-3-21 11:13:31
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