CN103032581B - 连续可调音速喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了连续可调音速喷嘴，包括阀体(1)、音速喷嘴(2)；阀体(1)、音速喷嘴(2)连接；所述音速喷嘴(2)是一个旋成体，内型面为等直入口段(24)、圆弧收敛段(25)、等直喉部段(26)、直线扩张段(27)；其特征在于还包括塞锥(3)；所述塞锥(3)为一旋成体，其前端为锥形；所述阀体(1)的入口(11)和出口(12)不共线；阀体出口(12)、音速喷嘴(2)、塞锥(3)同轴；所述塞锥(3)沿音速喷嘴(2)的轴线移动，改变圆弧收敛段(25)最小流通面积。本发明实现流量的连续调节，并且有结构简单、流量调节精度高、重复性好、迟滞性好、操纵力小、对流场干扰小的特点。

Description

连续可调音速喷嘴

技术领域

本发明涉及气体流量调节技术领域，具体涉及一种流量调节阀。

背景技术

在冶金、化工和气动等行业中很多场合需要对气体流量进行控制调节。气体流量的调节对于自动控制显得非常重要。因此调节阀在工业上有着广泛的应用。对于气体流量调节阀，国内外研究很多，技术也比较成熟。

工业上广泛应用的有蝶阀、隔膜阀、百叶调节阀等类型。但是现在的调节阀对流量的调节受到下游环境的影响较大，流量调节的非线性程度高。普通的流量调节阀流量计算如下：

其中K为常数，A为节流面积(m²)，Δp为上下游压差(Pa)，ρ为上游气体密度(kg/m³)。

实际使用中，阀门下游的工况难免会发生波动。由式(1)可知对于普通阀门，当下游的压强变化时调节阀上游的参数和流量将会受到影响，因此稳定性较差。另外，由于阀芯对流场干扰或是阀门流道突然变化(突扩、大转向等)导致流场很不稳定，还存在调节精度低、重复性差和迟滞性差的问题。

吴亚峰等申请的专利200520041946.9“可调式气体流量调节装置”，给出了一种可调式气体流量调节装置，如图1。该专利通过螺杆升降机构控制控制块以达到调节喉部面积的目的。该装置存在以下缺点。首先，控制块后存在突扩台阶，这将造成较大的流动损失；另外该装置控制块与侧壁之间接触面积大，因此密封问题不易解决。

音速喷嘴是最常用的气体标准流量计之一，ISO 9300：2005已经将其标准化。因具有结构简单、坚固耐用、准确度高、重复性好、便于移动等特点，音速喷嘴已成为气体流量传递的二级标准，在工业生产的很多领域都有着广泛的应用。最重要的是音速喷嘴工作在临界状态，其正常工作状态不会收到下游环境的影响。但是现在的音速喷嘴型面是固定的，而上游气源压力一般不易改变，此时流量也不易改变，不能作为流量调节装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了连续可调音速喷嘴，实现流量的连续调节，并且有结构简单、流量调节精度高、重复性好、迟滞性好、操纵力小、对流场干扰小的特点。

本发明连续可调音速喷嘴，包括阀体1、音速喷嘴2；阀体1、音速喷嘴2连接；所述音速喷嘴2是一个旋成体，内型面为等直入口段24、圆弧收敛段25、等直喉部段26、直线扩张段27；其特征在于还包括塞锥3；所述塞锥3为一旋成体，其前端为锥形；所述阀体1的的入口11和出口12不共线；阀体出口12、音速喷嘴2、塞锥3同轴；所述塞锥3沿音速喷嘴2的轴线移动，改变圆弧收敛段25最小流通面积。

进一步，所述音速喷嘴2的喉部直径Dt：

其中C_d、p₀、A_max、T₀、k、R_g分别为最大流量、流量系数、喷嘴入口总压、最大流通面积、入口总温、比热比、气体常数。

进一步，其特征在于所述塞锥3分别为锥形调节段31、圆柱过渡段32和圆柱密封段33。

进一步，所述圆柱过渡段直径d_m由式(4)确定：

其中C_d、p₀、A_min、T₀、k、R_g分别为最小流量、流量系数、喷嘴入口总压、最小流通面积、入口总温、比热比、气体常数。

进一步，所述圆柱密封段33长度L₃＞L₁+s，其中s为导向孔16的长度，锥形调整段31长度为L₁。

进一步，圆柱过渡段32与圆柱密封段33之间留有台阶。

进一步，锥形调节段31起始点到台阶距离L₂应该与阀体1的壁面18到音速喷嘴喉部的距离相等。

进一步，所述的阀体1上还包括安装外支架4的凸台15，同时凸台上开有塞锥的导向孔16。

进一步，还包括传动装置，传动装置包括外支架4、丝杠5，外支架4与阀体连接，外支架4顶部有丝杠螺母41，丝杆5与塞锥3固连，丝杠螺母41配合丝杠5使塞锥3沿轴向移动。

进一步，还包括内支架6，内支架是两个同轴的圆环，通过支撑肋片61连接。

本发明在音速喷嘴基础上增加的变截面塞锥能够在音速喷嘴喉部沿着轴向移动，塞锥的移动能改变音速喷嘴的实际喉部面积，从而可以实现流量的调节。

本发明的有益效果是：

1.流量连续可调，调节精度高。本发明继承了音速喷嘴流量控制精度高的特点。音速喷嘴的流量与喉部面积成正比，通过塞锥改变音速喷嘴的实际喉部面积实现流量调节的目的。

2.本发明对管路内型面过渡平缓、近似流线型，因此内流场的干扰小，压力损失小。

3.适用面广、可移植性强。本发明采用圆形法兰连接，适用于不同大小的的管路。

4.执行机构操纵力小。塞锥型面变化主要在音速喷嘴喉部附近，此处压力较管路压力低，作用在塞锥上的力小。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中专利200520041946.9可调式气体流量调节装置结构示意图。

图2为本发明连续可调音速喷嘴的俯视图。

图3为本发明图2的A-A面的三维剖视图。

图4为本发明中音速喷嘴剖视图。

图5为本发明中塞锥剖视图。

图6为本发明中阀体剖视图。

图7a为本发明中阀体侧视图

图7b为本发明中阀体三维视图。

图8为本发明中外支架三维视图。

图9为本发明中内支架三维视图。

其中1为阀体，11为阀体入口，12为阀体出口，13为密封沟槽A，14为密封沟槽B，15为凸台，16为导向孔，17为内支架安装槽，18为阀体内壁面，19为外支架安装螺纹孔；2为音速喷嘴，21为入口法兰，22为出口法兰，23为内支架安装槽，24为等直入口段，25为圆弧收敛段，26为等值喉部段，27为直线扩张段；3为塞锥，31为锥形调节段，32为圆柱过渡段，33为圆柱密封段；4为外支架，41为丝杠螺母；5为丝杠；6为内支架，61为内支架支撑肋片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图3是本发明的总体结构示意图。本发明所采用的技术方案是：在技术成熟的音速喷嘴基础上增加塞锥，通过塞锥调节音速喷嘴的喉部面积，这样在不改变上游面积的前提下实现流量的连续调节。本发明包括阀体1、音速喷嘴2、塞锥3、传动装置。

图4为音速喷嘴2的剖视图。音速喷嘴2是一个旋成体，内型面为等直入口段24、圆弧收敛段25、等直喉部段26、直线扩张段27，其内型面具体设计参考标准音速喷嘴，入口与出口均采用法兰连接。

对于工作在临界状态下的音速喷嘴，根据一维等熵流动理论：

其中C_d、p₀、A_t、T₀、k、R_g分别为质量流量(kg/s)、流量系数、喷嘴入口总压(Pa)、喉部面积(m²)、入口总温(T)、比热比、气体常数(J/(mol·kg))。

音速喷嘴2的喉部直径Dt根据设计的最大流量确定：

其中A_max为最大流通面积(m²)，为设计的最大流量(kg/s)，其他符号与式(2)中一致。为了减少突扩压力损失，喷嘴出口处的直径D_out应与出口连接处管路直径一致。

图5为塞锥3的剖视图。塞锥3是流量调节的关键零件，塞锥3为一旋成体。塞锥沿轴向分为三段，分别为锥形调节段31、圆柱过渡段32和圆柱密封段33。锥形调整段31为锥形，长度为L₁，本实例中整个锥形都为调节段，也可部分锥形作为调节段，其型面根据流量特性通过本领域公知的包络线方法设计。圆柱过渡段直径d_m由式(4)确定：

其中A_min为最小流通面积(m²)，为设计的最小流量(kg/s)，其他符号与式(2)中一致。

圆柱密封段33长度L₃，直径为d₁。要求L₃＞L₁+s，其中s为导向孔16的长度，以保证塞锥能够达到最大行程和最小行程。

圆柱过渡段32与圆柱密封段33之间留有台阶，要求d_m-d₁＞2mm。台阶主要是为塞锥3与阀体1之间的定位考虑。为了保证塞锥参考位置准确定位，锥形调节段31与圆柱过渡段32总长，即锥形调节段起始点到台阶距离L₂应该与阀体1的壁面18到音速喷嘴喉部的距离相等。另外，圆柱密封段塞锥33与阀体1的导向孔16之间存在动密封。

阀体1的结构见图6、7。可调音速喷嘴通过入口法兰11与待调节管路连接。阀体1的气体流道为L型，气流进入阀体1后进而进入音速喷嘴2。阀体入口孔径D_in与待调节管路直径相等。阀体出口直径D与音速喷嘴的入口直径一致。阀体上还包括安装外支架4的凸台15，同时凸台上开孔作为塞锥的导向孔16以及外支架连接螺纹孔19。在导向孔16壁面加工密封沟槽13，O形圈置于密封沟槽A13内，进行径向密封以实现塞锥运动时的动密封。阀体1与音速喷嘴2之间通过法兰连接，采用O形密封圈在密封沟槽B14处轴向密封。阀体1的气体流道还可以是其它形状，只要阀体的入口和出口不共线即可。

为了减小弯角对音速喷嘴的影响，应该使得音速喷嘴2喉部距离阀体壁面18的距离L大于5倍的阀体出口的直径D，即L＞5D。考虑到塞锥的影响，为了保证音速喷嘴前的流通面积不小于阀体1的入口流通面积，阀体出口的直径D应适当增大，要求其中D_m为阀体1入口直径、d_m为塞椎圆柱过渡段直径。这也是为了使音速喷嘴入口前有低速均匀的气流，满足大空间的要求。

本实施例的传动装置包括外支架4、丝杠5；图8为外支架4的三维视图。外支架4底部通过螺栓与阀体的外支架安装螺纹孔19连接，顶部加工有丝杠螺母41，配合丝杠5实现旋转运动转化为直线运动，使得丝杠能够沿着轴向前后移动。

转动力矩通过丝杠5的端部51输入，丝杆5与塞锥3固连，转动力矩通过丝杠5带动塞锥3沿轴向前后移动。丝杠5与塞锥3固连可采用销钉等兼顾轴向与轴向定位的方式。

整个调整过程可以是手动或自动。

上述实施例中丝杠传动机构仅仅只是一种实现形式，采用齿轮齿条机构、液压缸、气压缸等也可以实现塞锥的轴向运动。

图9为内支架6的三维视图。内支架6安装在阀体出口法兰12与喷嘴入口法兰21连接处，内支架安装槽17与内支架安装槽23内。内支架是两个同轴的圆环，通过支撑肋片61连接。外圆环内径与音速喷嘴入口直径D相等。内支架6与塞锥3之间为间隙配合，只是起防止塞锥晃动的作用。考虑到其受力很小，为了减小支撑肋片对音速喷嘴的影响同时保证较好的支撑效果。

通过塞锥3上的台阶和阀体1壁面18限定极限位置作为参考点，根据塞锥的移动距离就能确定塞锥位置。由于塞锥位置与最小流通面积之间的关系是已知的，即塞锥位置与流量之间的关系是已知的，因此可以通过调节塞锥位置准确地调节流量。

塞锥的移动距离还可以通过设置标尺、或者采用位置传感器来确定。

本发明已通过数值模拟和试验验证了其精确的流量控制特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.连续可调音速喷嘴，包括阀体(1)、音速喷嘴(2)；阀体(1)、音速喷嘴(2)连接；所述音速喷嘴(2)是一个旋成体，内型面为等直入口段(24)、圆弧收敛段(25)、等直喉部段(26)、直线扩张段(27)；

其特征在于还包括塞锥(3)；所述塞锥(3)为一旋成体，其前端为锥形，所述塞锥(3)分别为锥形调节段(31)、圆柱过渡段(32)和圆柱密封段(33)，所述锥形调节段(31)型面采用包络线方法设计；

所述阀体(1)的入口(11)和出口(12)不共线；阀体出口(12)、音速喷嘴(2)、塞锥(3)同轴；

所述塞锥(3)沿音速喷嘴(2)的轴线移动，改变圆弧收敛段(25)最小流通面积。

2.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于所述音速喷嘴(2)的喉部直径D_t：

其中C_d、p₀、A_max、T₀、k、R_g分别为最大流量、流量系数、喷嘴入口总压、最大流通面积、入口总温、比热比、气体常数。

3.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于所述圆柱过渡段直径d_m由下式确定：

其中C_d、p₀、A_min、T₀、k、R_g分别为最小流量、流量系数、喷嘴入口总压、最小流通面积、入口总温、比热比、气体常数。

4.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于所述圆柱密封段(33) 长度L₃＞L₁+s，其中s为导向孔(16)的长度，锥形调节段(31)长度为L₁。

5.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于圆柱过渡段(32)与圆柱密封段(33)之间留有台阶。

6.如权利要求5所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于锥形调节段(31)起始点到台阶距离L₂应该与阀体(1)的壁面(18)到音速喷嘴喉部的距离相等。

7.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于所述的阀体(1)上还包括安装外支架(4)的凸台(15)，同时凸台上开有塞锥的导向孔(16)。

8.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于还包括传动装置，传动装置包括外支架(4)、丝杠(5)，外支架(4)与阀体连接，外支架(4)顶部有丝杠螺母(41)，丝杠(5)与塞锥(3)固连，丝杠螺母(41)配合丝杠(5)使塞锥(3)沿轴向移动。

9.如权利要求1所述的连续可调音速喷嘴，其特征在于还包括内支架(6)，内支架是两个同轴的圆环，通过支撑肋片(61)连接。