CN107605876A

CN107605876A - 一种利用气蚀控制流量的文丘里管

Info

Publication number: CN107605876A
Application number: CN201710980012.9A
Authority: CN
Inventors: 曲延鹏; 王润堃; 杨中伟; 王燕辉; 陈颂英; 晏桂珍; 王厚高; 刘建伟; 李冰; 樊永生
Original assignee: Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-01-19

Abstract

本发明涉及一种利用气蚀控制流量的文丘里管，包括入口直管段、曲线渐缩管段、圆筒喉管段、圆锥渐扩段、维多辛斯基曲线渐扩段及出口直管段，所述管段依次排列、首尾连接，所述文丘里管的两端与外部结构可采用焊接连接或法兰连接，本发明的文丘里管压降较普通文丘里管压降更小、结构更加紧凑、无活动部件，适用于任何需要需控制流量的场合、反应灵敏、精度高，可广泛应用于液体流量的控制。

Description

一种利用气蚀控制流量的文丘里管

技术领域

本发明涉及文丘里管技术领域，具体涉及一种利用气蚀控制流量的文丘里管。

背景技术

“非能动安全系统压水堆核电技术”是一种新三代+核电技术，例如AP1000和CAP1400，因其安全性和先进性，具有广阔的发展前景。“非能动安全系统压水堆核电技术”中的化学与容积控制系统(CVS)需维持反应堆冷却剂系统(RCS)所需的冷却剂，以保持核电站运行期间保持稳压器的液位。为保障CVS补水流量的稳定，防止补水泵超流量。需要开发一种流量控制精度高，反应灵敏，结构紧凑，使用寿命长的流量控制装置。

防止补水泵超流量：当文丘里管流量超过设计流量，文丘里管喉管处会因为流速增加导致压力低于饱和蒸气压，从而产生汽蚀，堵塞喉管，从而起到流量控制的作用，防止补水泵超流量。

文丘里管是一种先收缩而后逐渐扩大的管道，是意大利物理学家G.B.文丘里发明的，因此而得名。文丘里管是常被用作测量流体流量的一种装置，测出其入口截面和最小截面处的压力差，用伯努利定理即可求出流量，差压式文丘里管流量测量装置在工业中得到广泛应用。另外，利用文丘里管的汽蚀效应做成的喷射器、施肥器等产品也较多。目前国内尚未提出将其用于流量控制。

目前，实际生产中使用的文丘里管很少根据汽蚀原理设计喉径，流量的增加很难及时的通过文丘里管进行控制，因此普通文丘里管不能显著快速的起到流量控制作用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种结构紧凑、压降小、安全可靠、使用寿命长的利用气蚀控制流量的文丘里管。

本发明采用如下技术方案：

一种利用气蚀控制流量的文丘里管，包括入口直管段、曲线渐缩管段、圆筒喉管段、圆锥渐扩段、维多辛斯基曲线渐扩段及出口直管段，所述管段依次排列、首尾连接，所述文丘里管的两端与外部结构可采用焊接连接或法兰连接。

进一步的，所述入口直管段长度为L₁，其截面圆直径为D₁，L₁随文丘里管总长度而变化，一般根据焊接要求可取25mm。

进一步的，所述曲线渐缩管段采用圆弧型结构,其长度为L₂，曲线渐缩管段的首端与入口直管段的尾端连接，曲线渐缩管段的首端截面圆形直径等于入口直管段截面的圆形直径D₁，曲线渐缩管段的尾端与圆筒喉管段相切，所述圆弧型结构的圆弧半径R为:

式中：D₁为入口直管段截面的直径，d_N为圆筒喉管段截面直径。

进一步的，所述曲线渐缩管段的长度L₂为：

进一步的，所述圆筒喉管段长度L₃＝(0.1～3)d_N，其截面直径d_N为：

式中：D₁为入口直管段截面的直径(mm)，p_i为入口压力(MPa)，为表压，Dp为最大预期压降(MPa)，p_s为流体温度对应的饱和蒸气压(MPa)，为绝压，Q为流体流量(m³/h)，ρ为流体密度(kg/m³)，圆筒喉管段截面直径取值根据各相关参数确定最大值和最小值。

进一步的，所述圆锥渐扩段首端所在截面直径与圆筒喉管段截面直径相同，其尾端与所述维多辛斯基曲线渐扩段相切，圆锥渐扩段长度L₄为：

L₄＝(1.3～2.3)*D₁ (4)

圆锥渐扩段尾端与维多辛斯基曲线渐扩段相切处截面圆直径为D_*，

式中，θ取值范围为5°～15°，θ/2为圆锥渐扩段的圆锥面与文丘里管轴线所呈的倾斜角。

进一步的，所述维多辛斯基曲线渐扩段长度L₅为:

L₅＝(2～3)D₁ (6)

其首端所在截面圆的直径为D_*，其曲线方程为：

其中，r_*＝D_*/2，r₀＝D₁/2，L₅为维多辛斯基曲线长度，x为维多辛斯基曲线上一点距离其首端的距离，r为该点处维多辛斯基曲线截面圆的半径，根据D_*、D₁和维多辛斯基曲线扩散段长度L₅共同确定该曲线。

进一步的，所述出口直管段长度L₆等于入口直管段长度L₁。

发明的有益效果：

1、本发明的文丘里管降具有维多辛斯基曲线渐扩段，较普通文丘里管压降更小。

2、本发明的文丘里管入口渐缩段和出口渐扩段采用曲线型式，显著减小了文丘里管长度，使结构更加紧凑。

3、本发明的文丘里管无活动部件，适用于任何需要需控制流量的场合。

4、本发明的文丘里管利用气蚀效应产生的气泡导致的阻塞工况来限制管内液体流量，有反应灵敏，精度高的特点。

5、本发明发文丘里管当发生气蚀时，往往伴随震动和噪音的产生，起到警示作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明采用两端焊接连接的文丘里管结构立体示意图；

图2是本发明采用两端法兰连接的文丘里管结构立体示意图；

图3是本发明采用两端焊接连接的文丘里管剖视示意图；

图4是本发明采用两端法兰连接的文丘里管剖视示意图；

其中：1.入口直管段，2.曲线渐缩管段，3.圆筒喉管段，4.圆锥渐扩段，5.维多辛斯基曲线渐扩段，6.出口直管段，7.法兰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-4所示，一种利用气蚀控制流量的文丘里管，包括入口直管段1、曲线渐缩管段2、圆筒喉管段3、圆锥渐扩段4、维多辛斯基曲线渐扩段5及出口直管段6，所述管段依次排列、首尾连接，所述文丘里管的两端与外部结构可采用焊接连接或法兰7连接。本发明的文丘里管直管段采用整体机加工方式加工，不存在焊接接头和应力集中区域，采用不卸零件一次加工成形技术，零件加工后形位精度得到了很好保证，保证整体加工零件一致性、曲直过渡面衔接吻合性好，从而保证了气蚀型流量控制文丘里管结构的完整性。

进一步的，所述入口直管段长度为L₁，其截面圆直径为D₁，L₁随文丘里管总长度而变化，一般根据焊接要求可取25mm，满足了相关标准的焊接要求。

进一步的，所述曲线渐缩管段采用圆弧型结构,其长度为L₂，曲线渐缩管段的首端与入口直管段的尾端连接，首端截面圆形直径等于入口直管段截面的圆形直径，曲线渐缩管段的尾端与圆筒喉管段相切，根据数据模拟优化，得出所述圆弧型结构的圆弧半径R为:

进一步的，所述曲线渐缩管段的长度L₂为：

进一步的，所述圆筒喉管段长度L₃＝(0.1～3)d_N，根据产生气蚀现象的理论条件，并进一步进行数据模拟优化，得出其截面直径d_N为：

式中：D₁为入口直管段截面的直径(mm)，p_i为入口压力(MPa，表压)，Dp为最大预期压降(MPa)，p_s为流体温度对应的饱和蒸气压(MPa，绝压)，Q为流体流量(m³/h)，ρ为流体密度(kg/m³)，圆筒喉管段截面直径取值根据各相关参数确定最大值和最小值。

L₄＝(1.3～2.3)*D₁ (4)

式中，根据实际生产经验，通过数据模拟和实验数据优化，确定θ取值范围为5°～15°，θ/2为圆锥渐扩段的圆锥面与文丘里管轴线所呈的倾斜角。

进一步的，所述维多辛斯基曲线渐扩段长度L₅为

L₅＝(2～3)*D₁ (6)

其首端所在截面的直径为D_*，其曲线方程为：

进一步的，所述出口直管段长度L₆等于入口直管段长度L₁，满足了相关标准的焊接要求。

需要指出的是：本发明的文丘里管与与普通文丘里管的结构上最主要的区别在于出口处的渐扩段结构，本发明采用了维多辛斯基曲线渐扩段，维多辛斯基曲线主要用于风机入口段，用于减小该段的压力损失，目前还没有将该曲线用于出口段的实例，根据计算流体力学分析软件模拟可知，该曲线用在出口段，可以显著降低整个文丘里的压力损失，并且明显减小文丘里管整体尺寸，使其结构更加紧凑。各管段的轴向长度根据伯努利方程，带入液体速度、密度等参数后推导得出，在本申请中不做详细叙述，本发明涉及的利用气蚀控制流量的文丘里管采用两端钻孔的方式加工，曲线采用专用仿形成型刀具加工，保证了结构的完整性。

其工作原理为：

在实际使用过程中，液体经过入口直管段进入利用气蚀控制流量的文丘里管，随着曲线渐缩段内径的减小，液体流速逐渐增加，当到达圆筒喉管段时，速度达到最大，根据伯努利方程可知，此时压力达到最小值，当压力低于被输送液体的饱和蒸汽压时发生气蚀，阻塞喉部，同时起到流量限制的作用；当流量减小到正常值时，气蚀消失，利用气蚀控制流量的文丘里管恢复正常工作状况；液体通过圆筒喉管段后进入圆锥渐扩段和维多辛斯基曲线段，液体流速逐渐恢复到进入文丘里管之前的液体流速；最后通过出口直管段离开文丘里管。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，包括入口直管段、曲线渐缩管段、圆筒喉管段、圆锥渐扩段、维多辛斯基曲线渐扩段及出口直管段，所述管段依次排列、首尾连接，所述文丘里管的两端与外部结构可采用焊接连接或法兰连接。

2.如权利要求1所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述曲线渐缩管段采用圆弧型结构,曲线渐缩管段的首端与入口直管段的尾端连接，曲线渐缩管段的首端截面圆形直径等于入口直管段截面的圆形直径，曲线渐缩管段的尾端与圆筒喉管段相切，所述圆弧型结构的圆弧半径R为:

3.如权利要求2所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述曲线渐缩管段的长度L₂为：

4.如权利要求1所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述圆筒喉管段截面圆直径d_N为：

<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msup> <mn>10</mn> <mn>3</mn> </msup> <mroot> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>/</mo> <mn>1000</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>4</mn> </msup> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>&pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mi>p</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>6</mn> </msup> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>101325</mn> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>8</mn> <mi>&rho;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Q</mi> <mo>/</mo> <mn>3600</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow> <mn>4</mn> </mroot> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

式中：D₁为入口直管段截面的直径，p_i为入口压力，为表压，Dp为最大预期压降，p_s为流体温度对应的饱和蒸气压，为绝压，Q为流体流量，ρ为流体密度。

5.如权利要求1所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述圆筒喉管段的长度L₃为：

L₃＝(0.1～3)d_N；

式中：d_N为圆筒喉管段截面圆直径。

6.如权利要求1所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述圆锥渐扩段的首端所在截面直径与圆筒喉管段截面直径相同，其尾端与所述维多辛斯基曲线渐扩段相切，圆锥渐扩段长度L₄为：

L₄＝(1.3～2.3)*D₁；

式中：D₁为入口直管段截面的直径。

7.如权利要求6所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述圆锥渐扩段尾端与维多辛斯基曲线渐扩段相切处截面圆直径D_*为：

<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mo>*</mo> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>d</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>L</mi> <mn>4</mn> </msub> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <mi>&theta;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

式中，θ取值范围为5°～15°，θ/2为圆锥渐扩段的圆锥面与文丘里管轴线所呈的倾斜角，L₄为圆锥渐扩段长度，d_N为圆筒喉管段截面圆直径。

8.如权利要求1所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述维多辛斯基曲线渐扩段长度L₅为：

L₅＝(2～3)*D₁；

式中，D₁为入口直管段截面的直径。

9.如权利要求8所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述维多辛斯基曲线渐扩段曲线方程为：

其中，r_*＝D_*/2，D_*为圆锥渐扩段尾端与维多辛斯基曲线渐扩段相切处截面圆直径，r₀＝D₁/2，D₁为入口直管段截面的直径，L₅为维多辛斯基曲线长度，x为维多辛斯基曲线上一点距离其首端的距离，r为该点处维多辛斯基曲线截面圆的半径。

10.如权利要求1所述的一种利用气蚀控制流量的文丘里管，其特征在于，所述出口直管段长度等于入口直管段长度。