CN104535122B - 一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，包括上游收缩段、下游扩散段以及在两者之间包裹的喉口插板；喉口插板上具有不同直径的喉口孔，上游收缩段的收缩形流道和下游扩散段的扩散形流道以及喉口插板上的喉口孔构成了临界流文丘里喷嘴；喉口插板通过调节手轮上下移动，从而选取不同的喉口孔来与收缩形流道与扩散形流道相配合，进而改变临界流喷嘴喉口面积；调节手轮结合弹簧定位销的共同作用，能精确确定喉口位置进而确定喉口面积大小；该装置可以方便实现临界流流量的在线调节，无须断流，具有流量调节范围宽、流体流通性能好、流量控制精度高、结构简单、性能可靠、可适用于高温高压流体等优点。

Description

一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴

技术领域

本发明属于流体控制和测量技术领域，具体涉及一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴。

背景技术

临界流文丘里喷嘴被广泛应用于流体流量的控制和测量。对于特定流体，流经临界流文丘里喷嘴的流量由喷嘴进口流动参数和喷嘴喉口面积决定，而不受下游压力波动的影响。对于传统的临界流文丘里喷嘴，有着固定的喉口面积，当需要改变临界流量时，只能通过改变喷嘴进口处流体的参数，如滞止压力，温度等。但是当改变进口参数时，背压比会随之发生变化，甚至不能满足临界流条件。另一方面，临界流文丘里喷嘴的流出系数是喉口雷诺数的函数，对于高雷诺数，其流量系数基本为常数，此时利用一维非粘性方程来计算文丘里喷嘴的临界流量是可行；但是对于低雷诺数流体，流量系数随雷诺数变化较明显，这样通过计算得到临界流量就会有较大的误差，甚至在临界压力比以下时其流量也会受到下游压力波动的影响。因此，为了得到较小的临界流控制流量，需要更换具有小喉口直径的临界文丘里喷嘴，其操作费时费力，降低了工作效率。所以本文的主要目的就是设计一种新型的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，扩大临界流流量控制和测量的范围。

常见的改变文丘里喉口面积的方式是在其内部插入一个中间体，该中间体与文丘里的内壁面相配合形成面积可变的环形流道。该中间体可以是圆柱形也可以是圆锥形：对于具有圆柱形中间体的变喉口面积文丘里，需要通过更换不同直径大小的中间体来获得不同的流通面积；而对于具有圆锥形中间体的变喉口面积文丘里，通常需要通过调节装置控制中间体或者文丘里的移动，使两者在轴向上发生相对位移，从而增加或者减小流道流通面积。美国专利US2552497,US5880378，US 6405577中介绍了这种类型的变喉口面积文丘里。但是这种结构由于中间体的存在，使得其流道动力学特性较差，同时也会破坏文丘里扩散段的压力恢复作用，导致较大的压力损失和寄生震荡。尤其对于圆柱形中间体，当调节喷嘴喉口面积时需要中断流体流动更换不同尺寸中间体，这不但费时费力，并且还存在许多工艺流程不允许断流的情况，限制了其应用范围。

另外一种改变喉口面积的方式是弹性壁面式，即文丘里喷嘴的壁面或者壁面内层是由弹性材料构成，该弹性壁面通过机械作用或者是第二种控制流体的压力作用发生形变，使得流体流道面积发生变化。美国专利US 4096211和US 4586873中介绍了这种类型的变喉口面积文丘里。这种方式尽管能保持较好的流道动力学特性，但是弹性材料很容易受到流经的气体(或者气液两相流体)的侵蚀作用，尤其是当工作温度较高时，弹性性能变差，在收缩时表面会出现“褶皱”现象，影响流道面积的控制，进而对流量控制也会出现较大误差。

其他改变文丘里喷嘴喉口面积的方式还有活动壁面或活动喉口式。美国专利US4056583所述的变喉口面积文丘里喷嘴，是在矩形管道的两侧设置扇形凹腔，该凹腔中具有机轴支撑的可活动的文丘里形状的壁面，通过调节杆调节它们的转动可以改变喉口面积。而在美国专利US 8464582中所述的变喉口面积文丘里喷嘴是在喷嘴的喉部安装两个凸轮式的机构，通过控制它们的转动，使其进入喉口部分的体积产生变化，进而调节流道的流通面积。这种活动壁面式活动喉口的变面积文丘里的流道是非圆管道，尤其在非圆形喉部会产生比圆形喉部较多的流动死角，流体流动性能较差。

在工程中还有组合式的变面积文丘里喷嘴，即由多个小型的文丘里喷嘴并联代替一个大的喷嘴，在工作过程中通过调节机构控制小型喷嘴开关和闭合的个数，来改变喷嘴组合的流通面积。由于这种方法会使得装置体积庞大，并且异常复杂，目前在工程中应用较少。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，可以实现临界流量的在线调节，不但能保持良好的流体流通性能，较低的压力损失，并且临界流流量调节范围宽，结构简单，操作方便，安全性能好；该装置用于调节临界流量，不仅适用于常温流体，也适用于高温高压流体。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，包括上游收缩段1、下游扩散段2以及垂直插入上游收缩段1和下游扩散段2间且能在二者间上下移动的喉口插板3，所述喉口插板3上具有直径不同的喉口插板孔31，上游收缩段1上的收缩形流道11和下游扩散段2上的扩散形流道21以及喉口插板3上的喉口插板孔31构成了一个临界流文丘里喷嘴，通过喉口插板3在上游收缩段1和下游扩散段2间上下移动，选取直径不同的喉口插板孔31与收缩形流道11和扩散形流道21相配合，来改变临界流文丘里喷嘴喉口面积；所述上游收缩段1进口端面具有与管道连接的进口法兰15，所述下游扩散段2出口端面具有与管道连接的出口法兰25。

所述上游收缩段1和下游扩散段2之间具有与二者垂直的喉口插板室7，所述喉口插板3置于喉口插板室7内，喉口插板3一端连接有调节螺杆6，喉口插板室7上端具有与调节螺杆6相适配的螺纹孔71，调节螺杆6的另一端与调节手轮4相连；通过调节手轮4转动调节螺杆6能够带动喉口插板3在管道径向上上下移动，弹簧定位销5能在喉口插板3上下移动过程中精确确定喉口插板3的位置，并且在喷嘴工作过程中对喉口插板3进行固定。

所述喉口插板3包括相连接的矩形部分32和圆柱形部分33，矩形部分32上具有贯穿的不同直径的喉口插板孔31，侧面上具有与各个喉口插板孔31相对应的定位孔35，定位孔35用于与弹簧定位销5配合精确确定喉口插板3的位置；圆柱形部分33上具有两道O型密封圈槽34，其中嵌有O型密封圈341，使得圆柱形部分33与喉口插板室7内表面实现滑动密封。

所述喉口插板孔31也为收缩结构，其由位于收缩形流道11一端的喉部插板收缩段311、位于扩散形流道21一端的喉部插板扩散段312以及喉部插板平直段313组成；所述各个喉口插板孔31的喉部插板收缩段311的进口直径相等并且都等于收缩形流道11的出口直径；所述各个喉口插板孔31的喉部插板扩散段312的出口直径相等并且都等于扩散形流道21的进口直径；所述各个喉口插板孔31的喉部插板平直段313直径各不相同。

所述喉口插板孔31进出口端面分别设置有插板进口O型密封圈槽314和插板出口O型密封圈槽315，并嵌有O型密封圈。两相邻喉口插板孔31之间的距离小于所述收缩形流道11的出口直径，也小于所述扩散形流道21的进口直径。

本发明利用在上游收缩段1和下游扩散段2中间放置一个可以管道径向移动的喉口插板3，喉口插板3上具有多个不同直径的喉口插板孔31，这样收缩形流道11和扩散形流道21以及喉口孔,构成了一个临界流文丘里喷嘴。通过调节手轮4配合弹簧定位销5的作用，移动喉口插板3可以选择不同的喉口孔，进而改变临界流喷嘴的喉口面积，得到不同的临界流量。与现有技术相比，具有如下优点：

(1)临界流量调节方便。要想调节临界流量，无须改变喷嘴上游的流体参数，也无须中断流体流动，只需要移动喉口插板，使得对应直径的喉口孔对齐收缩形和扩散形流道即可。这种调节方式避免了调节喷嘴上游流体参数时由于背压比的升高出现亚临界流状态的情况，并且应用不同尺寸的喉口孔可以大大提高临界流流量调节的范围。

(2)流体流通性能优良。所述喉口面积可调节临界流喷嘴的流道与传统固定喉口面积临界流文丘里喷嘴相似，为圆形管道，尤其没有中间体或者活动壁面的存在，喉口截面依然为圆形，文丘里喷嘴内部流场不会被破坏，避免了寄生震荡和流动死角，具有良好的流体流通性能，这也同时降低了压力损失。

(3)流量控制精确。由于每个喉口孔的直径事先确定，这样在临界流文丘里喷嘴工作过程中就能精确的得到喉口的面积，无需像现有变喉口面积技术那样经过复杂的测量计算，也不会出现如弹性壁面式变面积文丘里喷嘴那样，由于弹性壁面受自身流体压力而发生形变导致喉口面积难以确定的情况，大大提高了临界流控制和测量的精度。

(4)应用范围广。所述喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，具有良好的密封方式，不但能应用于常温流体，也能应用于高温高压流体。同时，也不会存在如弹性壁面式变面积文丘里喷嘴那种在高温高压流体经过时弹性材料失效的问题，其结构坚固，工作性能可靠。

附图说明

图1为所述具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴剖视图。

图2为所述具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴外观立体图。

图3为所述喉口插板结构示意图。

图4为所述喉口插板的局部剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，对于具有喉口插板3的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，上游收缩段1和下游扩散段2之间具有喉口插板室7。喉口插板室7与上游收缩段1和下游扩散段2相垂直，其上端具有螺纹孔与调节螺杆6相配合。喉口插板3置于喉口插板室7内，喉口插板3上具有直径不同的喉口插板孔31，上游收缩段1上的收缩形流道11和下游扩散段2上的扩散形流道21以及喉口插板3上的喉口插板孔31构成了一个临界流文丘里喷嘴。喉口插板3的一端连接有调节螺杆6，调节螺杆6的另一端与调节手轮4相连。通过调节手轮4转动调节螺杆6可以带动喉口插板3在管道径向上上下移动，选取不同的喉口插板孔31与收缩形流道11和扩散形流道21相配合，来改变临界流喷嘴喉口面积。弹簧定位销5能在喉口插板3上下移动过程中精确确定喉口插板3的位置，并且在喷嘴工作过程中对喉口插板3进行固定。临界流文丘里喷嘴分别通过进口法兰15和出口法兰25与上下游管道相连。圆柱形部分的O型密封圈341可以实现临界流喷嘴内部与外界环境的滑动密封；喉口插板孔31进出口端面的O型密封圈可以保证在临界流喷嘴工作过程中流体全部从喉口孔31流过。

如图3所示，喉口插板3包括矩形部分32和圆柱形部分33。矩形部分32上具有贯穿的不同直径的喉口插板孔31，侧面上具有与各个喉口插板孔31相对应的定位孔35，定位孔35与弹簧定位销5相配合，可以精确确定喉口插板孔31的位置；圆柱形部分33上具有两道O型密封圈槽34，其中嵌有O型密封圈341，使得圆柱形部分33与喉口插板室7内表面实现滑动密封。

如图4所示，喉口插板孔31也为收缩结构，其由喉部插板收缩段311，喉部插板扩散段312和喉部插板平直段313组成。所述各个喉口插板孔31的喉部插板收缩段311的进口直径相等并且都等于收缩形流道11的出口直径。所述各个喉口插板孔31的喉部插板扩散段312的出口直径相等并且都等于扩散形流道21的进口直径。所述各个喉口插板孔31的喉部平直段直径各不相同。所述喉口插板孔31进出口端面分别设置有插板进口O型密封圈槽314和插板出口O型密封圈槽315，并嵌有O型密封圈。两相邻喉口插板孔31之间的距离小于所述收缩形流道11的出口直径，也小于所述扩散形流道21的进口直径，防止在流量调节过程中出现堵死现象。喉口插板孔31的喉部插板收缩段311的进口与收缩形流道11的出口相配合，喉部插板扩散段312的出口与扩散形流道21的进口相配合。

在临界流文丘里喷嘴工作过程中，收缩形流道11加上喉口插板孔31的喉部插板收缩段311共同构成了文丘里喷嘴的收缩部分，而扩散形流道21加上喉口插板孔31的喉部插板扩散段312共同构成了文丘里喷嘴的扩散部分，而喉口插板孔31的喉部插板平直段313为实际有效的文丘里喉部。当需要调节临界流量，更换有效喉口面积时，其操作步骤为：向外侧拔出弹簧定位销5，通过调节手轮4转动调节螺杆6带动喉口插板3径向上发生移动，调节螺杆6上具有刻度指示(本文图中未标示出)，根据其指示作用，在接近目标位置附近松开弹簧定位销5，在弹簧力的作用下，弹簧定位销5能够实现对喉口插板3位置的精确确定。

本发明所涉及的新型喉口面积可调节临界流文丘里喷嘴，根据流量控制及调节的要求，将常用的临界流量对应的喉口尺寸集中到喉口插板3上，可以在临界流喷嘴进口流体参数不变的情况下，通过移动喉口插板3更换不同的喉口孔与收缩形流道11和扩散形流道21相配合，实现临界流量在无须中断流体流动的情况下的在线调节。其流量调节范围宽，结构简单，性能可靠稳定，操作方便，并且适用于高温高压流体，在工程应用领域是一种临界流量调节和控制的有效实用装置。例如，作为一种特例，在石油工程领域稠油热采的分层注汽中，结合中国专利CN201110398076.0或者中国专利CN 200810232020.6，应用本发明中所论述的临界流喷嘴可以控制各分配支路蒸汽的流量，可以方便的对各支路流量进行调节，不会出现各支路之间流量调节时相互干扰的情况。

Claims (1)

1.一种具有喉口插板的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，其特征在于：包括上游收缩段(1)、下游扩散段(2)以及垂直插入上游收缩段(1)和下游扩散段(2)间且能在二者间上下移动的喉口插板(3)，所述喉口插板(3)上具有直径不同的喉口插板孔(31)，上游收缩段(1)上的收缩形流道(11)和下游扩散段(2)上的扩散形流道(21)以及喉口插板(3)上的喉口插板孔(31)构成了一个临界流文丘里喷嘴，通过喉口插板(3)在上游收缩段(1)和下游扩散段(2)间上下移动，选取直径不同的喉口插板孔(31)与收缩形流道(11)和扩散形流道(21)相配合，来改变临界流文丘里喷嘴喉口面积；所述上游收缩段(1)进口端面具有与管道连接的进口法兰(15)，所述下游扩散段(2)出口端面具有与管道连接的出口法兰(25)；

所述上游收缩段(1)和下游扩散段(2)之间具有与二者垂直的喉口插板室(7)，所述喉口插板(3)置于喉口插板室(7)内，喉口插板(3)一端连接有调节螺杆(6)，喉口插板室(7)上端具有与调节螺杆(6)相适配的螺纹孔(71)，调节螺杆(6)的另一端与调节手轮(4)相连；通过调节手轮(4)转动调节螺杆(6)能够带动喉口插板(3)在管道径向上上下移动，弹簧定位销(5)能在喉口插板(3)上下移动过程中精确确定喉口插板(3)的位置，并且在喷嘴工作过程中对喉口插板(3)进行固定；

所述喉口插板(3)包括相连接的矩形部分(32)和圆柱形部分(33)，矩形部分(32)上具有贯穿的不同直径的喉口插板孔(31)，侧面上具有与各个喉口插板孔(31)相对应的定位孔(35)，定位孔(35)用于与弹簧定位销(5)配合精确确定喉口插板(3)的位置；圆柱形部分(33)上具有两道O型密封圈槽(34)，其中嵌有O型密封圈(341)，使得圆柱形部分(33)与喉口插板室(7)内表面实现滑动密封；

所述喉口插板孔(31)也为收缩结构，其由位于收缩形流道(11)一端的喉部插板收缩段(311)、位于扩散形流道(21)一端的喉部插板扩散段(312)以及喉部插板平直段(313)组成；所述各个喉口插板孔(31)的喉部插板收缩段(311)的进口直径相等并且都等于收缩形流道(11)的出口直径；所述各个喉口插板孔(31)的喉部插板扩散段(312)的出口直径相等并且都等于扩散形流道(21)的进口直径；所述各个喉口插板孔(31)的喉部插板平直段(313)直径各不相同；

所述喉口插板孔(31)进出口端面分别设置有插板进口O型密封圈槽(314)和插板出口O型密封圈槽(315)，并嵌有O型密封圈，两相邻喉口插板孔(31)之间的距离小于所述收缩形流道(11)的出口直径，也小于所述扩散形流道(21)的进口直径。