迷宫式调节阀迷宫通道阻力系数的推导

杨自文 焦娜

摘 要：根据迷宫式调节阀的降压原理，通过伯努利方程原理推导迷宫通道的阻力系数，为实现迷宫阀快速设计提供理论依据。

关键词：迷宫阀;迷宫通道;阻力系數

1 概述

迷宫式调节阀是一种由连续阻力型相互不连通的多级多流路节流套筒组成的用于高压差工况的调节阀，被广泛应于石油化工、电力、核能等行业中。随着我国工业建设的快速发展，迷宫式调节阀的应用也越来越广泛，客户技术需求大量增加。以往的迷宫通道设计通常采用商业软件进行模拟分析计算，设计成本和时间投入多，无法满足装置现场阀门替换、改造等客户迫切需求。根据迷宫式调节阀的降压原理，推导迷宫通道的阻力系数，对解决客户现场需求，实现快速设计有现实意义。

2 迷宫阀原理

阀门的汽蚀现象通常伴随着阀门的剧烈振动，高噪音以及阀门内件的冲击和磨损，为避免汽蚀对阀门的损害，实际应用中通常通过两种办法实现。一种是使用高硬度的材料加工阀门内件，材料硬度越高则抗汽蚀能力越强;另一种则是通过增加阀门的阻力系数，来不断消耗介质的能量。迷宫阀就是利用这个原理，使介质在迷宫通道中经过连续转弯和碰撞（图1），不断造成能量损耗，控制介质流速，防止阀门产生高噪音和振动。

国外相关研究中，将阀门内部节流件的介质出口能量和流速做了相关限制，对于大多数连续单相流体工况，调节阀出口动能的接受标准限制在70psi（480kPa），流速控制在30m/s以下，存在潜在空化和多相流的工况时标准应该降低到40psi（275kPa），流速控制在23m/s以下。通过采用具有连续阻力迷宫通道的内件，以满足建议的动能设计标准，阀门的性能得到了显著改善。

对比普通单座调节阀与迷宫阀的降压过程（图2），可以预见，迷宫阀拥有更大的压力恢复系数FL，压力恢复系数越大，则表明阀门抗汽蚀能力越强。迷宫阀的压力恢复系数通常可达到0.99以上，单座阀只有0.7～0.9左右，用公式表示：

3 伯努利方程

根据伯努利定理，横基准面上的任意一点，其总能量（全压）等于高度压头（位能）、压力头（静压）和速度头（动压）三者之和，等式为：

但现实中，必然存在流体的摩擦损失以及能量的输入和输出，用hl表示，被包括在伯努利方程中，等式为：

流体在管道系统中流动时主要存在两种阻力;一种是在流道方向上与管壁摩擦造成的阻力，称为沿程阻力，用hf表示，阻力系数用Kf表示;另一种阻力发生在流动边界有急变的流场中，如流动方向改变、通道内有障碍物、通道截面积或形状突然改变等，这种集中发生的能量损失称为局部阻力，用hj表示，阻力系数用Kj表示。系统中的总水头损失hl等于各段沿程损失和各处局部损失之和：

4 一般能量方程在设计迷宫通道时的应用和推导

对于不可压缩流体，假设流入迷宫通道的流体体积流量为Q，流速用v表示，通道截面积为A，则：

迷宫通道对流体的阻力主要是在直角转弯以及出入口附近的局部阻力。设通道入口处局部阻力系数为Ki，出口处局部阻力系数为Ko，假设中间每阶段具有相同的沿程阻力Kf和局部阻力Kj，每阶段总阻力系数等于两者之和，用Kt表示，则：

通过阶段阻力系数的计算，可以方便预测迷宫通道各级的压降。GB/T17213.2标准中迷宫通道的截面积扩大比E的推荐范围：1.12～1.23。各阶段阻力系数Kt的取值与通道的形状、粗糙度、截面积扩大系数等有关系，需要通过实验验证和确定。通道流量系数Kv则可以根据公式推导计算。

5 总结

以上推导过程证明，迷宫通道的级数越多，则其阻力系数越大，介质流速也就越小，但也意味着需要更大的流通面积来满足流量的需求，实际应用中应根据介质压差等工况合理选用迷宫通道的级数。随着迷宫阀在国内的应用越来越广泛，部分工况阀门需要特殊设计和制造甚至改造，对设计人员也有了新的要求。本文对迷宫阀迷宫通道阻力系数的推导旨在通过公式指导设计，如有不当之处，请各位同行批评指正。

参考文献：

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