喷嘴挡板式定位器之喷嘴理论与计算机模拟分

定位器是用于控制调节阀动作的一种主要控制元件，它能显著改善调节阀的流量特性，克服调节阀因阀前阀后压差引起的不平衡力，提高调节阀的控制精度，响应速度以及动作灵活性，被广泛用于各种化工，石化，煤化等重要场合。喷嘴挡板式定位器气动执行部件主要结构为喷嘴挡板，对该结构参数选择的详细理论分析目前国内做得比较少，设计制造厂家没有足够的理论设计依据，对该结构的参数选择只能基于大体粗略计算并依赖传统设计经验进行产品设计。本文对该结构做了详细的理论分析计算，并用计算机辅助分析软件对结果进行验证。

一、定位器动作原理简介

从图1我们可以看出，喷嘴挡板式阀门定位器主要由控制板部件、喷嘴挡板组件、继动器（气动放大器）等几大部件组成。控制板由于功耗的限制，不能直接驱动气动放大器输出气压，控制板接收4～20mA控制信号，通过喷嘴挡板间接控制气动放大器输入或者输出气压到气动执行机构，驱动调节阀上下动作。喷嘴挡板部件主要由喷嘴和挡板组成，结构示意图见图2，该结构的主要设计参数是喷嘴与挡板的距离X，喷嘴的孔径D和喷嘴输入到气动放器的背压P。背压P可以通过设计气动放大器参数时确定，孔径D和挡板初始位X需要通过设计确定。在图中，喷嘴前端有一节流零部件，节流孔径为d，此节流孔的目的是节流降压，取气源Ps的部分压力通过喷嘴形成压降，压降后的P通向放大器背压，控制膜片向上或者向下动作。当X大于某一值时，喷嘴孔处无阻挡，挡板对喷嘴没有阻挡作用，P值无变化；当X小于某一值时，喷嘴孔处相当于一个变化的节流板，X值越小，P值越大，当X=0时，P值达到最大，最终等于气源压力Ps。

二、原理计算分析

可假设Ps气源处为恒压源提供，压力恒定，流速为0，由于气体的压强较大，喷嘴管路较短，因此气体属于可压缩绝热流，有如下方程式：

通过式（3）、（4）、（5）可以求解出喷嘴处气压的流速V，质量流q，以及前后端压力比等参数。从式（5）中可以得出：

①当X=0时，P/Ps=1，背压与气源压力一样大。

②当X逐渐增大时，由于喷嘴与挡板之间空隙对喷嘴形成小孔节流，因此背压P逐渐变小；喷嘴与挡板之间的空隙大于喷嘴的孔面积时，此间隙不能再对喷嘴形成节流作用，此后X再变大，已不能影响P值的变化，此时：

图3的横坐标为X/D的位移量，纵坐标为P/Ps的比值。在点划线右边的曲线比较平坦，说明当D值为定值时，X继续增大，对背压已无多大影响。从D/d的样条曲线可以看出，比值越大，X的位移对背压的影响趋势越大，控制的稳定性越差，越容易出现振荡现象，但灵敏度很高，同时耗气量很小，对驱动功率要求低，可以降低整机功耗，减小硬件的阻抗；比值越小，X的位移对背压的影响趋势越小，控制稳定性越好，控制的响应速度会变慢，比较损耗能源，对驱动功率也有比较高的要求。这两种极端情况对于智能定位器的软件控制和硬件制作是一个很大的挑战。

为了便于软件控制，同时为了生产工艺和成本考虑，主要取值在2～1.6之间。

三、计算机辅助分析

下面用ANSYS模拟分析，验证上述曲线。验证当喷嘴与节流孔及X值变化时，会给背压P带来的影响，以及影响趋势。

从三图可以看出，当D逐渐增大时，喷嘴中背压P值的压力越来越小,图6是D=0.6时的背压压力分布图，从图中色带可以得出P值几乎略大于0.1Mpa，如果此时X继续增大的话，对背压就不会产生什么影响。

图7，图8，图9分别是d=0.2,X=0.08,喷嘴孔径为三个不同值时的计算机ANSYS模拟图。

在图7，图8，图9中可以看出，d=0.2时，背压中的压力很低，喷嘴的背压小于0.1Mpa，此时，喷嘴的耗气量很小,可以节约大部分内耗。灵敏度非常高，X稍有变化，会对背压产生很大的影响，在此条件下工作的放大器必须要内耗非常小，才能适应此工作条件。在这种压力下，对放大器中零件的设计有一定的要求，因为放大器一般都是靠弹性膜片传递压力。膜片本身是塑性元件，变形时会吸收部分气压力做的功。如果气压力太小，最终传递的压力也会很小，有效力很难推动移动阀芯。

目前欧洲产品，如ABB等，采用的是传递功率很高的膜片，这种膜片传递力时损失小，缺点时膜片能够产生的位移比较小，对零部件尺寸的控制要求比较高。

通过两组数据六副图的比较可以得出以下结论：

①当d越小时，节流后的背压越低，整机运行后能耗越低，X在有效范围内对背压的影响大，当X稍变化，背压也产生变化，基于这种特性，对产品的设计及零件的加工选用有很高的要求。

②当d越大时，节流后的背压越高，从喷嘴损失的能耗也高，但X值对背压的影响平缓。基于这种特性，对产品的设计及零件的加工和材料选择要求不高。目前国内的材料水平和加工水平，可以满足对产品的设计需求。

四、结论

本文通过理论公式计算推导出理想状态下的技术参数，结合计算机ANSYS模拟分析加以论证，为设计者提供了一种有效的设计计算喷嘴档板结构参数的选择方法，各个企业可以根据国内的加工工艺水平和本厂的实际情况，从控制产品成本出发，最终选择适合各自产品的技术参数。