CN113251311B - 一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀 - Google Patents

Abstract

本申请属于高压气瓶充气阀结构设计技术领域，尤其涉及一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀。其流道结构为具有高充放气速度的超声速缩放排液结构，超声速缩放排液结构包括由主流道和排液流道，主流道尺寸先缩小后扩大后形成的收缩段、喉部段、扩张段；收缩段、扩张段壁面型线为光滑特征线；各段之间通过圆角或倒角平滑连接；排液流道呈L形，其一端从扩张段侧面引出后沿充气阀轴线方向向下延伸至高压气瓶底部。本申请的具有排液结构的高压气瓶快速充气阀结构简单，其流道结构便于方便加工且对充气阀本体结构并无其他限制，可以方便的将其运用到现有的各类充气阀结构或相关结构中有效降低工作量以及工作难题，具有良好的经济效益和应用前景。

Description

一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀

技术领域

本申请属于高压气瓶充气阀结构设计技术领域，尤其涉及一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀。

背景技术

高压气瓶充气阀主要用于完成高压气瓶的充放气控制，在高压空气瓶使用过程中，由于反复的充放气过程，导致瓶内会准建产生积液，积液的存在不仅音响高压气瓶内物质的性能和质量，还会导致高压气瓶的寿命以及使用过程中的充放气效率收到影响，由于高压气瓶使用过程中均保持较高压力，采用传统的排液结构和方法难以实现快速排液，这对高压气瓶的使用效率和维护成本产生了消极影响。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种用于实现高压气瓶的快速充气同时能够实现积液排出功能的快速充气阀。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。

一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀，用于高压气瓶的快速充气和排液，其流道结构为具有高充放气速度的超声速缩放排液结构，所述超声速缩放排液结构包括由主流道和排液流道5，所述主流道尺寸先缩小后扩大后形成的收缩段1、喉部段2、扩张段3；收缩段1、扩张段3壁面型线为光滑特征线；各段之间通过圆角或倒角平滑连接；所述排液流道5呈L形，其一端从扩张段3侧面引出后沿充气阀轴线方向向下延伸至高压气瓶底部。

对前述具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的进一步改进或细化，所述光滑特征线是指二次曲线、分段样条曲线。

对前述具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的进一步改进或细化，所述喉部段2为圆管；所述收缩段1为圆管，所述收缩段1的后端依次通过第一圆角段、第二圆角段与喉部段2的前端连接，收缩段1与第一圆角段圆滑过渡连接，第一圆角段与第二圆角段圆滑过渡连接；所述扩张段3为圆管，所述扩张段3的前端通过第三圆角段连接至喉部段2的后端，第三圆角段与扩张段3前端圆滑过渡连接。

对前述具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的进一步改进或细化，

所述扩张段3的后端还设置有延长扩张段4；所述延长扩张段4为喇叭状，所述扩张段3的后端与延长扩张段4的前端通过二次曲线过渡连接。

对前述具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的进一步改进或细化，所述扩张段3的后端还设置有延长扩张段4；所述扩张段3的前端通过二次曲线连接至喉部段2的后端，所述扩张段3和延长扩张段4为连续顺滑连接的喇叭状结构，所述扩张段3和延长扩张段4 的壁面型线构成为完整的二次曲线。

其有益效果在于：

本申请的具有排液结构的高压气瓶快速充气阀结构简单，其流道结构便于方便加工且对充气阀本体结构并无其他限制，可以方便的将其运用到现有的各类充气阀结构或相关结构中；该喷管可以在充气中后期背压大于空气临界压力时，维持充气流量在最大流量更长的时间，以提高整个充气过程的平均质量流量，从而有效缩短充气时间。在此基础上，通过在缩放喷管喉部引出排液管延伸至气瓶底部积液处，排气过程中依靠缩放喷管喉部产生的负压作用将气瓶底部积液排除干净。可以在高压充放气以及高压充放气排液等工作中提高充气阀工作效率，实现充气排液一体化，有效降低工作量以及工作难题，具有良好的经济效益和应用前景。

附图说明

图1是具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的流道结构示意图；

图2是模拟过程中0.001s时刻的流场的速度分布示意图；

图3是模拟过程中0.003s时刻的流场的速度分布示意图；

图4是模拟过程中0.005s时刻的流场的速度分布示意图；

图5是模拟过程中0.007s时刻的流场的速度分布示意图；

图6是模拟过程中0.01s时刻的流场的速度分布示意图；

图7是模拟过程中0.01s时刻的流场的速度分布示意图(三维)；

图8是模拟过程中0.001s时刻的流场的流场的水相分布示意图；

图9是模拟过程中0.003s时刻的流场的流场的水相分布示意图；

图10是模拟过程中0.005s时刻的流场的流场的水相分布示意图；

图11是模拟过程中0.07时刻的流场的流场的水相分布示意图；

图12是模拟过程中0.01s时刻的流场的流场的水相分布示意图；

图13是模拟过程中0.01s时刻的流场的流场的水相分布示意图(三维)；

图14放气排液过程进行到0.01s时空气入口质量流量示意图；

图15放气排液过程进行到0.01s时水入口质量流量示意图；

图16放气排液过程进行到0.01s时混合流出口质量流量示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作详细说明。

如图1所示，本申请的具有排液结构的高压气瓶快速充气阀在具体实施过程中，其流道结构为具有高充放气速度的超声速缩放排液结构，所述超声速缩放排液结构包括由主流道和排液流道5，所述主流道尺寸先缩小后扩大后形成的收缩段1、喉部段2、扩张段3；收缩段1、扩张段3壁面型线为光滑特征线；各段之间通过圆角或倒角平滑连接；所述排液流道5呈L形，其一端从扩张段3侧面引出后沿充气阀轴线方向向下延伸至高压气瓶底部。

为了验证本申请中具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的工作性能和原理，利用ICEM-CFD软件对添加排液管的快速充气阀进行几何建模和网格划分，在延长段上连接排液管，本申请中利用利用管内负压排出瓶内积液，本实施例中延长段长度20mm，扩张段出口直径25mm，轴向长度50mm，排液管直径4mm，其余结构参数与普通充气阀一致。建立排液机构三维模型，采用非结构网格进行网格划分，网格数量77446。

选用压力入口边界条件和压力出口边界条件，壁面设置为无滑移绝热壁面，采用VOF 两相流模型，主流体为空气，引射流体为水，湍流模型采用SST k-ω模型，收敛残差设置中能量方程残差为1e-6，其余各项为1e-3，松弛因子为默认值。设置入口温度和出口温度为300K，入口1(主流体入口)总压为40MPa，静压为39.96MPa，入口2(引射流体入口) 总压为40MPa，静压为39MPa，出口静压为0.1MPa，以入口1流体参数为基准进行流场初始化，获得气瓶放气排液初始阶段快速充气阀内的瞬态流动特性，包括速度场分布、水相分布以及放气排液流量特性。

在前述基础上进行统计和数据收集，获得具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的速度场分布云图图2～图7、水相分布示意图9～图14以及放气排液流量特性图15～16。

由速度场分布云图中放气排液初始阶段快速充气阀内流场的速度分布可知，其入口处流体流速较小，汇合后经收缩段加速为声速，出口段进一步加速为超声速，但出口截面流体速度分布不均，轴线附近流速最快，各时间点的速度分布基本一致。

放气排液初始阶段喷射器内流场的水相分布，可以看到，随着放气排液过程的进行，排液管内的水逐渐流入喷射器主流道与空气混合。

由水相分布示意图可知，在主流入口高压空气在收缩段内被降压加速之后，排液管与主流道连接处的静压小于瓶内压力，瓶内积水由于负压作用经排液管被引入喷射器主流道，与空气混合后排出瓶外，达到放气排液的目的。

其中，放气排液过程进行到0.01s时空气入口质量流量为0.898kg/s。放气排液过程进行到0.01s时水入口质量流量为0.145kg/s。放气排液过程进行到0.01s时混合流出口质量流量为1.03kg/s。对于每一次充气过程，假设不对来流空气做任何干燥处理，即大气环境中的空气被压缩后直接排入气瓶内。对于300K，101kPa，相对湿度为60％的空气，其含湿量为13.46g/kg；对于瓶内300K，40MPa的空气，其饱和状态含湿量为0.06g/kg，密度为385kg/m3。高压气瓶体积为410L，则空气总质量为0.41×385＝157.85kg，因此，每次充气过程瓶内积水质量为

由数值仿真结果可得，放气排液初始阶段水的质量流量为0.145kg/s，则排水耗时

在实际充气过程中，空气进入空压机压缩之前，都会进行干燥过滤，含湿量会下降，以上理论计算中瓶内积水量为理论最大值，实际值会小很多，即碎纸机排水耗时非常短。

对于一般的引射器，其结构包括主喷嘴、引射入口、混合室和扩压室，其中主喷嘴为缩放喷管，可以将主流体加速到超声速，即混合室压强更小，引射系数更大，但这种结构只适用于单向引射流动，不满足本例充气-排液一体化机构的要求。

本申请在充气结构的基础上，在喉部之前连接排液管，此处的流体为亚声速，与瓶内压差较小，即引射系数较小，由于实际需求中每次充放气过程需要排出的积水量并不多，本申请排液结构的高压气瓶快速充气阀能够在极短时间内高效实现排液需求。

在前述基本性能满足需求的情形下，以下进一步对具有排液结构的高压气瓶快速充气阀的结构进行优化设计。

作为优选的，光滑特征线采用二次曲线、分段样条曲线。这样既能够降低充气阀加工工工艺的难度，便于设计计算，有能够改善局部气流特性，提高效率，基于相同的设计需求和目的，本申请还包括如下改进方案：

1、对前述具有排液结构的高压气瓶快速充气阀各部分的具体结构以及连接区域进行优化，所述喉部段2为圆管；所述收缩段1为圆管，所述收缩段1的后端依次通过第一圆角段、第二圆角段与喉部段2的前端连接，收缩段1与第一圆角段圆滑过渡连接，第一圆角段与第二圆角段圆滑过渡连接；所述扩张段3为圆管，所述扩张段3的前端通过第三圆角段连接至喉部段2的后端，第三圆角段与扩张段3前端圆滑过渡连接。

2、对前述具有排液结构的高压气瓶快速充气阀后端进行结构优化，以改善充气性能，所述扩张段3的后端还设置有延长扩张段4；所述延长扩张段4为喇叭状，所述扩张段3的后端与延长扩张段4的前端通过二次曲线过渡连接。

进一步地，提供一种优选的延长扩张段设计方案，所述扩张段3的前端通过二次曲线连接至喉部段2的后端，所述扩张段3和延长扩张段4为连续顺滑连接的喇叭状结构，所述扩张段3和延长扩张段4的壁面型线构成为完整的二次曲线。

需要指出的是，本申请中限定的是充气阀内部具体流道结构，充气阀本身的结构形状不受限制，可以是管状或者根据实际需求设计的其他形状。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀，用于高压气瓶的快速充气和排液，其特征在于，其流道结构为具有高充放气速度的超声速缩放排液结构，所述超声速缩放排液结构包括由主流道和排液流道(5)，所述主流道尺寸先缩小后扩大后形成的收缩段(1)、喉部段(2)、扩张段(3)；收缩段(1)、扩张段(3)壁面型线为光滑特征线；各段之间通过圆角或倒角平滑连接；所述排液流道(5)呈L形，其一端从扩张段(3)侧面引出后沿充气阀轴线方向向下延伸至高压气瓶底部。

2.根据权利要求1所述的一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀，其特征在于，所述光滑特征线是指二次曲线、分段样条曲线。

3.根据权利要求1所述的一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀，其特征在于，所述喉部段(2)为圆管；所述收缩段(1)为圆管，所述收缩段(1)的后端依次通过第一圆角段、第二圆角段与喉部段(2)的前端连接，收缩段(1)与第一圆角段圆滑过渡连接，第一圆角段与第二圆角段圆滑过渡连接；所述扩张段(3)为圆管，所述扩张段(3)的前端通过第三圆角段连接至喉部段(2)的后端，第三圆角段与扩张段(3)前端圆滑过渡连接。

4.根据权利要求1所述的一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀，其特征在于，

所述扩张段(3)的后端还设置有延长扩张段(4)；所述延长扩张段(4)为喇叭状，所述扩张段(3)的后端与延长扩张段(4)的前端通过二次曲线过渡连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有排液结构的高压气瓶快速充气阀，其特征在于，所述扩张段(3)的后端还设置有延长扩张段(4)；所述扩张段(3)的前端通过二次曲线连接至喉部段(2)的后端，所述扩张段(3)和延长扩张段(4)为连续顺滑连接的喇叭状结构，所述扩张段(3)和延长扩张段(4)的壁面型线构成为完整的二次曲线。

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