CN111795816B - 一种控制阀套筒的流量特性测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制阀套筒的流量特性测量装置及其方法，其包括依次连通的进水管、缓冲管、第一直管、第二直管、测量系统和出水管，测量系统包括由内到外同轴套设的套筒和透明管，套筒的侧壁开设节流窗口，套筒的内部设有阀塞；阀塞能在阀杆作用下沿套筒内壁上下移动，阀塞的高度大于节流窗口的高度且小于节流窗口顶部到压盖底部的距离。本发明的装置能够实时观察套筒节流窗口附近的流场变化情况，提供了可视化实验的条件。本发明的装置可以通过更换套筒来研究不同节流窗口下的套筒流量特性，不需要重新制造整个控制阀，装置能够灵活组配，节约了成本。本发明结构简单，制造容易，可进行广泛推广应用。

Description

一种控制阀套筒的流量特性测量装置及其方法

技术领域

本发明属于实验测量装置领域，具体涉及一种控制阀套筒的流量特性测量装置及其方法。

背景技术

控制阀的流量特性主要取决于阀芯样式与阀芯形状。目前控制阀常见的阀芯样式包括柱塞式阀芯，V型口阀芯以及赋予流量特性带节流窗口的套筒。目前对于这种套筒的流量特性测试，一般都需要制造一整个控制阀(包括阀体与其他阀内件)，涉及到砂型铸造，成本较高，耗费时间较长。针对该现象，需要提出一种控制阀套筒的流量特性测量装置及其方法来对控制阀套筒流量特性进行研究，以探究其额定流量系数以及流量特性曲线。

目前国内市面上还不存在一款专门针对控制阀套筒的流量特性测量装置。中国发明专利CN104101388A公开了一种可调节间隙的固定节流孔流量特性实验装置，固定节流孔、导向托板和轴套均同心置于圆柱套筒内，导向托板安装在套筒内壁，既作为可移动挡板托架，同时保证调节时可移动挡板与出口端面的平行度，进行导向；丝杆—弹簧间隙调节装置，通过调节旋钮的旋转，带动可移动挡板的前后移动，改变固定节流孔的出口间隙；调节套筒上的刻度盘和旋钮上的刻度配合，指示可移动挡板的移动距离，准确读取固定节流孔的出口间隙。利用该装置能够形成可变节流孔，对气动元件内部固定节流孔结构进行模拟，并测试其流量特性。虽然该装置系统较为完整，但仍旧无法测量控制阀套筒的流量特性。

发明内容

本发明针对目前市面上缺乏专门测量控制阀套筒流量特性的实验装置，且现存的流量特性测试装置功能单一，结构复杂的问题，为实现较为准确地测量控制阀套筒的流量特性，提出了一种控制阀套筒的流量特性测量装置及其方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种控制阀套筒的流量特性测量装置，其包括依次连通的进水管、缓冲管、第一直管、第二直管、测量系统和出水管，所述进水管上设有流量计，所述缓冲管为末端向上弯曲的管段，所述第一直管和出水管上分别设有第一压力表和第二压力表；

所述测量系统包括由内到外同轴套设的套筒和透明管，套筒的进水端与所述第二直管的出水端相连通，透明管的侧壁开设出水口，出水口上设有所述出水管；

套筒和透明管的顶部通过压盖进行封闭，套筒和透明管构成的环形区域底部封闭；所述套筒的侧壁开设节流窗口，套筒的内部设有阀塞；阀塞顶部设有阀杆，阀杆贯穿所述压盖，在阀杆外壁沿轴向设有刻度值；阀塞能在所述阀杆作用下沿所述套筒内壁上下移动，阀塞与套筒内壁的接触处具有气密性；阀塞的高度大于所述节流窗口的高度，能在所述阀杆作用下将节流窗口完全封闭，阀塞的高度小于所述节流窗口顶部到所述压盖底部的距离，能在所述阀杆作用下将节流窗口完全打开。

作为优选，所述进水管与缓冲管通过法兰连接，缓冲管与第一直管通过法兰连接，第一直管与第二直管通过法兰连接，第二直管和套筒通过法兰连接。

作为优选，所述透明管采用亚克力材质。

作为优选，所述节流窗口为多个，沿所述套筒的周向均匀布设。

作为优选，所述阀塞的外壁开有若干环形凹槽，用于放置密封环。

作为优选，所述阀塞的顶部开设螺纹孔，与所述阀杆通过螺纹进行连接固定。

作为优选，所述阀杆顶部设有手轮，用于上下移动阀杆。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置测量控制阀套筒流量特性的方法，其包括如下步骤：

1)通过移动阀杆使阀塞的底面与节流窗口底部平齐，阀塞将节流窗口完全封闭，记录此时阀杆对应压盖顶面的位置刻度l₁，单位为mm；通过移动阀杆使阀塞的底面与节流窗口顶部平齐，阀塞将节流窗口完全打开，记录此时阀杆对应压盖顶面的位置刻度l₂，单位为mm；通过公式(1)得到套筒节流窗口的最大开度L_max，单位为mm；其中：

L_max＝l₂-l₁ (1)

2)通过移动阀杆使阀塞的底面与节流窗口底部平齐，从进水管处通入水流，依次记录流量计读数Q，单位为kg/s，第一压力表读数P₁，单位为kPa，以及第二压力表读数P₂，单位为kPa；然后按每次最大开度L_max百分之五的距离向上移动阀塞的位置，并依次记录下每次所在位置处的第n个开度L_n、每次流量计读数Q_n、第一压力表读数P_1n以及第二压力表读数P_2n，直到阀塞的底面移动至与节流窗口顶部平齐的位置，停止进水；

3)将第n个开度下得到的Q_n、P_1n和P_2n通过公式(2)计算出流量系数K_vn，单位为m³/h；其中：

式中，ρ₁为水的密度，单位为kg/m³；将最大开度L_max下得到的Q_max、P_1max和P_2max通过公式(2)计算出额定流量系数K_vs，单位为m³/h；

4)通过公式(3)和(4)计算出第n个开度下的相对开度L_n/L_max以及相对流量Q_n/Q_max，其中：

式中，相对开度L_n/L_max和相对流量Q_n/Q_max的单位均为％；

以相对开度L_n/L_max为横坐标，相对流量Q_n/Q_max为纵坐标，绘制出控制阀套筒的流量特性曲线。

作为优选，步骤2)中所述第n个开度L_n(mm)具体是通过公式(5)和(6)得到的：

l_n＝l₁+5％nL_max,n＝1,2,3...20 (5)

L_n＝l_n-l₁＝5％nL_max,n＝1,2,3...20 (6)

作为优选，所述步骤2)中从进水管处通入水流的压强为1.0MPa、温度为15℃。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

1)本发明的装置将现有技术中常用的控制阀阀腔通过压盖、透明管以及三直管进行替代，并通过手动调节的阀杆来代替现有技术中常用的执行器来调节套筒节流窗口开度；采用该种替换手段，使得装置的结构紧凑、制造简单、造价便宜。

2)本发明的装置通过设置透明管，能够实时观察套筒节流窗口附近的流场变化情况，提供了可视化实验的条件；

3)本发明的装置可以通过更换套筒来研究不同节流窗口下的套筒流量特性，不需要重新制造整个控制阀，装置能够灵活组配，节约了成本。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为图1中测量系统的半剖示意图；

图中：1、流量计；2、进水管；3、套筒；4、密封环；5、阀塞；6、压盖；7、阀杆；8、手轮；9、第二压力表；10、出水管；11、透明管；12、第二直管；13、第一压力表；14、第一直管；15、缓冲管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明的一种控制阀套筒的流量特性测量装置，为了使部件间的连接装配关系更加明确，图1中的测量系统部分做了半剖处理，并非实际部件的结构。本发明的一种控制阀套筒的流量特性测量装置包括依次连通的进水管2、缓冲管15、第一直管14、第二直管12、测量系统和出水管10。其中，进水管2上设有流量计1，流量计1可以采用差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计中的一种，图1中所示为差压式流量计。缓冲管15为末端向上弯曲90°的管段，为了缓冲带有压力水流的冲击力。第一直管14和出水管10上均开设取压孔，在取压孔处分别安装有第一压力表13和第二压力表9，用于读取套筒3前后的压力。

如图2所示，测量系统包括由内到外依次设置的套筒3和透明管11，套筒3和透明管11同轴套设，套筒3的进水端与第二直管12的出水端相连通，透明管11的侧壁开设出水口，出水口上设有出水管10。进水管2与缓冲管15通过法兰连接，缓冲管15与第一直管14通过法兰连接，第一直管14与第二直管12通过法兰连接，第二直管12和套筒3通过法兰连接。采用透明管11的设置是为了能够在流量测试实验时直接观察套筒3节流窗口附近流场的变化情况，透明管11可以采用亚克力材质。

套筒3和透明管11的顶部通过压盖6进行封闭，套筒3和透明管11构成的环形区域底部封闭。套筒3的侧壁开设节流窗口，节流窗口可以为多个，沿套筒3的周向均匀布设。套筒3的内部设有阀塞5，阀塞5与套筒3内壁的接触处具有气密性，阀塞5的外壁开有多个环形凹槽，用于放置密封环。由于密封环4与套筒3内壁面的挤压，可以固定阀塞5在套筒3内部的位置，防止阀塞5在套筒3内部滑落。另外，不管阀塞5移动到什么位置，设置的多条密封环4也可以防止水流向阀塞5上部泄露。

阀塞5顶部设有阀杆7，阀杆7贯穿压盖6，在阀杆7外壁沿轴向设有刻度值，可以从压盖6顶部与阀杆7平齐位置读取阀杆7目前所在的位置刻度。实际装配时，可以在阀塞5的顶部开设螺纹孔，阀塞5与阀杆7之间通过螺纹进行连接固定。阀杆7的顶部也可以设有手轮8，方便实验人员握住手轮8对阀杆7进行上下移动操作，从而控制阀塞5的位置。

阀塞5的高度大于节流窗口的高度，确保阀塞5能在阀杆7作用下将节流窗口完全封闭。阀塞5的高度小于节流窗口顶部到压盖6底部的距离，能在阀杆7作用下将节流窗口完全打开，从而防止阀塞5顶部与压盖6接触时，阀塞5仍对套筒节流窗口有遮挡，这样会导致无法测量节流窗口全开时的流量。同时，阀杆7的长度要大于套筒3上节流窗口的高度，以确保阀塞5可以运动到节流窗口的任意高度。

利用上述装置测量控制阀套筒流量特性的过程如下：从流量计1入口端通入带有一定压强的水流，将阀塞5底面位置调至与节流窗口底面平齐的位置。然后按每次最大开度L_max百分之五的路程向上移动阀塞5位置，并记录下每次流量计1的读数Q(kg/s)，第一压力表13的读数P₁(kPa)以及第二压力表9的读数P₂(kPa)，直到阀塞5的底面位置调至与节流窗口顶部平齐的位置时停止进水。借助Q、P₁和P₂算出每个开度的流量系数以及最大开度的额定流量系数，最后算出每个开度的相对开度和相对流量，从而绘制出流量特性曲线。

下面详细叙述该测量方法，具体步骤如下：

1)通过移动阀杆7使阀塞5的底面与节流窗口底部平齐，阀塞5将节流窗口完全封闭，记录此时阀杆7对应压盖6顶面的位置刻度l₁，单位为mm。通过移动阀杆7使阀塞5的底面与节流窗口顶部平齐，阀塞5将节流窗口完全打开，记录此时阀杆7对应压盖6顶面的位置刻度l₂，单位为mm。通过公式(1)得到套筒3节流窗口的最大开度L_max，单位为mm。其中：

L_max＝l₂-l₁ (1)

2)通过移动阀杆7使阀塞5的底面与节流窗口底部平齐，从进水管2处通入压强为1.0MPa、温度为15℃的水流，依次记录流量计1读数Q，单位为kg/s，第一压力表13读数P₁，单位为kPa，以及第二压力表9读数P₂，单位为kPa。然后按每次最大开度L_max百分之五的距离向上移动阀塞5的位置，并依次记录下每次所在位置处的第n个开度L_n、每次流量计1读数Q_n、第一压力表13读数P_1n以及第二压力表9读数P_2n，直到阀塞5的底面移动至与节流窗口顶部平齐的位置，停止进水。

其中，第n个开度L_n(mm)具体是通过公式(5)和(6)得到的：

l_n＝l₁+5％nL_max,n＝1,2,3...20 (5)

L_n＝l_n-l₁＝5％nL_max,n＝1,2,3...20 (6)

3)将第n个开度下得到的Q_n、P_1n和P_2n通过公式(2)计算出流量系数K_vn，单位为m³/h。其中：

式中，ρ₁为水的密度，单位为kg/m³；将最大开度L_max下得到的Q_max、P_1max和P_2max通过公式(2)计算出额定流量系数K_vs，单位为m³/h。

4)通过公式(3)和(4)计算出第n个开度下的相对开度L_n/L_max以及相对流量Q_n/Q_max，其中：

式中，相对开度L_n/L_max和相对流量Q_n/Q_max的单位均为％。

以相对开度L_n/L_max为横坐标，相对流量Q_n/Q_max为纵坐标，绘制出控制阀套筒的流量特性曲线。

以上的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，包括依次连通的进水管(2)、缓冲管(15)、第一直管(14)、第二直管(12)、测量系统和出水管(10)，所述进水管(2)上设有流量计(1)，所述缓冲管(15)为末端向上弯曲的管段，所述第一直管(14)和出水管(10)上分别设有第一压力表(13)和第二压力表(9)；

所述测量系统包括由内到外同轴套设的套筒(3)和透明管(11)，套筒(3)的进水端与所述第二直管(12)的出水端相连通，透明管(11)的侧壁开设出水口，出水口上设有所述出水管(10)；

套筒(3)和透明管(11)的顶部通过压盖(6)进行封闭，套筒(3)和透明管(11)构成的环形区域底部封闭；所述套筒(3)的侧壁开设节流窗口，套筒(3)的内部设有阀塞(5)；阀塞(5)顶部设有阀杆(7)，阀杆(7)贯穿所述压盖(6)，在阀杆(7)外壁沿轴向设有刻度值；阀塞(5)能在所述阀杆(7)作用下沿所述套筒(3)内壁上下移动，阀塞(5)与套筒(3)内壁的接触处具有气密性；阀塞(5)的高度大于所述节流窗口的高度，能在所述阀杆(7)作用下将节流窗口完全封闭，阀塞(5)的高度小于所述节流窗口顶部到所述压盖(6)底部的距离，能在所述阀杆(7)作用下将节流窗口完全打开。

2.根据权利要求1所述控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，所述进水管(2)与缓冲管(15)通过法兰连接，缓冲管(15)与第一直管(14)通过法兰连接，第一直管(14)与第二直管(12)通过法兰连接，第二直管(12)和套筒(3)通过法兰连接。

3.根据权利要求1所述控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，所述透明管(11)采用亚克力材质。

4.根据权利要求1所述控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，所述节流窗口为多个，沿所述套筒(3)的周向均匀布设。

5.根据权利要求1所述控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，所述阀塞(5)的外壁开有若干环形凹槽，用于放置密封环。

6.根据权利要求1所述控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，所述阀塞(5)的顶部开设螺纹孔，与所述阀杆(7)通过螺纹进行连接固定。

7.根据权利要求1所述控制阀套筒的流量特性测量装置，其特征在于，所述阀杆(7)顶部设有手轮(8)，用于上下移动阀杆(7)。

8.一种基于权利要求1～7任一所述装置测量控制阀套筒流量特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过移动阀杆(7)使阀塞(5)的底面与节流窗口底部平齐，阀塞(5)将节流窗口完全封闭，记录此时阀杆(7)对应压盖(6)顶面的位置刻度l₁，单位为mm；通过移动阀杆(7)使阀塞(5)的底面与节流窗口顶部平齐，阀塞(5)将节流窗口完全打开，记录此时阀杆(7)对应压盖(6)顶面的位置刻度l₂，单位为mm；通过公式(1)得到套筒(3)节流窗口的最大开度L_max，单位为mm；其中：

L_max＝l₂-l₁ (1)

2)通过移动阀杆(7)使阀塞(5)的底面与节流窗口底部平齐，从进水管(2)处通入水流，依次记录流量计(1)读数Q，单位为kg/s，第一压力表(13)读数P₁，单位为kPa，以及第二压力表(9)读数P₂，单位为kPa；然后按每次最大开度L_max百分之五的距离向上移动阀塞(5)的位置，并依次记录下每次所在位置处的第n个开度L_n、每次流量计(1)读数Q_n、第一压力表(13)读数P_1n以及第二压力表(9)读数P_2n，直到阀塞(5)的底面移动至与节流窗口顶部平齐的位置，停止进水；

3)将第n个开度下得到的Q_n、P_1n和P_2n通过公式(2)计算出流量系数K_vn，单位为m³/h；其中：

式中，ρ₁为水的密度，单位为kg/m³；将最大开度L_max下得到的Q_max、P_1max和P_2max通过公式(2)计算出额定流量系数K_vs，单位为m³/h；

4)通过公式(3)和(4)计算出第n个开度下的相对开度L_n/L_max以及相对流量Q_n/Q_max，其中：

式中，相对开度L_n/L_max和相对流量Q_n/Q_max的单位均为％；

以相对开度L_n/L_max为横坐标，相对流量Q_n/Q_max为纵坐标，绘制出控制阀套筒的流量特性曲线。

9.根据权利要求8所述测量控制阀套筒流量特性的方法，其特征在于，从所述进水管(2)处通入水流的压强为1.0MPa、温度为15℃。

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