CN112032364A - 一种可维持出口压力稳定的调节阀及其出口压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可维持出口压力稳定的调节阀及其出口压力控制方法，调节阀包括阀体、上阀片、阀盖、下阀片和阀杆转轴，下阀片的环向壁面上均匀分布有竖直设置的若干条第一Tesla阀形流道，每条第一Tesla阀形流道均与进流腔连通；上阀片同轴设置于下阀片的上部，上阀片的环向壁面上均匀相间分布有竖直设置的若干条直线形流道和若干条第二Tesla阀形流道。本发明将具有单向导通反向压损固定功能的特斯拉阀结构应用于调节阀阀芯结构中，在应对上游压力波动工况时，可实现不改变阀门出口流量的条件下，改变调节阀的流通阻力，从而稳定调节阀的出口压力，提升了调节阀对实际工况的适应性；执行行程短，旋转较小位移，就可实现不同稳压状态的切换。

Description

一种可维持出口压力稳定的调节阀及其出口压力控制方法

技术领域

本发明涉及调节阀，尤其涉及一种可维持出口压力稳定的调节阀及其出口压力控制方法。

背景技术

调节阀又名控制阀，是一种带有执行机构的阀门。依据控制单元输出的信号，调节阀通过执行机构改变阀门开度，可实现对系统中压力、流量等工艺参数的控制以满足用户的需要。随着现代工业自动化程度的不断提高，调节阀日益广泛地应用于冶金、能源、化工、石油、军事、水利等工业部门，发挥着不可替代的作用。

调节阀在实际应用中，经常会遇到上游压力波动的情况，此时为维持出口压力的稳定，常通过调节阀门开度来调节流通截面积从而调节出口压力，但在维持出口压力稳定的同时，阀门开度的变化也会引起出口流量的改变，并不适用于对阀门出口流量有稳定控制要求的场合。在不影响阀门流量大小的条件下来改变调节阀的流阻，以维持出口压力稳定，是值得探讨的。

特斯拉(Tesla)阀门是一种固定几何形状的被动单向导通阀，可以使流体单向流通，流体顺向流动时，总压损失较小，但流体反向流动时压力损失较大，在流道几何形状固定的条件下，反向流动的压差是固定的；特斯拉阀门的特殊之处在于，不是通过调节流通截面积来实现压降的，而是通过特定的几何形状来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可维持出口压力稳定的调节阀，在出现压力波动时，通过调整流道几何形状来调节阀门流阻，从而维持阀门出口压力稳定。更进一步地，本发明还提供了一种基于所提出的可维持出口压力稳定的调节阀的出口压力控制方法。

本发明采用的技术方案是：

一种可维持出口压力稳定的调节阀，其包括阀体、上阀片、阀盖、下阀片和阀杆转轴，上阀片和下阀片均为柱体结构；

所述阀体为具有筒状中空腔室的无底结构，底部可拆卸式固定有阀盖，阀盖能将阀体的底部完全覆盖，阀盖上开设有贯通的阀门进口；位于阀体中空腔室底部的阀盖上表面设有支撑结构，下阀片放置于所述支撑结构上且连接处封闭，下阀片底面、支撑结构和阀盖共同构成进流腔；下阀片的环向壁面上均匀分布有竖直设置的若干条第一Tesla阀形流道，每条第一Tesla阀形流道均与所述进流腔连通；

所述上阀片同轴设置于下阀片的上部，上阀片的底部与下阀片的顶部紧密贴合；上阀片的环向壁面上均匀相间分布有竖直设置的若干条直线形流道和若干条第二Tesla阀形流道，相邻直线形流道之间的距离、相邻第二Tesla阀形流道之间的距离均与相邻第一Tesla阀形流道之间的距离相等，且直线形流道和第二Tesla阀形流道均能与第一Tesla阀形流道连通；在上阀片上沿轴线开有通孔，通孔内安装固定有阀杆转轴；阀杆转轴的上端贯穿阀体顶部；上阀片能以阀杆转轴为轴心旋转切换不同连通状态，使得第一Tesla阀形流道择一与直线形流道连通、与第二Tesla阀形流道连通或被未开设流道的上阀片底部封闭；

位于上阀片上方的阀体侧壁上开设阀门出口，通过下阀片和上阀片降压作用后的流体能从阀门出口流出。

作为优选，所述阀门进口的中心轴与阀盖的中心轴共线。

作为优选，所述支撑结构为设置于阀盖上表面的环形凸起。

作为优选，所述上阀片通孔的横截面形状为正六边形，位于通孔内的部分阀杆转轴的横截面为正圆角六边形，上阀片与阀杆转轴间的配合关系为过盈配合。

作为优选，当所述第一Tesla阀形流道与直线形流道连通时，第一Tesla阀形流道的出口与直线形流道的进口重合；当所述第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道连通时，第一Tesla阀形流道的出口与第二Tesla阀形流道的进口重合。

作为优选，所述下阀片与支撑结构的连接处设置密封圈进行密封。

作为优选，位于所述阀杆转轴处的阀体上设置有用于标识阀杆转轴旋转角度的刻度指示。

作为优选，所述第一Tesla阀形流道和第二Tesla阀形流道的结构相同，分叉口的角度均为45°，半圆环流道所在圆形的半径均为10mm。

作为优选，每条所述第一Tesla阀形流道和第二Tesla阀形流道结构相同，均包括若干Tesla阀形子流道，所有Tesla阀形子流道顺次连通，构成流体从下向上流动时反向降压的结构。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述调节阀的出口压力控制方法，其具体如下：

S1：初始状态下，通过调节阀杆转轴带动上阀片旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道和第二Tesla阀形流道均不对齐，第一Tesla阀形流道被未开设流道的上阀片底部封闭；流体无法通过上阀片从阀门出口流出，调节阀处于关闭状态；

S2：当调节阀所处系统上游的压力升高但未超过额定阈值时，通过调节阀杆转轴带动上阀片旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道对齐；流体经阀门进口流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压，随后通过直线形流道从阀门出口流出，维持阀门出口处流体压力的稳定；

S3：当调节阀所处系统上游的压力升高且超过额定阈值时，通过调节阀杆转轴带动上阀片旋转，使得第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道对齐；流体经阀门进口流入进流腔，分别通过第一Tesla阀形流道和第二Tesla阀形流道进行一级降压和二级降压，随后从阀门出口流出，维持阀门出口处流体压力的稳定；

S4：在S3的基础上，当调节阀所处系统上游的压力降低至额定阈值以下时，通过调节阀杆转轴带动上阀片旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道对齐；流体经阀门进口流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压，随后通过直线形流道从阀门出口流出，维持阀门出口处流体压力的稳定。

本发明相比于现有技术，有益效果是：

本发明所提供的一种可维持出口压力稳定的调节阀，将具有单向导通反向压损固定功能的Tesla阀结构应用于调节阀阀芯结构中，即上阀片和下阀片；在应对不同的系统上游压力波动工况时，可实现不改变阀门出口流量的条件下，通过调整调节阀的流通阻力，从而稳定调节阀的出口压力，提升了调节阀对实际工况的适应性；本发明调节阀的执行结构简洁紧凑，操作简单；且执行行程短，只需旋转上阀片较小位移，就可实现不同稳压状态的切换。

附图说明

图1是本发明调节阀的结构示意图；

图2是实施例中的Tesla阀形流道的结构示意图；

图3是本发明调节阀关闭状态时的结构示意图；

图4是本发明调节阀第一稳压状态的结构示意图；

图5是本发明调节阀第二稳压状态的结构示意图；

图中：1、阀体；2、阀门出口；3、上阀片；4、阀盖；5、阀门进口；6、下阀片；7、阀杆转轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在本实施例中，提供了一种可维持出口压力稳定的调节阀，该调节阀包括阀体1、上阀片3、阀盖4、下阀片6和阀杆转轴7，下面对各部件的具体结构及连接方式进行详细说明。

该调节阀的阀芯结构包括上阀片3和下阀片6，上阀片3和下阀片6均为圆柱体结构。阀体1为具有筒状中空腔室的柱体结构，具有三个端口，分别为阀门出口2、上安装口及下安装口。其中，阀门出口2用于流体流出阀门，阀门出口2的截面展开形状呈矩形；上安装口用于安装阀杆转轴7；下安装口用于向阀体内安装阀内零部件。

阀体1底部的下安装口处固定有阀盖4，阀盖4与阀体1底部的连接方式为可拆卸式连接，阀盖4能将阀体1底部的下安装口完全覆盖，阀盖4上开设有贯通的孔道，作为阀门进口5。为了使流体通过阀门进口5进入阀芯后流通更加均匀，可以将阀门进口5设置为圆形且位于阀盖4的中心位置，即满足阀门进口5的中心轴与阀盖4的中心轴共线。

位于阀体1中空腔室底部的阀盖4上表面设有支撑结构，在本实施例中，支撑结构为设置于阀盖4上表面的环形凸起。下阀片6放置于支撑结构上，且下阀片6与支撑结构的连接处封闭，在本实施例中，可以通过在下阀片6与支撑结构的连接处设置密封圈来加强密封效果。下阀片6底面、支撑结构和阀盖4上表面共同构成筒状的进流腔。

下阀片6的环向壁面上设置有多条第一Tesla阀形流道，多条第一Tesla阀形流道沿下阀片6周向等角度均匀布设，每条第一Tesla阀形流道均沿竖直方向设置，且每条第一Tesla阀形流道均与进流腔连通。如图2所示，第一Tesla阀形流道的分叉口角度α在0°＜α＜90°范围内，半圆环流道所在圆形的半径R不宜过大。在本实施例中，第一Tesla阀形流道的分叉口角度α为45°且半圆环流道所在圆形的半径R为10mm。每条第一Tesla阀形流道均包括多个Tesla阀形子流道，所有Tesla阀形子流道顺次连通，构成当流体从进口端向出口端流动时能够对流体反向降压的结构。

上阀片3设置于下阀片6的上部，且上阀片3与下阀片6同轴布设，上阀片3的底部与下阀片6的顶部紧密贴合，使得从下阀片6流道内流出的流体能够完全进入上阀片3的流道中，不会从上阀片3与下阀片6的贴合处溢漏。上阀片3的环向壁面上设置有多条直线形流道和多条第二Tesla阀形流道，多条直线形流道沿上阀片3周向等角度均匀布设，多条第二Tesla阀形流道沿上阀片3周向等角度均匀布设，每条直线形流道均沿竖直方向设置，每条第二Tesla阀形流道均沿竖直方向设置。如图2所示，第二Tesla阀形流道的分叉口角度β在0°＜β＜90°范围内，半圆环流道所在圆形的半径R’不宜过大。在本实施例中，第二Tesla阀形流道的分叉口角度β为45°且半圆环流道所在圆形的半径R’为10mm。每条第二Tesla阀形流道均包括多个Tesla阀形子流道，所有Tesla阀形子流道顺次连通，构成当流体从进口端向出口端流动时能够对流体反向降压的结构。

为了使上阀片3的流道与下阀片6的流道能够实现流体的流通降压作用，相邻直线形流道之间的距离、相邻第二Tesla阀形流道之间的距离均与相邻第一Tesla阀形流道之间的距离相等，且直线形流道和第二Tesla阀形流道均能与第一Tesla阀形流道连通。除此之外，当第一Tesla阀形流道与直线形流道连通时，第一Tesla阀形流道的出口与直线形流道的进口重合；当第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道连通时，第一Tesla阀形流道的出口与第二Tesla阀形流道的进口重合。也就是说，上阀片3环向壁面上的第二Tesla阀形流道、直线形流道的分布间距、截面宽度、高度与下阀片6环向壁面上的第一Tesla阀形流道相关参数均相等。

在上阀片3内部沿轴线方向上开设有通孔，通孔内安装固定有阀杆转轴7。阀杆转轴7的上端贯穿阀体1顶部。在本实施例中，上阀片3通孔的横截面形状为正六边形，位于通孔内的部分阀杆转轴7的横截面为正圆角六边形，上阀片3与阀杆转轴7间的配合关系为过盈配合。为了便于阀杆转轴7更好的旋转，在阀杆转轴7的顶端固定安装有一手轮，能够通过旋转手轮带动阀杆转轴7转动，从而带动上阀片3旋转。上阀片3能以阀杆转轴7为轴心旋转切换三种不同连通状态，具体如下：如图3所示，第一种状态为第一Tesla阀形流道被未开设流道的上阀片3底部封闭，此时阀门为关闭状态，流体无法流通；如图4所示，第二种状态为第一Tesla阀形流道与直线形流道连通，实现阀门出口2处流体压力的一级调节，即弱调节作用；如图5所示，第三种状态为第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道连通，实现阀门出口2处流体压力的一级调节和二级调节，即强调节作用。在本实施例中，为了更加便捷快速的根据需要将上阀片3切换为三种不同连通状态，在位于阀杆转轴7处的阀体1上设置有用于标识阀杆转轴7旋转角度的刻度指示，因此可以快速的通过将阀杆转轴7旋转到特定角度，实现上阀片3与下阀片6连通状态的转换。

位于上阀片3上方的阀体1侧壁上开设阀门出口2，通过下阀片6和上阀片3降压作用后的流体能从阀门出口2流出。也就是说，阀门开启时，流体经阀门进口5进入，依次经过下阀片6环向壁面上的第一Tesla阀形流道、上阀片3环向壁面上的第二Tesla阀形流道或直线形流道，最后从阀门出口2流出。

基于上述调节阀的出口压力控制方法，具体如下：

S1：初始状态下，通过调节阀杆转轴7带动上阀片3旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道不对齐，同时第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道不对齐，第一Tesla阀形流道被未开设流道的上阀片3底部封闭，此时调节阀的内部状态如图3所示。流体无法通过上阀片3从阀门出口2流出，调节阀处于关闭状态。

S2：当调节阀所处系统上游的压力升高但未超过额定阈值时，通过调节阀杆转轴7带动上阀片3旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道对齐，此时调节阀的内部状态如图4所示。额定阈值可以根据调节阀所处系统的降压需要进行设置，若是系统对流体压力变化较为敏感或要求较高时，可以将额定阈值设定为较小值，若是系统对流体压力变化不高，则可以将额定阈值设定的数值较大。

在该种状态下，流体经阀门进口5流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压，随后通过直线形流道从阀门出口2流出，维持阀门出口2处流体压力的稳定。

S3：当调节阀所处系统上游的压力升高且超过额定阈值时，通过调节阀杆转轴7带动上阀片3旋转，使得第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道对齐，此时调节阀的内部状态如图5所示。流体经阀门进口5流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压后，再由第二Tesla阀形流道进行二级降压，流体经过一级降压和二级降压后，从阀门出口2流出，从而维持了阀门出口2处流体压力的稳定。

S4：在S3的基础上，当调节阀所处系统上游的压力降低至额定阈值以下时，通过调节阀杆转轴7带动上阀片3旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道对齐，此时调节阀的内部状态如图4所示。流体经阀门进口5流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压，随后通过直线形流道从阀门出口2流出，维持阀门出口2处流体压力的稳定。

以上所述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 (10)

1.一种可维持出口压力稳定的调节阀，其特征在于，包括阀体(1)、上阀片(3)、阀盖(4)、下阀片(6)和阀杆转轴(7)，上阀片(3)和下阀片(6)均为柱体结构；

所述阀体(1)为具有筒状中空腔室的无底结构，底部可拆卸式固定有阀盖(4)，阀盖(4)能将阀体(1)的底部完全覆盖，阀盖(4)上开设有贯通的阀门进口(5)；位于阀体(1)中空腔室底部的阀盖(4)上表面设有支撑结构，下阀片(6)放置于所述支撑结构上且连接处封闭，下阀片(6)底面、支撑结构和阀盖(4)共同构成进流腔；下阀片(6)的环向壁面上均匀分布有竖直设置的若干条第一Tesla阀形流道，每条第一Tesla阀形流道均与所述进流腔连通；

所述上阀片(3)同轴设置于下阀片(6)的上部，上阀片(3)的底部与下阀片(6)的顶部紧密贴合；上阀片(3)的环向壁面上均匀相间分布有竖直设置的若干条直线形流道和若干条第二Tesla阀形流道，相邻直线形流道之间的距离、相邻第二Tesla阀形流道之间的距离均与相邻第一Tesla阀形流道之间的距离相等，且直线形流道和第二Tesla阀形流道均能与第一Tesla阀形流道连通；在上阀片(3)上沿轴线开有通孔，通孔内安装固定有阀杆转轴(7)；阀杆转轴(7)的上端贯穿阀体(1)顶部；上阀片(3)能以阀杆转轴(7)为轴心旋转切换不同连通状态，使得第一Tesla阀形流道择一与直线形流道连通、与第二Tesla阀形流道连通或被未开设流道的上阀片(3)底部封闭；

位于上阀片(3)上方的阀体(1)侧壁上开设阀门出口(2)，通过下阀片(6)和上阀片(3)降压作用后的流体能从阀门出口(2)流出。

2.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，所述阀门进口(5)的中心轴与阀盖(4)的中心轴共线。

3.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，所述支撑结构为设置于阀盖(4)上表面的环形凸起。

4.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，所述上阀片(3)通孔的横截面形状为正六边形，位于通孔内的部分阀杆转轴(7)的横截面为正圆角六边形，上阀片(3)与阀杆转轴(7)间的配合关系为过盈配合。

5.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，当所述第一Tesla阀形流道与直线形流道连通时，第一Tesla阀形流道的出口与直线形流道的进口重合；当所述第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道连通时，第一Tesla阀形流道的出口与第二Tesla阀形流道的进口重合。

6.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，所述下阀片(6)与支撑结构的连接处设置密封圈进行密封。

7.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，位于所述阀杆转轴(7)处的阀体(1)上设置有用于标识阀杆转轴(7)旋转角度的刻度指示。

8.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，所述第一Tesla阀形流道和第二Tesla阀形流道的结构相同，分叉口的角度均为45°，半圆环流道所在圆形的半径均为10mm。

9.根据权利要求1所述的调节阀，其特征在于，每条所述第一Tesla阀形流道和第二Tesla阀形流道结构相同，均包括若干Tesla阀形子流道，所有Tesla阀形子流道顺次连通，构成流体从下向上流动时反向降压的结构。

10.一种基于权利要求1～9任一所述调节阀的出口压力控制方法，其特征在于，具体如下：

S1：初始状态下，通过调节阀杆转轴(7)带动上阀片(3)旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道和第二Tesla阀形流道均不对齐，第一Tesla阀形流道被未开设流道的上阀片(3)底部封闭；流体无法通过上阀片(3)从阀门出口(2)流出，调节阀处于关闭状态；

S2：当调节阀所处系统上游的压力升高但未超过额定阈值时，通过调节阀杆转轴(7)带动上阀片(3)旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道对齐；流体经阀门进口(5)流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压，随后通过直线形流道从阀门出口(2)流出，维持阀门出口(2)处流体压力的稳定；

S3：当调节阀所处系统上游的压力升高且超过额定阈值时，通过调节阀杆转轴(7)带动上阀片(3)旋转，使得第一Tesla阀形流道与第二Tesla阀形流道对齐；流体经阀门进口(5)流入进流腔，分别通过第一Tesla阀形流道和第二Tesla阀形流道进行一级降压和二级降压，随后从阀门出口(2)流出，维持阀门出口(2)处流体压力的稳定；

S4：在S3的基础上，当调节阀所处系统上游的压力降低至额定阈值以下时，通过调节阀杆转轴(7)带动上阀片(3)旋转，使得第一Tesla阀形流道与直线形流道对齐；流体经阀门进口(5)流入进流腔，通过第一Tesla阀形流道进行一级降压，随后通过直线形流道从阀门出口(2)流出，维持阀门出口(2)处流体压力的稳定。

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