CN112901374A - 手动流量调节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种手动流量调节装置，包括文氏管本体、针锥，文氏管本体的第一端设有手动调节组件，文氏管本体的第二端为流体出口，文氏管本体的中部设有流体入口；针锥设置在文氏管本体内部且两者同轴设置，针锥第一端与手动调节组件连接，针锥第二端为塞锥，通过手动调节组件实现针锥的轴向移动，改变塞锥伸入到文氏管本体收缩段的深度，进而调节塞锥与文氏管本体收缩段之间的开度，控制塞锥与文氏管本体收缩段之间流通截面积的变化，实现流量调节。本发明解决了在试验中需要大幅度改动管路才实现文氏管流量调节的问题，实现简单安装可重复拆卸满足不同流量工况调节的需求。

Description

手动流量调节装置
技术领域
本发明属于流量调节装备技术领域，尤其涉及一种液体的手动流量调节装置。
背景技术
可调汽蚀文氏管是变推力液体火箭发动机关键的部件之一，主要用来控制推进剂的组元比，实现液体火箭发动机的变推力调节，发动机的推力改变是通过线性地改变推进剂组元流量而实现的。
可调文氏管是由文氏管和调节针锥组成。文氏管主要包括收缩段、喉部圆柱段、扩散段三个部分。轴向移动活动构件即针锥，则可改变文氏管喉部的流通截面积，从而达到改变推进剂流量的目的。可调汽蚀文氏管一般采用电机驱动，电机转动的时候带动针锥前后运动，从而达到流量调节的目的。调节针锥的移动是通过电机带动的，是在设计的可调汽蚀文氏管中安装伺服电机进行驱动，但电机的尺寸和重量较大，且往往需要做一个安装架用于放置固定电机，由于高度和结构的改变，进而需要在原有的管路上进行较大的更改，这使得装配过程繁琐和困难。
此外，改造后也常常存在长时间未使用，电机转动不灵活、部件之间的摩擦阻力较大等问题。因此，需要一种既方便装配又能实现流量等比调节的流量装置结构。
发明内容
针对现有技术存在的以上问题，本发明提出了一种手动流量调节装置。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
手动流量调节装置，包括文氏管本体、针锥，文氏管本体的第一端设有手动调节组件，文氏管本体的第二端为流体出口，文氏管本体的中部设有流体入口；针锥设置在文氏管本体内部且两者同轴设置，针锥第一端与手动调节组件连接，针锥第二端为塞锥，通过手动调节组件实现针锥的轴向移动，改变塞锥伸入到文氏管本体收缩段的深度，进而调节塞锥与文氏管本体收缩段之间的开度，控制塞锥与文氏管本体收缩段之间流通截面积的变化，实现流量调节。
作为优选方案，本发明所述手动调节组件包括手动推压机构和弹簧，弹簧套装在针锥上，针锥上设有弹簧顶端限位结构，文氏管本体内设有弹簧底端限位结构，弹簧的顶端和底端分别抵接在弹簧顶端限位结构和弹簧底端限位结构上，针锥第一端与手动推压机构连接，手动推压机构施加不同的压力给针锥进而按压弹簧，实现针锥的轴向移动。
作为优选方案，本发明弹簧顶端限位结构为设置在针锥上的第一挡块，弹簧底端限位结构为设置在文氏管本体内的第二挡块。
作为优选方案，本发明第一挡块与针锥一体成型，第一挡块为设置在针锥第一端或者靠近针锥第一端的一圈环形凸台；所述第二挡块与文氏管本体一体成型，第二挡块为设置在文氏管本体内的圆环挡板，针锥第二端穿过圆环挡板的中心通孔伸入到文氏管本体收缩段。
作为优选方案，本发明圆环挡板的中心通孔与针锥的外径尺寸一致，圆环挡板与针锥之间安装有密封结构，弹簧位于针锥和圆环挡板所形成的封闭腔内。进一步地，密封结构为密封圈。
作为优选方案，本发明圆环挡板的中心通孔其两侧表面上的倒角为45°，针锥的外径尺寸为10-60mm。
作为优选方案，本发明所述手动推压机构包括顶盖以及垫片，所述顶盖可拆卸密封安装在文氏管本体的第一端上，顶盖与针锥第一端之间填装有多块垫片，改变所填装的垫片的数量或/和厚度进而产生不同的压力按压弹簧实现针锥的轴向移动。
作为优选方案，本发明所述顶盖通过与文氏管本体之间通过法兰以及与文氏管本体中心轴平行的螺栓实现重复拆装。
作为优选方案，本发明弹簧其轴向长度为10-60mm。
作为优选方案，所述塞锥的塞锥型面为能实现线性流量调节的塞锥型面，塞锥型面通过BP神经网络方法或二次包络线法设计而成。在流量调节过程中，通过增加垫片推进塞锥向文氏管本体收缩段喉部处轴向移动，当塞锥刚好顶住喉部处，此时通入流体且在喉部无流体穿过，在塞锥上定义该处点为零位点，此时对应的垫片厚度为Nd，其中N为垫片的个数，d为单个垫片的厚度；然后通过拆卸顶盖逐步减少垫片；根据塞锥型面和文氏管的质量流量公式可知，当维持压降不变时，其塞锥位移和流量的变化满足线性流量特性曲线，当以Nd垫片厚度为基准，逐步减少垫片时，塞锥位移为等比变化，即可实现流量的等比调节。
相对于现有技术，本发明能够获得以下技术效果：
本发明设计了一种既方便装配又能通过调节针锥的开度来实现流量调节的手动流量调节装置。通过手动调节组件实现针锥的轴向移动，进而调节塞锥与文氏管本体收缩段之间的开度，控制塞锥与文氏管本体收缩段之间流通截面积的变化，实现流量调节。本发明解决了在试验中需要大幅度改动管路才实现文氏管流量调节的问题，实现简单安装可重复拆卸满足不同流量工况调节的需求。
进一步地，本发明在可调文氏管内置圆环挡板以及安装弹簧，顶盖与针锥之间安装不同厚度或/和数量的垫片，其顶盖可重复拆装，利用实现垫片的更换调整。通过改变所填装的垫片的数量或/和厚度进而产生不同的压力按压弹簧实现针锥的轴向移动，进而调节塞锥与文氏管本体收缩段之间的开度，控制塞锥与文氏管本体收缩段之间流通截面积的变化，实现流量调节。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图中标号：
1、顶盖；2、螺栓；3、流体入口；4、文氏管本体；5、流体出口；6、针锥；7、弹簧；8、垫片；9、塞锥；10、第一挡块；12、第二挡块；13、密封圈；14、法兰；15、环境压力。
具体实施方案
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
参照图1，本实施例提供一种手动流量调节装置，包括顶盖1、文氏管本体4、针锥6、弹簧7和垫片8。
文氏管本体4的第一端设有手动调节组件，文氏管本体4的第二端为流体出口5，文氏管本体4的中部设有流体入口3。
针锥4设置在文氏管本体4内部且两者同轴(即中心轴)设置。针锥第一端与手动调节组件连接，针锥第二端为塞锥9，通过手动调节组件实现针锥6的轴向移动，改变塞锥9伸入到文氏管本体收缩段的深度，进而调节塞锥9与文氏管本体收缩段之间的开度，控制塞锥9与文氏管本体收缩段之间流通截面积的变化，实现流量调节。
本实施例的目的是既方便装配又能通过调节针锥的开度来实现流量等比例调节。参照图1，本实施例中的手动调节组件包括顶盖1、垫片8和弹簧7，顶盖1和垫片8组成手动推压机构。弹簧7套装在针锥6上，针锥6和文氏管本体4之间设有弹簧限位结构。具体地，针锥6上设有弹簧顶端限位结构，弹簧顶端限位结构为设置在针锥上的第一挡块10。文氏管本体4内设有弹簧底端限位结构，弹簧底端限位结构为设置在文氏管本体4内的第二挡块12。第一挡块10与针锥一体成型，第一挡块10为设置在针锥第一端的一圈环形凸台。所述第二挡块12与文氏管本体4一体成型，第二挡块12为设置在文氏管本体4内的圆环挡板，针锥第二端穿过圆环挡板的中心通孔伸入到文氏管本体收缩段。圆环挡板的中心通孔与针锥的外径尺寸一致，圆环挡板与针锥之间安装有密封结构，弹簧7位于针锥上的环形凸台和圆环挡板所形成的封闭腔内，弹簧7的顶端和底端分别抵接在环形凸台和圆环挡板上，弹簧7其轴向长度选取范围为10-60mm。所述的圆环挡板与针锥之间安装有密封圈13，防止液体流入到圆环挡板靠近弹簧的一侧。文氏管本体内的圆环挡板中心被同轴旋转切除形成通孔，圆环挡板的中心通孔其两侧表面上的倒角为45°，针锥的外径尺寸为10-60mm。
所述顶盖1可拆卸密封安装在文氏管本体4的第一端上，顶盖1与文氏管本体4之间通过法兰14以及与文氏管本体中心轴平行的螺栓2实现重复拆装。顶盖1与针锥第一端之间填装有多块垫片8，改变所填装的垫片8的数量或/和厚度进而产生不同的压力按压弹簧实现针锥的轴向移动，其中单个垫片8的厚度可定义0.1-5mm。
本实施例其主要通过顶盖和垫片推动弹簧压缩进进而现可调文氏管中原有针锥的手动移动。流体从管道入口进入文氏管本体收缩段，根据伯努利定律，此时流体的速度减小，压力增大，当沿着管道继续流动流经喉部段时，流体的压力将降低到流动液体的蒸汽压力且保持不变，在入口温度和压力保持一定的情况下，下游压力的变化不会改变流体的流量。利用本实施例所提供的方案，可以通过调节针锥的开度来控制流通截面积的变化，进而达到改变流量的目的。本实施例的原理是在针锥和文氏管本体内的圆环挡板中间安装金属弹簧，通过在可拆卸顶盖和针锥中间安装多块的垫片产生不同的压力按压弹簧，从而实现针锥的轴向移动，使文氏管的流通截面与调节锥的位移成近似线性关系。
文氏管是一种可实现液体流量连续调节的调节阀，若要求推力具有线性调节的能力，这就要求流量调节与塞锥位移之间为线性关系，则需要设计具有能实现线性流量调节的塞锥型面，其能实现线性流量调节的塞锥型面设计可参考已有的BP神经网络方法、二次包络线法等多种调节阀的阀芯设计方法等。
文氏管可通过汽蚀实现在保持压降不变的情况下通过改变节流面积来实现流量的大范围调节，其工作原理可以用伯努利方程和连续方程来表达：
伯努利方程：
Figure BDA0002849671140000061
连续方程：νA＝q
其中：ρ为流体密度，ν为流体速度，g为重力常数，p为流体压力，A表示横截面面积，q表示质量流量，h为所在高度。
文氏管的质量流量公式可表示为：
Figure BDA0002849671140000071
其中At为喉部面积、Cd为流量稀疏，Pin为喷嘴入口中压，Psat为液体饱和蒸汽压。
在实际的调节过程中，通过增加垫片推进塞锥向文氏管本体收缩段喉部处轴向移动，当塞锥刚好顶住喉部处，即此时通入流体且在喉部无流体穿过，在塞锥上定义该处点为零位点，垫片厚度为Nd，其中N为垫片的个数，d为单个垫片的厚度。然后通过可拆卸的顶盖逐步减少1个垫片。根据上述的塞锥型面和文氏管的质量流量公式可知，当维持压降不变时，其位移和流量的变化满足线性流量特性曲线。当以Nd垫片厚度为基准，逐步减少垫片时，其位移为等比变化，即可实现流量的等比调节。可通过自行定义单个垫片的厚度d的大小，来控制公比的大小。
实施例2：
实施例2是利用实施例1提供的手动流量调节装置进行流量调节。
实施例2中液体为常温的水，定义流量调节范围2-10kg/s，入口压力为6.5MPa，喉部半径为12mm，塞锥移动的距离调节范围为0-20mm。设计垫片厚度2mm，当塞锥在零位时，即塞锥顶住喉部时，此时没有液体流出，初始垫片为10个，环境压力是0.1MPa。当调节其入口流量为2kg/s，可计算出，其对应的垫片数量为6个，通过垫片的减少实现针锥的移动改变喉部面积，实现流量调节，当入口流量为9kg/s，压降为4MPa，则将其垫片数量减少为2个。
实施例3：
实施例3是利用实施例1提供的手动流量调节装置进行流量调节。
实施例3中选液体介质为温度为-180℃的液氧，定义流量调节范围为2-4kg/s，入口压力为4MPa，喉部半径为8mm，塞锥移动的距离调节范围为0-8mm；设计垫片厚度1mm，即初始垫片个数为8个,塞锥顶住喉部，环境压力是0.1MPa。当调节其入口流量为3.5kg/s，压降为3MPa，可计算出，其对应的垫片数量为7个，通过垫片的减少实现针锥的移动改变喉部面积，实现流量调节，当入口流量为2.5kg/s，压降为3MPa，则其对应的垫片数量为5个。
综上所述，虽然本发明以上实施例列举如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种改动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.手动流量调节装置，其特征在于，包括文氏管本体、针锥，文氏管本体的第一端设有手动调节组件，文氏管本体的第二端为流体出口，文氏管本体的中部设有流体入口；针锥设置在文氏管本体内部且两者同轴设置，针锥第一端与手动调节组件连接，针锥第二端为塞锥，通过手动调节组件实现针锥的轴向移动，改变塞锥伸入到文氏管本体收缩段的深度，进而调节塞锥与文氏管本体收缩段之间的开度，控制塞锥与文氏管本体收缩段之间流通截面积的变化，实现流量调节。
2.根据权利要求1所述的手动流量调节装置，其特征在于，所述手动调节组件包括手动推压机构和弹簧，弹簧套装在针锥上，针锥上设有弹簧顶端限位结构，文氏管本体内设有弹簧底端限位结构，弹簧的顶端和底端分别抵接在弹簧顶端限位结构和弹簧底端限位结构上，针锥第一端与手动推压机构连接，手动推压机构施加不同的压力给针锥进而按压弹簧，实现针锥的轴向移动。
3.根据权利要求2所述的手动流量调节装置，其特征在于，弹簧顶端限位结构为设置在针锥上的第一挡块，弹簧底端限位结构为设置在文氏管本体内的第二挡块。
4.根据权利要求3所述的手动流量调节装置，其特征在于，第一挡块与针锥一体成型，第一挡块为设置在针锥第一端或者靠近针锥第一端的一圈环形凸台；所述第二挡块与文氏管本体一体成型，第二挡块为设置在文氏管本体内的圆环挡板，针锥第二端穿过圆环挡板的中心通孔伸入到文氏管本体收缩段。
5.根据权利要求4所述的手动流量调节装置，其特征在于，圆环挡板的中心通孔与针锥的外径尺寸一致，圆环挡板与针锥之间安装有密封结构，弹簧位于针锥和圆环挡板所形成的封闭腔内。
6.根据权利要求5所述的手动流量调节装置，其特征在于，圆环挡板的中心通孔其两侧表面上的倒角为45°，针锥的外径尺寸为10-60mm。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的手动流量调节装置，其特征在于，所述手动推压机构包括顶盖以及垫片，所述顶盖可拆卸密封安装在文氏管本体的第一端上，顶盖与针锥第一端之间填装有多块垫片，改变所填装的垫片的数量或/和厚度进而产生不同的压力按压弹簧实现针锥的轴向移动。
8.根据权利要求7所述的手动流量调节装置，其特征在于，所述顶盖通过与文氏管本体之间通过法兰以及与文氏管本体中心轴平行的螺栓实现重复拆装。
9.根据权利要求7所述的手动流量调节装置，其特征在于，弹簧其轴向长度为10-60mm。
10.根据权利要求7所述的手动流量调节装置，其特征在于，所述塞锥的塞锥型面为能实现线性流量调节的塞锥型面，塞锥型面通过BP神经网络方法或二次包络线法设计而成；在流量调节过程中，通过增加垫片推进塞锥向文氏管本体收缩段喉部处轴向移动，当塞锥刚好顶住喉部处，此时通入流体且在喉部无流体穿过，在塞锥上定义该处点为零位点，此时对应的垫片厚度为Nd，其中N为垫片的个数，d为单个垫片的厚度；然后通过拆卸顶盖逐步减少垫片；根据塞锥型面和文氏管的质量流量公式可知，当维持压降不变时，其塞锥位移和流量的变化满足线性流量特性曲线，当以Nd垫片厚度为基准，逐步减少垫片时，塞锥位移为等比变化，即可实现流量的等比调节。
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