CN101737538B - 流量控制阀装置及流量控制型孔设计方法 - Google Patents

Abstract

流量控制调节阀流量控制型孔设计方法，属于流量控制领域，其装置包括阀体、阀芯、衬套、弹簧、阀盖及相应的密封圈，阀芯与衬套之间采用间隙配合，衬套上加工有型孔，阀芯与衬套之间有弹簧，阀腔与来流方向流体相同。流量控制型孔的设计步骤如下：通过阀门结构确定阀芯的力平衡方程；根据上游压力变化范围和阀芯行程要求获得弹簧的劲度系数；利用压力与行程的变化关系根据流量获得型孔的面积，其中流体处于超临界状态。阀门工作时，通过来流的压力与弹簧之间的压力差控制阀门的开度，利用开度调整阀门上的型孔面积达到自动调整流量的目的。

Description

流量控制阀装置及流量控制型孔设计方法

【技术领域】

本发明涉及一种流量控制阀装置及流量控制型孔的设计方法，属于流量控制领域。

【背景技术】

在液体火箭发动机工作过程中，稳定的流量供应是发动机稳定工作的关键影响因素之一。

在挤压式液体火箭发动机输送系统中，一般都是通过高压气瓶给推进剂贮箱增压，稳定贮箱压力，以保证稳定的流量。若贮箱压力发生变化时，流量将受到影响。D.VanPelt，J.Hopkins，etc.在《Overview of a 4-inch od paraffin-based hybrid soundingrocket program》(AIAA 2004-3822)中介绍的固液探空火箭中，氧化亚氮推进剂采用自增压挤压方式，没有增压气瓶，喷注孔采用文氏管结构，但随着氧化亚氮的流出，贮箱压力减小，流量减小。目前，大部分流量控制阀都是处在亚临界工作状态，当阀门下游压力发生变化时，将会影响到阀门上游压力，而在液体火箭发动机中，为保证系统的可靠性，需要阻绝下游压力振动影响上游压力，即使下游压力振动，流量供应依旧是稳定的。同时，要求贮箱压力下降时，流量自动调节至稳定状态。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种流量控制阀流量控制型孔的设计方法。本发明要解决的问题是，在贮箱没有高压气瓶稳压的情况下通过该设计方法得到流量控制调节装置，依然能够提供稳定的流量，从而去掉增压系统结构，降低成本，简化结构。该设计方法也同样适用于气体流量控制。

流量控制调节阀流量控制型孔设计方法的装置包括阀体、阀芯、衬套、弹簧、阀盖及相应的密封圈，阀芯与衬套之间采用间隙配合，衬套上加工有型孔，阀芯与衬套之间有弹簧，阀腔与来流方向流体相同。流量控制型孔的设计步骤如下：通过阀门结构确定阀芯的力平衡方程；根据上游压力变化范围和阀芯行程要求获得弹簧的劲度系数；利用压力与行程的变化关系根据流量获得型孔的面积。阀门工作时，通过来流的压力与弹簧之间的压力差控制阀门的开度，利用开度调整阀门上的型孔面积达到自动调整流量的目的。

本发明的优点和积极效果在于：(1)采用该方法设计的流量调节控制阀可以去除供给系统的增压系统，简化系统的结构，降低系统的成本。(2)流量控制的压力为阀门入口压力，流体通过型孔时为超临界状态，避免下游压力振动对流量产生影响。(2)阀门开度的控制压力为阀门入口压力，避免下游压力振动对阀门的开度产生影响而影响流量。

【附图说明】

图1是阀门装置图

图2是阀芯受力分析图

图3是流量控制型孔的一种计算结果

【具体实施方式】

下面结合附图用实施例来进一步说明本发明。

如图1所示，实现该流量控制型孔的装置主要包括：阀盖1、小弹簧2、阀芯3、大弹簧4、阀体5、衬套6。大小弹簧都位于阀门腔内，大弹簧位于阀芯与衬套之间，用于平衡上游压力调整阀芯的位置，小弹簧处于阀芯与阀盖之间，主要用于固定阀芯，两弹簧在工作行程内都处于压缩状态，阀门腔的接口与来流管路相连；衬套固定不动，其上开有型孔，当上游压力变化时，阀芯位置将自动调整，液体通过衬套上型孔的流通面积大小将发生变化；根据压力调整范围、流量、阀门行程要求采用一定方法获得型孔的面积，从而保证压力变化时流量维持稳定。

如图2所示，阀门腔与来流管路相连，腔内压力与来流一致，当来流压力发生变化时，在腔内压力与弹簧力的作用下阀芯随压力变化而移动，使开度h发生变化，调整衬套上型孔的面积从而调整流量。

该型孔的设计方法如下所示：

(1)阀芯的力平衡方程

如图2，设右为正方向，由于采用间隙密封，摩擦力小，略去摩擦力，正方向的力有：

a.大气压力：

$F_a=p_0*\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2---\left(1\right)$

b.流道内流体压力：

$F_b=p_2*\frac{\mathrm{\π}}{4}(d^2-d^{\′2})---\left(2\right)$

c.大弹簧的作用力：F1

d.阀门腔内流体压力：

$F_c=p_1*\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)---\left(3\right)$

负方向的力有：

e.流道内流体的压力：

${F\′}_b=p_2*\frac{\mathrm{\π}}{4}(d^2-d^{\′2})---\left(4\right)$

f.阀门腔内流体压力：

${F\′}_c=p_1*\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2---\left(5\right)$

g.小弹簧作用力：F2；

则阀芯上的力平衡方程为：

F_a+F_b+F_c+F₁-F′_b-F′_c-F₂＝0   (6)

将以上各压力代入整理可得：

$F_1-F_2=(p_1-p_0)*\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2---\left(7\right)$

(2)阀门开度与上游压力的关系

设系统的压力变化范围为p-p’，阀门的行程要求为1，当上游压力从p变化到p’时，作用在阀芯上的压力值变化为：

$F_0=(p-p\′)*\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2---\left(8\right)$

而在压力变化过程中弹簧作用力的变化值为

F′₀＝k₁l-k₂l               (9)

由于受力要求平衡，因此弹簧劲度系数的关系为：

$k_1-k_2=(p-p\′)*\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2/l---\left(10\right)$

式中k₁为大弹簧的劲度系数，k₂为小弹簧的劲度系数。

设阀门的初始开度为h，当上游压力为p-p’之间的任一压力p_i时，根据阀芯的力平衡方程，作用在阀芯上的压力变化值应等于弹簧力的变化值，所以，阀芯移动距离为：

${\mathrm{dh}}_i=(p-p_i)*\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2/(k_1-k_2)---\left(11\right)$

因此，此时阀门的开度为：

h_i＝h+dh_i             (12)

(3)面积与开度的关系

设系统需求流量为m。对于液体而言，液体在阀门处气蚀，液体密度为ρ，饱和蒸气压为p_s，对于气体而言，气体在阀门最小处达到音速，气体温度为T，气体平衡常数为k，气体常数为R。将p-p’压力区间平均分为n-1段，则有n个压力节点，起始点为p，结束点为p’，设这些节点为p_i(i＝1，2，3，......，n)，则有：

$p_i=p+(i-1)*\frac{p-p\′}{n-1}---\left(13\right)$

设计时n取值越大，设计精度越高。

为保持流量m不变，面积A_i为：

液体：

$A_i=m/\left(\mathrm{\μ}\sqrt{2\mathrm{\ρ}(p_i-p_s)}\right)---\left(14\right)$

气体：

$A_i=m/(\mathrm{\μ}*K\frac{p_i}{\sqrt{T}})---\left(15\right)$

式中： $K=\sqrt{\frac{k}{R}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}},$ μ为经验系数。

根据阀门开度与上游压力的关系，由于压力区间为均分，则开度每次增加量为：

$\mathrm{dh}=h_{i+1}-h_i=\frac{p-p\′}{n-1}/(k_1-k_2)---\left(16\right)$

若初始型孔为矩形，则初始型孔宽度为：

B₁＝A₁/h           (17)

若随后面积为梯形，则每一个压力点所对应的型孔宽度为：

B_i＝2*(A_i-A_i-1)/dh-B_i-1        (18)

设计结果如图3所示。

Claims (4)

1.流量控制阀，包括阀体、阀芯、衬套、弹簧、阀盖及相应的密封圈，阀芯与衬套之间采用间隙配合，衬套上加工有型孔，阀腔与来流方向流体相通，其特征在于：弹簧包括大弹簧和小弹簧，大弹簧位于阀芯与衬套之间，用于平衡上游压力调节阀芯的位置，小弹簧处于阀芯与阀盖之间，用于固定阀芯，弹簧在工作行程内都处于压缩状态，在流体供应压力变化的情况下，通过液体压力与弹簧的作用力调整阀芯位置，液体通过衬套上型孔的流通面积大小将发生变化，从而自动调节流体流量，保证压力变化时流量维持稳定。 

2.如权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于：利用阀门上游压力与阀芯行程的关系设计衬套上的型孔面积。 

3.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于：正常工作状态下，流体通过型孔时处于超临界状态，流量不受反压变化影响。 

4.根据权利要求1所述的流量控制阀，其特征在于：采用压力分段计算型孔面积，分段越多，精度越高。 

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