张 毅 刘 桦 蒋小波 欧阳卧龙

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528325）

引言

燃气比例阀是家用燃气快速热水器的核心部件，主要作用是对燃气进行比例调节和稳压调节，其调节精度和稳压精度很大程度上影响了热水器的使用舒适性。燃气比例阀的过流面积与燃气流量密切相关，当前还没有针对燃气比例阀过流面积提出理论计算公式，这给设计和应用带来不便。本文提出燃气比例阀过流面积计算方法，并分析过流面积对燃气比例阀性能的影响，并提出提升性能的有效措施。

1 燃气比例阀简述

燃气比例阀由执行机构和阀门部件两大部件组成，市面上常用的执行机构结构形式有动线圈式、动磁铁式和动铁芯式，其作用是产生推力驱动阀杆发生位移；阀门部件通过阀杆带动阀芯移动，改变阀芯与阀座相对位置，从而改变阀的过流面积，输出所需的燃气压力。

以动磁铁式燃气比例阀为例，主要由比例线圈、永磁铁、隔膜、气门、阀口等组成。燃气比例阀利用电流的磁效应，通电螺旋线圈推动永磁铁沿轴向下移，带动阀杆、阀芯产生位移，改变了阀芯和阀座相对位置，也就是改变了燃气比例阀的过流面积，从而输出所需燃气压力，实现了电流信号控制燃气二次压力或流量。

燃气比例阀流量与进出口压差关系可用下式表征[1]：

式中：

Qv—体积流量（m3/h）；

C—流量系数；

Ax—过流面积（m2）；

ΔP—球阀上下游压力差（Pa）；

ρ—流体密度（kg/m3）。

在设计和使用过程中，工程师最关注的是流量Qv或压差ΔP与过流面积Ax的关系，其中流量Qv和压差ΔP可以由设备仪器测定，C是一个十分复杂的量，它与流体状态、阀的几何结构等因素有关，难以采用简单的计算方法得出准确数值，过流面积Ax值可以通过阀的几何结构计算得出，从而得到过流面积Ax与流量Qv、过流面积Qv与压差ΔP的关系。

2 过流面积的计算及分析

2.1 计算

为方便计算，把阀芯球面和阀座孔径作适当简化，取消阀座边缘上圆角，阀芯球面扩充为完整的球状，提出如图1所示模型。

如图1所示，取阀座边缘上点X与阀芯球面圆心O连一条直线，交阀芯球面于点Y，记线XY为L，则L为阀座边缘距离阀芯球面最短距离。根据流量连续性方程，过流断面位于过流面积最小，气流速度最大处[2]，因此比例阀的过流面积是指以L为母线形成的平截正圆锥侧面积，见图1所示网状阴影部分。H为点X到阀芯中心水平线的距离与阀芯移动距离δ的差值。

根据截圆锥侧面积公式，得如下关系式：

由直角三角形得到如下两个关系式：

当阀芯移动距离为0时：

当阀芯移动距离为δ时：

联立式（3）（4）得：

联立式（2）（5）得：

式中：

Ax—过流面积；

r—阀座孔半径；

R—阀芯球面半径；

δ—阀芯移动距离。

从式（6）知燃气比例阀过流面积取决于阀座孔半径、阀芯球面半径和阀芯移动距离。在阀的几何结构确定的情况下，阀芯产生位移是过流面积发生变化的直接原因。

2.2 设计应用

式（6）按简化模型推导出来，燃气比例阀的设计应用需要考虑到几何结构、误差等实际情况，这些情况对设计计算有一定限制或影响，下面对三种情况分别进行讨论。

1）为确保断电闭阀时，阀芯与阀座可靠接触并形成良好的气密效果，阀芯球面必须比阀座孔大，即：

2）阀芯移动距离存在一定的限制，下面分三种情况讨论：

①当断电闭阀时，δ=0，代入式（6）得Ax=0；

实际上由于阀芯顶部连接有阀杆，因此阀芯实际移动距离小于上述δ值。

③当阀芯继续下移至顶点离开阀座孔边沿时，超过适用范围，不适用。

综上，阀芯移动距离范围：

对应的过流面积范围：

3）在图1模型中，阀芯与阀座处于同轴的理想状态，阀芯移动只考虑沿轴方向的移动。但在实际运行过程中，由于存在尺寸误差、装配应力或气流扰动等影响因素，阀芯同时存在轴向位移δ和径向位移Δ，此时燃气比例阀过流面积是斜截斜圆锥侧面积Ax′，见图2所示网状阴影部分。经计算机模拟计算，在相同的轴向位移δ，有 Ax′＞ Ax。

2.3 测量

通过测试可得到过流面积Ax与流量Qv、过流面积与Ax压差ΔP的关系。测试方法模拟燃气比例阀实际工作状况，测试采用压缩空气作为气源，喷嘴孔径为φ3.3 mm，选取两款阀用于测试对比，尺寸差异对比如表1所示。

表1 两款阀几何结构尺寸

对A阀B阀分别进行测试，在进气口通入压力值为（2 000±100）Pa空气，出气口接喷嘴，通过螺纹机构精密调节阀芯移动，记录移动距离δ值，根据式（6）计算出对应的过流面积Ax，并记录每δ值对应的空气流量Qv和压差ΔP。根据测量结果绘制曲线图，见图3、图4和图5。

2.4 分析

从式（6）和图3中可以看出，在阀的几何结构确定情况下，阀芯移动距离与过流面积为正比例关系，可用式（10）表示：

式中：

μ—常数，由阀座孔半径、阀芯球面半径确定。

对于上述样件，A阀的μ值可取50.1，B阀的μ值可取34.5，说明μ值越小，阀座孔半径越小。与式（6）比较，运用上式进行设计计算能使计算简便。

从图4、图5中，两种阀都呈现相同趋势，体积流量随着过流面积增大而增大，增大速度先快后缓，直至趋近于某一极限值；进气压力与出气压力的压差随着过流面积增大而减小，减小速度先快后缓，直至趋近于某一极限值。对比两种阀，在相同的流量变化量或压差时，μ值越小，阀芯移动距离δ值可调范围越大，应用在小流量或二次压力较小时，μ值较小的比例阀有利于提高调节精度，抗干扰能力更好。

阀芯在移动时产生径向位移Δ，则使过流面积Ax增大，燃气流量随之增大，一定程度上导致稳压性能变差，回差变大。在设计上应采取必要措施，避免阀芯产生径向位移，譬如增加阀杆阀芯的导向机构，或者采用双膜片结构，都可以促使阀芯只做沿轴向的移动。

3 结论

本文推导出了燃气比例阀的阀芯移动距离与过流面积的关系公式，由该公式可知，燃气比例阀过流面积取决于阀座孔半径、阀芯球面半径和阀芯移动距离。对于确定结构的燃气比例阀，阀座孔半径、阀芯球面半径为定值，过流面积与阀芯移动的距离有关，且线性相关，可用公式A_x=μδ表示。μ值越小，阀座孔半径越小，阀芯移动距离δ值可调范围越大。体积流量随着过流面积增大而增大，增大速度先快后缓，直至趋近于某一极限值；进气压力与出气压力的压差随着过流面积增大而减小，减小速度先快后缓，直至趋近于某一极限值。