一种新型智能流量控制阀的研究

　　0 引言

　　目前，在钢铁工业等行业的循环水系统中，节能增效的一个最主要的方法就是调节管网水力平衡。调节水力平衡要求管网每一条支路都达到设计流量: 不欠流、不过流。目前常见的机械式流量控制阀普遍存在控制精度低，内部结构复杂，成本较高等问题。该文所研究的智能流量控制阀采用 CFD 数值分析与实验相结合的方法进行设计，结果表明，该流量控制阀具有流量控制精度高、机械结构简单等优点，可直接应用于工程实践。

　　1 智能流量控制阀结构及工作原理

　　蝶阀的通流能力大，不易堵塞，因此文中采用在蝶阀的基础上加设配流板的方式设计智能流量控制阀。其结构如图1 所示: 由蝶阀、配流板、压力传感器、PID 控制器和执行器组成。压力传感器实时测量阀门两端的压差值ΔPp，并发送到控制器，控制器根据式( 1) 计算出阀门开度L，然后将控制信号发送给执行器，由执行器转动阀杆，调节阀板开度^[1]。

式中: Q_S为设定流量; K_VS为当阀门开度最大，阀门两端压差为1 ×10⁵Pa 时，通过阀门的流量; L 是阀芯行程。

　　当满足式 时，阀的流量特性为线性。

　　在电动控制的产品中，具有良好线性调节特性的产品将简化控制器编程，加快调节速度，提高调节精确度。阀门的流量特性主要取决于阀芯的结构，因此，对阀芯进行合理机械结构设计，是智能流量控制阀获得线性特性的关键。

　　2 阀芯计算模型与边界条件

　　阀门阀芯是由普通蝶阀阀板加设一个环状配流板构成。配流板可以改变阀内流场分布以获得所希望的线性特性 ^[2]。环状配流板的形状和安装位置如图2 所示。就设计形状而言，此环状配流板结构简单，加工方便，而且易于安装，不易结垢。确定配流板几何结构的参数有3 个: 小圆半径r₁，大圆半径r₂，配流板厚度b。该文将根据以上3 个参数，设计具有线性流量特性的阀芯结构。

　　2. 1 加权通流面积计算

　　阀门的流量系数与阀门的通流面积直接相关，而上述模型中通流面积又与配流板的结构直接相关，因此阀门的3 个结构参数决定了阀门通流面积。用修正后的加权通流面积计算公式( 2) ，可得某开度下的加权通流面积^[3]。

式中: ξ 为平推流的权重系数。

　　根据计算[4]流体介质的雷诺数R_e 约为1e +5，由公式ξ = 0. 399 77 - 0. 042 62lg( R_e) 可计算得到ξ = 0. 186 67。

　　文中列出的算例中采用的管道均为DN80 口径。图3、图4 是r₁，r₂，b 取不同值时蝶阀相对通流面积随相对开度变化的曲线。