CN112524270B - 一种二级套筒式控制阀及其套筒孔径的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二级套筒式控制阀及其套筒孔径的优化方法，控制阀包括阀体、外套筒、内套筒和阀塞，阀体的筒状阀腔内从外到内依次同轴贴合套设有外套筒、内套筒和阀塞；外套筒和内套筒的中下部均在相同位置开设有相同排布的若干孔洞，分别构成外套筒调节部和内套筒调节部；外套筒调节部和内套筒调节部之间具有一定间隔，构成环形的流动腔；所述阀塞能沿内套筒的内壁上下滑动，通过改变外套筒调节部和内套筒调节部上孔洞的流通面积，能使该控制阀具有可调比50:1的等百分比流量特性。本发明的控制阀内部有内外两层多孔套筒，能到起到减振降噪的作用，而且多孔套筒上特定的小孔排布方式可以使该控制阀的流量特性为可调比50:1的等百分比流量特性。

Description

一种二级套筒式控制阀及其套筒孔径的优化方法
技术领域
本发明属于多孔套筒式控制阀设计领域，具体涉及一种二级套筒式控制阀及其套筒孔径的优化方法。
背景技术
多孔套筒式控制阀的流量特性主要取决套筒上小孔的排布方式。目前常见的多孔套筒式控制阀采用单层套筒结构，对应的等百分比流量特性曲线难以达到可调比50比1。相对于单级套筒式控制阀，二级套筒式控制阀减振降噪效果更佳，但缺乏针对可调比50比1流量特性的结构设计，且没有针对Cv值(流量系数)来调整套筒孔径的结构设计方法。
目前国内市面上还不存在一款高可调比的二级套筒式控制阀及其套筒孔径的设计方法。中国发明专利CN106763852A公开了一种多套筒控制阀，该控制阀采用三个套筒实现对流体的阻隔和调节，从而便于根据不同流体控制进行调节；此外，流体在套筒中实现多级喷射，从而进一步降低流体噪音。该控制阀结构较为完整，但该控制阀流量特性可调比无法达到可调比50比1。中国发明专利CN105351531A公开了一种气动直行程套筒控制阀，包括阀体、阀体上端的阀盖、设置于阀体内的阀杆、阀杆末端设置有阀瓣，阀杆连接阀盖上方的气动执行机构，阀体内腔设置为错层导通结构，包括左层弧形通道、中心竖直阀瓣腔以及右层弧形通道。该控制阀包含执行器，结构和功能较为完整，但该控制阀流量特性可调比无法达到可调比50比1，也没有提供套筒小孔的设计方法。
因此，需要提出一种二级套筒式控制阀及基于Cv值调整套筒孔径的优化方法，来满足目前套筒式控制阀工程设计和应用上的要求。
发明内容
本发明针对目前市面上缺乏可调比为50比1的二级套筒式控制阀，且没有针对套筒小孔孔径的设计方法。为满足流量特性可调比为50比1，提出了一种二级套筒式控制阀及其套筒孔径的优化方法。
为实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：
本发明的第一目的在于提供了一种二级套筒式控制阀，其包括阀体、外套筒、内套筒和阀塞，阀体的筒状阀腔内从外到内依次同轴贴合套设有外套筒、内套筒和阀塞；外套筒和内套筒的中下部均在相同位置开设有相同排布的若干孔洞，分别构成外套筒调节部和内套筒调节部；外套筒调节部和内套筒调节部之间具有一定间隔，构成环形的流动腔；所述阀塞能沿内套筒的内壁上下滑动，通过改变外套筒调节部和内套筒调节部上孔洞的流通面积，能使该控制阀具有可调比50:1的等百分比流量特性。
作为优选，所述阀体的阀腔顶部设有台阶状结构，分别与外套筒和内套筒顶部外延的环状结构搭设连接；阀体的阀腔顶部沿周向设有加强筋。
作为优选，所述外套筒和内套筒的顶部平齐，两者的底部也平齐。
作为优选，所述阀体的阀腔口径为65mm。
进一步的，所述外套筒调节部的外径为97mm，内径为91mm。
进一步的，所述内套筒调节部的外径为81mm，内径为75mm。
进一步的，所述阀塞为柱状结构，其横截面的直径为75mm，高度为40mm。
作为上述任一的优选，所述外套筒调节部和内套筒调节部上的孔洞分布情况相同，均有21层孔组，第1层孔组位于最下方；每层孔组均以正对控制阀入口的位置作为该层孔洞的起始点，以俯视逆时针方向中最靠近起始点的孔洞作为该层的起始孔；位于相邻孔组上孔洞中心轴线之间的夹角为环向交错角；
在第1～20层孔组中，每层的所有孔洞均水平的沿周向均匀分布，第21层孔组中的所有孔洞水平的沿周向非均匀分布；
在第1～9层的孔组中，每层的孔洞数为3个，孔径为1mm，相邻孔组之间的垂直距离为1mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为60°；第1层孔组中的起始孔相对于所述起始点的偏转角度为0°；
第9层和第10层孔组之间的垂直距离为1.25mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为45°；
在第10～13层的孔组中，每层的孔洞数为4个，孔径为1.5mm，相邻孔组之间的垂直距离为1.5mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为45°；
第13层和第14层孔组之间的垂直距离为1.5mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为15°；
在第14～15层的孔组中，每层的孔洞数为6个，孔径为1.5mm，相邻孔组之间的垂直距离为1.5mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为15°；
第15层和第16层孔组之间的垂直距离为2.25mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为15°；
在第16～17层的孔组中，每层的孔洞数为5个，孔径为3mm，相邻孔组之间的垂直距离为3mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为18°；
第17层和第18层孔组之间的垂直距离为3mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为22.5°；
在第18层的孔组中，孔洞数为8个，孔径为3mm；
第18层和第19层孔组之间的垂直距离为3mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为22.5°；
在第19～20层的孔组中，每层的孔洞数为14个，孔径为3mm，相邻孔组之间的垂直距离为3mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为22.5°；
第20层和第21层孔组之间的垂直距离为3mm；
在第21层的孔组中，孔洞数为24个，孔径为3mm；在该孔组中，起始孔相对于所述起始点的偏转角度为0°，每60°为一个单元，每个单元中具有4个孔洞，4个孔洞在该单元逆时针方向的前52°范围内均匀分布。
进一步的，所述外套筒和内套筒上第1层孔组的中心点均与所在套筒底部的垂直距离为13mm。
本发明的第二目的在于提供了一种基于上述任一所述二级套筒式控制阀中套筒孔径的优化方法，其具体如下：
根据所述二级套筒式控制阀，计算得到阀门开度全开时的流量系数Cv0；若需将该控制阀的流量系数放大至Cv时，记放大倍数r＝Cv/Cv0；
当所述放大倍数r＜110％时，内套筒上孔洞的孔径不变，根据公式(1)，将外套筒上所有孔洞的孔径等比例放大b倍，得到流量系数满足Cv的新控制阀；
当所述放大倍数r≥110％时，根据公式(1)，将内套筒和外套筒上所有孔洞的孔径同时等比例放大a倍，得到流量系数满足Cv的新控制阀；
Figure BDA0002824874460000031
其中，当r＜110％时，a＝1；当r≥110％时，b＝1。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本发明的二级套筒式控制阀中，通过内外两层套筒上孔洞排布方式的设计，实现了流量特性可调比50比1。
(2)本发明的优化方法中，可以根据不同的Cv值实现控制阀套筒上小孔孔径的快速确定和优化，提高了设计生产效率。
(3)本发明的二级套筒式控制阀，针对性强，结构简单紧凑，制造简单，使用方便，造价便宜，可进行广泛推广应用。
附图说明
图1为本发明控制阀的正视剖面图；
图2为本发明内套筒和外套筒的配合示意图(a)及正视剖面图(b)；
图3为本发明内套筒和外套筒中第21层小孔的俯视剖面图；
图4为本发明控制阀的流量特性曲线图；
图中：1、阀体；2、外套筒；3、内套筒；4、阀塞。
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。
本发明提供了一种二级套筒式控制阀，该二级套筒式控制阀包括阀体1、外套筒2、内套筒3和阀塞4，阀体1的筒状阀腔内从外到内依次同轴贴合套设有外套筒2、内套筒3和阀塞4。外套筒2和内套筒3的中下部均在相同位置开设有相同排布的若干孔洞，分别构成外套筒调节部和内套筒调节部。外套筒调节部和内套筒调节部之间具有一定间隔，构成环形的流动腔。该流动腔能够避免由于加工精度导致的外套筒调节部和内套筒调节部上孔洞的错位，影响流体的流通。也就是说，外套筒2和内套筒3开孔的部分之间具有一定空隙，不开孔的部分均贴合连接，以保证密闭性，使得流体仅能通过外套筒2和内套筒3上开设的孔洞流至出口管道。阀塞4能沿内套筒3的内壁上下滑动，通过改变外套筒调节部和内套筒调节部上孔洞的流通面积，使得该控制阀具有可调比50:1的等百分比流量特性。
为了实现控制阀具有可调比50:1的等百分比流量特性，需要将外套筒调节部和内套筒调节部上的孔洞设计成特殊的排布方式，具体如下：
如图2所示，外套筒调节部和内套筒调节部上的孔洞分布情况相同，各自均有21层孔组，第1层孔组位于最下方，第21层孔组位于最上方。如图3所示，每层孔组均以正对控制阀入口的位置作为该层孔洞的起始点(如图中点A所示位置)，以图1所示的俯视逆时针方向中最靠近起始点的孔洞作为该层的起始孔。位于相邻孔组上孔洞中心轴线之间的夹角为环向交错角，即不同孔洞的中轴线在所处套筒底部垂直投影上的夹角。在第1～20层孔组中，每层的所有孔洞均水平的沿周向均匀分布。第21层孔组中的所有孔洞水平的沿周向非均匀分布，即具有特殊的布设方式。
在第1～9层的孔组中，每层的孔洞数为3个，孔径为1mm，相邻孔组之间的垂直距离为1mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为60°。其中，第1层孔组中的起始孔相对于起始点的偏转角度为0°。
第9层和第10层孔组之间的垂直距离为1.25mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为45°。
在第10～13层的孔组中，每层的孔洞数为4个，孔径为1.5mm，相邻孔组之间的垂直距离为1.5mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为45°。
第13层和第14层孔组之间的垂直距离为1.5mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为15°。
在第14～15层的孔组中，每层的孔洞数为6个，孔径为1.5mm，相邻孔组之间的垂直距离为1.5mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为15°。
第15层和第16层孔组之间的垂直距离为2.25mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为15°。
在第16～17层的孔组中，每层的孔洞数为5个，孔径为3mm，相邻孔组之间的垂直距离为3mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为18°。
第17层和第18层孔组之间的垂直距离为3mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为22.5°。
在第18层的孔组中，孔洞数为8个，孔径为3mm。
第18层和第19层孔组之间的垂直距离为3mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为22.5°。
在第19～20层的孔组中，每层的孔洞数为14个，孔径为3mm，相邻孔组之间的垂直距离为3mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为22.5°。
第20层和第21层孔组之间的垂直距离为3mm。
如图3所示，在第21层的孔组中，孔洞数为24个，孔径为3mm。在该孔组中，起始孔相对于起始点的偏转角度为0°，每60°为一个单元，每个单元中具有4个孔洞，4个孔洞在该单元逆时针方向的前52°范围内均匀分布。
本发明中通过采用每层孔洞错位的设置，不仅可以保证控制阀具有可调比50:1的等百分比流量特性，而且还降低了加工精度的要求，避免了相邻孔洞之间相切的情况发生。具体每一层小孔的高度位置、起始孔离起始点逆时针的偏转角度、每层孔数、内层套筒孔径、外层套筒孔径等信息如表1所示。
表1二级套筒式控制阀每层小孔的排布方式
Figure BDA0002824874460000061
特殊布置*：24个小孔分成6份(4个一份)，每60°为一组，起始孔逆时针偏转角度为0，每组的4个小孔在前52°均匀分布(每17.33°放1个孔)。
在本实施例中，为了更好的配合上述套筒的开孔方式，可以在阀体1的阀腔顶部设有台阶状结构，分别与外套筒2和内套筒3顶部外延的环状结构搭设连接。阀体1的阀腔顶部沿周向设有加强筋。外套筒2和内套筒3的顶部平齐，两者的底部也平齐。本发明还提供了一种优选的控制阀尺寸设计，即阀体1的阀腔口径为65mm；外套筒调节部的外径为97mm，内径为91mm；内套筒调节部的外径为81mm，内径为75mm；阀塞4为柱状结构，其横截面的直径为75mm，高度为40mm；外套筒2和内套筒3上第1层孔组的中心点均与所在套筒底部的垂直距离为13mm。
上述设计好的二级套筒式控制阀，其流量特性为可调比50:1的等百分比流量特性。该控制阀的流通能力计算参考GB/T 17213.2-2017。由于流通介质为可压缩流体，因此需要参考标准中可压缩流体的计算公式。以入口压力10.75MPa，出口压力为2.5MPa为例，介质选择380℃过热蒸汽，通过数值模拟方法计算该控制阀的流量特性。表2选取了13个开度，对设计好的二级套筒式控制阀Cv进行数值模拟计算，再将所得到的数据与阀门设计手册中可调比50：1等百分比流量特性曲线做对比，如图4所示。
表2二级套筒式控制阀各个开度下的Cv
Figure BDA0002824874460000071
由图4可知，所设计的二级套筒式控制阀流量特性曲线与可调比50:1等百分比流量特性曲线匹配性较好，只有L/Lmax范围在0.8-0.9时略有出入。式(2)用来描述该二级套筒式控制阀的流量特性曲线。式中，L/Lmax作为自变量x，Cv/Cvmax作为因变量y；该公式与相关数据的相关系数高达0.9986。
y＝0.9877x3.2840+0.0208 (2)
本发明还提供了一种能够优化控制阀中套筒孔径的方法。由于二级套筒式控制阀遵循外套筒2的孔径不小于内套筒孔径。对内外层套筒的孔径进行组合，内层多孔套筒3孔径与原模型孔径的比值设为a，变化范围为1.0、1.1、1.2和1.3；外层多孔套筒2孔径与内层多孔套筒3孔径的比值设为b，变化范围为1.0、1.1、1.2和1.3。表3中记录了二级套筒式控制阀10个内外层多孔套筒孔径组合的数值模拟流量信息。外层多孔套筒2孔径相对于原模型孔径最大放大比值为1.32(a*b＝1.1*1.2)，其目的是为了外层多孔套筒2不同层的小孔不会重叠。
表3不同内外层多孔套筒孔径组合二级套筒式控制阀流量信息
Figure BDA0002824874460000081
根据表3的信息，总结得到二级套筒式控制阀基于Cv值调整套筒孔径的设计方法，其包括如下步骤：
根据上述的二级套筒式控制阀，计算得到阀门开度全开时的流量系数Cv0。若需将该控制阀的流量系数放大至Cv时，记放大倍数r＝Cv/Cv0。
当放大倍数r＜110％时，内套筒3上孔洞的孔径不变，根据公式1，将外套筒2上所有孔洞的孔径等比例放大b倍，得到流量系数满足Cv的新控制阀。
当放大倍数r≥110％时，根据公式1，将内套筒3和外套筒2上所有孔洞的孔径同时等比例放大a倍，得到流量系数满足Cv的新控制阀。
Figure BDA0002824874460000082
其中，当r＜110％时，a＝1。当r≥110％时，b＝1。
也就是说，在该优化过程中，将使用表1中小孔排布方式的二级套筒式控制阀为原型，计算得到其额定Cv值。当需要放大原型控制阀Cv值时，计算出目标Cv值与原型额定Cv值的比值r。当r小于110％时，内层多孔套筒3孔径不变，只同比例放大所有外层多孔套筒2孔径；当r大于等于110％时，内层多孔套筒3孔径和外层多孔套筒2孔径同时同比例放大。
基于系数尽量少、自变量次数尽量少以及相关度尽量高的原则，拟合了式(1)。在表4中可以发现，用式(1)得到的r与模拟r之间最大的相差比例不超过6％，相关系数rc达到0.98。这都说明式(1)与模拟得到的r契合程度很高。
表4各个组合模拟r和公式r的相差比例及式(1)的相关系数rc
Figure BDA0002824874460000091
本发明提出的二级套筒式控制阀内部有内外两层多孔套筒，能到起到减振降噪的作用，而且多孔套筒上特定的小孔排布方式可以使该控制阀的流量特性为可调比50:1的等百分比流量特性。本发明的内外两层多孔套筒孔径设计方法是基于控制阀全开时的Cv值，通过一个内外层多孔套筒小孔孔径与Cv相关的数学公式，快捷准确地得出不同内外层多孔套筒孔径下控制阀全开时的Cv。本发明结构简单，使用方便，可进行广泛推广应用。
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 (9)

1.一种二级套筒式控制阀，其特征在于，包括阀体(1)、外套筒(2)、内套筒(3)和阀塞(4)，阀体(1)的筒状阀腔内从外到内依次同轴贴合套设有外套筒(2)、内套筒(3)和阀塞(4)；外套筒(2)和内套筒(3)的中下部均在相同位置开设有相同排布的若干孔洞，分别构成外套筒调节部和内套筒调节部；外套筒调节部和内套筒调节部之间具有一定间隔，构成环形的流动腔；所述阀塞(4)能沿内套筒(3)的内壁上下滑动，通过改变外套筒调节部和内套筒调节部上孔洞的流通面积，能使该控制阀具有可调比50:1的等百分比流量特性；
所述外套筒调节部和内套筒调节部上的孔洞分布情况相同，均有21层孔组，第1层孔组位于最下方；每层孔组均以正对控制阀入口的位置作为该层孔洞的起始点，以俯视逆时针方向中最靠近起始点的孔洞作为该层的起始孔；位于相邻孔组上孔洞中心轴线之间的夹角为环向交错角；
在第1～20层孔组中，每层的所有孔洞均水平的沿周向均匀分布，第21层孔组中的所有孔洞水平的沿周向非均匀分布；
在第1～9层的孔组中，每层的孔洞数为3个，孔径为1mm，相邻孔组之间的垂直距离为1mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为60°；第1层孔组中的起始孔相对于所述起始点的偏转角度为0°；
第9层和第10层孔组之间的垂直距离为1.25mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为45°；
在第10～13层的孔组中，每层的孔洞数为4个，孔径为1.5mm，相邻孔组之间的垂直距离为1.5mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为45°；
第13层和第14层孔组之间的垂直距离为1.5mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为15°；
在第14～15层的孔组中，每层的孔洞数为6个，孔径为1.5mm，相邻孔组之间的垂直距离为1.5mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为15°；
第15层和第16层孔组之间的垂直距离为2.25mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为15°；
在第16～17层的孔组中，每层的孔洞数为5个，孔径为3mm，相邻孔组之间的垂直距离为3mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为18°；
第17层和第18层孔组之间的垂直距离为3mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为22.5°；
在第18层的孔组中，孔洞数为8个，孔径为3mm；
第18层和第19层孔组之间的垂直距离为3mm，两层孔组中起始孔之间的环向交错角为22.5°；
在第19～20层的孔组中，每层的孔洞数为14个，孔径为3mm，相邻孔组之间的垂直距离为3mm，相邻孔组中对应孔洞之间的环向交错角为22.5°；
第20层和第21层孔组之间的垂直距离为3mm；
在第21层的孔组中，孔洞数为24个，孔径为3mm；在该孔组中，起始孔相对于所述起始点的偏转角度为0°，每60°为一个单元，每个单元中具有4个孔洞，4个孔洞在该单元逆时针方向的前52°范围内均匀分布。
2.根据权利要求1所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述阀体(1)的阀腔顶部设有台阶状结构，分别与外套筒(2)和内套筒(3)顶部外延的环状结构搭设连接；阀体(1)的阀腔顶部沿周向设有加强筋。
3.根据权利要求1所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述外套筒(2)和内套筒(3)的顶部平齐，两者的底部也平齐。
4.根据权利要求1所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述阀体(1)的阀腔口径为65mm。
5.根据权利要求4所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述外套筒调节部的外径为97mm，内径为91mm。
6.根据权利要求5所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述内套筒调节部的外径为81mm，内径为75mm。
7.根据权利要求6所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述阀塞(4)为柱状结构，其横截面的直径为75mm，高度为40mm。
8.根据权利要求1所述的二级套筒式控制阀，其特征在于，所述外套筒(2)和内套筒(3)上第1层孔组的中心点均与所在套筒底部的垂直距离为13mm。
9.一种基于权利要求1～8任一所述二级套筒式控制阀中套筒孔径的优化方法，其特征在于，具体如下：
根据所述二级套筒式控制阀，计算得到阀门开度全开时的流量系数Cv0；若需将该控制阀的流量系数放大至Cv时，记放大倍数r＝Cv/Cv0；
当所述放大倍数r＜110％时，内套筒(3)上孔洞的孔径不变，根据公式(1)，将外套筒(2)上所有孔洞的孔径等比例放大b倍，得到流量系数满足Cv的新控制阀；
当所述放大倍数r≥110％时，根据公式(1)，将内套筒(3)和外套筒(2)上所有孔洞的孔径同时等比例放大a倍，得到流量系数满足Cv的新控制阀；
Figure FDA0003843347050000031
其中，当r＜110％时，a＝1；当r≥110％时，b＝1。
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