一種錐形節流閥可控壓差特性閥芯型面設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種錐形節流閥可控壓差特性閥芯型面設計方法，通過控制錐形節流閥喉口面積完成節流閥閥芯型面設計，旨在提升不可壓流動中錐形節流閥閥芯型面設計對節流閥壓差特性的控制能力。本發明的錐形節流閥閥芯型面設計方法通過建立不可壓流動中錐形節流閥壓差、節流閥喉口面積、節流閥閥芯與殼體相對位移量之間的數學關系式，依據節流閥壓差特性的要求控制不同閥芯位置下的喉口面積，實現對節流閥閥芯型面的設計，避免了傳統設計方法中反復循環迭代的過程，可大幅提升錐形節流閥閥芯型面設計的效率，適用于不可壓流場的錐形節流閥閥芯型面設計。
【專利說明】-種錐形節流閥可控壓差特性閥巧型面設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及管道流動中的錐形節流閥設計領域，是一種可依據節流閥壓差特性需 求進行錐形節流閥閥巧造型的方法，具體來說是一種錐形節流閥可控壓差特性閥巧型面設 計方法。
【背景技術】
[0002] 在管道流動中錐形節流閥的使用十分常見，不僅廣泛用于工業生產領域，亦在各 類流體試驗裝置中得W大量應用。節流閥進出口截面靜壓差隨節流閥開度的變化規律，也 即節流閥的壓差特性，主要有線性壓差特性、等百分比壓差特性、拋物線壓差特性與快開壓 差特性等四種。四種壓差特性對應下的節流閥，其隨開度變化的節流規律存在顯著區別，可 滿足不同應用場合的節流規律需求。而節流閥的壓差特性作為其固有特性，取決于節流閥 的閥巧形狀。為此，如何依據節流閥的壓差特性需求，設計出合理的閥巧形狀成為節流閥設 計中的重要環節。然而，現有的錐形節流閥閥巧型面設計方法，采用初步造型、壓差特性核 算、造型優化的循環迭代方式，無法在設計環節中直接引入節流閥壓差特性對閥巧型面的 影響，很大程度上限制了錐形節流閥閥巧型面設計的效率。
【發明內容】
[0003] 針對上述問題，本發明提出了一種高效的錐形節流閥閥巧型面設計方法，該閥巧 型面設計方法在設計環節中直接引入節流閥壓差特性對閥巧型面的影響，通過建立節流閥 壓差、節流閥喉口面積、節流閥閥巧與殼體相對位移之間的數學關系式，實現閥巧型面一次 造型即可滿足節流閥的壓差特性，避免了傳統設計方法中反復循環迭代的過程。因此，該種 設計方法可大幅提升錐形節流閥閥巧型面設計的效率。
[0004] 為實現W上技術目的，本發明的節流閥閥巧型面設計方法通過W下技術方案實 行；一種錐形節流閥可控壓差特性閥巧型面設計方法，所述錐形節流閥包括殼體和閥巧，所 述閥巧的型面和殼體的內壁面均為回轉面，其特征在于，所述的閥巧型面設計方法包括如 下步驟：
[0005] SS1.根據設計要求確定節流閥壓差特性，所述節流閥壓差特性為線性壓差特性、 等百分比壓差特性、拋物線壓差特性或快開壓差特性；
[0006] SS2.建立不可壓流動中錐形節流閥壓差AP、節流閥喉口面積At、節流閥閥巧與殼 體相對位移量L之間的數學關系式；
[0007] SS3.依據節流閥壓差特性和所述數學關系式確定不同閥巧位置下的喉口面積 At;
[0008] SS4.在不同閥巧位置下圍繞節流閥閥巧的軸線構建等喉口面積回轉面，在節流閥 同一縱剖面內閥巧與殼體各相對位移下等喉口面積回轉面的母線形成等喉口面積曲線簇， 所述等喉口面積回轉面的任一紳圓與節流閥殼體內壁面喉口紳圓形成的流通面積等于該 位置下的節流閥喉口面積At;
[0009] SS5. w節流閥閥巧全行程范圍內等喉口面積曲線簇的內切線構成節流閥閥巧的 回轉面母線，由此完成節流閥閥巧型面的設計。
[0010] 其中，所述不可壓流動為工作流體馬赫數Ma《0. 3的流動，所述節流閥壓差為入 口截面工作流體平均靜壓與出口截面工作流體平均靜壓之差，所述入口截面位于節流閥喉 口紳圓上游3?5倍喉口紳圓半徑處，所述出口截面位于節流閥喉口紳圓下游5?10倍喉 口紳圓半徑處，所述節流閥喉口截面為節流閥流體通道內流通面積最小的截面，所述節流 閥喉口截面在閥巧全行程范圍內均通過節流閥殼體內壁面的喉口紳圓，所述喉口紳圓為節 流閥閥巧全行程范圍內各喉口截面通過的節流閥殼體內壁面上的同一紳圓。
[0011] 本發明所述的閥巧型面設計方法可滿足線性、等百分比、拋物線與快開等四種壓 差特性要求下的錐形節流閥閥巧型面設計。
[0012] 所述錐形節流閥的內部流動為馬赫數Ma《0. 3的不可壓流動。
[0013] 所述錐形節流閥的閥巧型面為回轉面，所述錐形節流閥的殼體內壁面為回轉面。
[0014] 所述節流閥喉口截面在閥巧全行程范圍內均通過節流閥殼體內壁面的喉口紳圓， 所述喉口紳圓為節流閥閥巧全行程范圍內各喉口截面通過的節流閥殼體內壁面上的同一 紳圓。
[0015] 本發明所述的閥巧型面設計方法通過建立不可壓流動中錐形節流閥壓差、節流閥 喉口面積、節流閥閥巧與殼體相對位移量之間的數學關系式，依據節流閥壓差特性的要求 控制不同閥巧位置下的喉口面積，實現對節流閥閥巧型面的設計。
[0016] 所述閥巧型面設計中，節流閥壓差A P與喉口面積At滿足A P = P V wt2 ? (A"t/ At-1)的數學關系式，其中P為節流閥內工作流體密度、v"t為節流閥出口截面工作流體平 均速度、Awt為節流閥出口截面面積。
[0017] 所述閥巧型面設計中，等百分比壓差特性節流閥喉口面積At、閥巧與殼體相對位 移量L滿足At= A "t/(eat+b+l)的數學關系式，其中e為自然底數；a、b為常量，由節流閥閥 巧與殼體最大、最小相對位移下的壓差大小確定。
[0018] 所述閥巧型面設計中，線性壓差特性/拋物線壓差特性/快開壓差特性節流閥喉 口面積At、閥巧與殼體相對化移重L細足^ + 。+1^其中n為特性系數，n二 0為線性壓差特性，n = 1/2為拋物線壓差特性，n = -1為快開壓差特性；a、b為常量，由節 流閥閥巧與殼體最大、最小相對位移下的壓差大小確定。
[0019] 所述閥巧型面設計中，在節流閥閥巧與殼體相對位移L下，圍繞節流閥閥巧的軸 線構建等喉口面積回轉面，所述等喉口面積回轉面的任一紳圓與節流閥殼體內壁面喉口紳 圓形成的流通面積等于喉口面積At，在節流閥同一縱剖面內閥巧與殼體各相對位移下等喉 口面積回轉面的母線形成等喉口面積曲線簇。
[0020] 所述閥巧型面設計中，節流閥閥巧型面為回轉面，回轉面的母線為節流閥閥巧全 行程范圍內等喉口面積曲線簇的內切線。
[0021] 本發明的錐形節流閥可控壓差特性閥巧型面設計方法與現有的方法相比較有如 下有益效果；在錐形節流閥閥巧型面設計中，通過建立節流閥壓差、節流閥喉口面積、節流 閥閥巧與殼體相對位移之間的數學關系式，依據節流閥壓差特性控制不同閥巧位置下的喉 口面積，進而完成節流閥閥巧型面設計，W實現閥巧型面一次造型即可滿足節流閥壓差特 性的要求，避免了傳統設計方法中反復循環迭代的過程，可大幅提升錐形節流閥閥巧型面 設計的效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為錐形節流閥S維縱剖面圖示；
[0023] 圖2為錐形節流閥二維縱剖面圖示；
[0024] 圖3為本發明所述閥巧型面設計方法中尺寸參數示意圖；
[0025] 圖4為本發明所述閥巧型面設計方法中閥巧型面造型示意圖；
【具體實施方式】
[0026] 為使本發明的技術目的、技術方案及技術優點更加明晰，下面參照附圖并列舉實 施例子，對本發明進一步詳細說明。
[0027] 圖1、圖2分別為一個典型的錐形節流閥S維縱剖面圖、二維縱剖面圖。該錐形節 流閥由閥巧1和殼體2構成軸對稱的流體通道，其中閥巧型面11為回轉面，殼體內壁面21 也為回轉面。閥巧1可沿著圖1中雙箭頭所示的方向移動，在閥巧1移動過程中，閥巧型面 11上的某一紳圓與殼體內壁面21上的固定紳圓構成流通面積最小的喉口截面3(如圖2所 示）。該喉口截面3在閥巧1全行程范圍內均通過節流閥殼體內壁面同一紳圓，也即圖1中 所示的節流閥殼體內壁面喉口紳圓22。
[002引圖3為所述節流閥閥巧型面設計方法中的尺寸參數示意圖，進口截面4位于節 流閥殼體內壁面喉口紳圓22上游5倍喉口紳圓半徑r處，出口截面5位于節流閥殼體內 壁面喉口紳圓22下游10倍喉口紳圓半徑r處。所述節流閥壓差AP為進口截面4與出 口截面5的靜壓差，所述閥巧型面設計方法中，節流閥壓差AP與喉口面積At滿足AP = Pv?ut2,（A"ut/At-1)的數學關系式，其中P為節流閥內工作流體密度、Vwt為節流閥出口截 面5工作流體平均速度、Awt為節流閥出口截面5的面積。
[0029] 作為一種實施方式，例如選取節流閥壓差特性為等百分比特性。所述閥巧型面設 計方法中，節流閥喉口面積At、閥巧1與殼體2相對位移量L滿足At= A "t/ (eat+b+1)的數 學關系式，其中e為自然底數；a、b為常量，由節流閥閥巧1與殼體2最大、最小相對位移下 的壓差大小確定，分別為-0. 〇17、3. 525 ;A"t為節流閥出口截面面積，大小為0. 503m 2。
[0030] 圖4為所述設計方法中閥巧型面造型示意圖，得到不同相對位移L的喉口面積At 后，針對節流閥閥巧與殼體某一相對位置1。，圍繞節流閥閥巧的軸線AX構建等喉口面積回 轉面，所述等喉口面積回轉面的任一紳圓與節流閥殼體內壁面喉口紳圓形成的流通面積等 于喉口面積At。，在節流閥縱剖面內閥巧與殼體各相對位置1。、li、12……1。下，各等喉口面 積回轉面的母線形成等喉口面積曲線簇S。、Si、S2……S。。優選地，所述節流閥閥巧型面11 為回轉面，回轉面的母線為節流閥閥巧全行程范圍內等喉口面積曲線簇S。、Si、S2……S。的 內切線。
[0031] 數值計算結果顯示，節流閥閥巧在全行程范圍內由相同位移量A1引起的節流閥 壓差相對變化量（A P。- A Pw) / A Pw為0. 75?0. 78,最大相對偏差為3. 8 %。數值計算結 果表明，設計完成的節流閥閥巧型面使得所述的錐形節流閥保持了良好的等百分比壓差特 性，與設計之初要求的錐形節流閥壓差特性一致。所W，本發明所述錐形節流閥閥巧型面設 計方法，可在閥巧型面一次造型中較好地控制節流閥的壓差特性，避免了反復循環迭代的 設計過程，可大幅提升錐形節流閥閥巧型面設計的效率。
[0032] W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的范圍之內。
【權利要求】
1. 一種錐形節流閥可控壓差特性閥芯型面設計方法，所述錐形節流閥包括殼體和閥 芯，所述閥芯的型面和殼體的內壁面均為回轉面，其特征在于，所述的閥芯型面設計方法包 括如下步驟：
551. 根據設計要求確定節流閥壓差特性，所述節流閥壓差特性為線性壓差特性、等百 分比壓差特性、拋物線壓差特性或快開壓差特性；
552. 建立不可壓流動中節流閥壓差AP、節流閥喉口面積At、節流閥閥芯與殼體相對位 移量L之間的數學關系式；
553. 依據所述節流閥壓差特性和所述數學關系式確定不同閥芯位置下的節流閥喉口 面積At;
554. 在不同閥芯位置下圍繞節流閥閥芯的軸線構建等喉口面積回轉面，在節流閥同 一縱剖面內閥芯與殼體各相對位移下等喉口面積回轉面的母線形成等喉口面積曲線簇，其 中，所述等喉口面積回轉面的任一煒圓與節流閥殼體內壁面喉口煒圓形成的流通面積等于 該位置下的節流閥喉口面積At;
555. 以節流閥閥芯全行程范圍內等喉口面積曲線簇的內切線構成節流閥閥芯的回轉 面母線，由此完成節流閥閥芯型面的設計。 其中，所述不可壓流動為工作流體馬赫數Ma< 0. 3的流動，所述節流閥壓差為入口截 面工作流體平均靜壓與出口截面工作流體平均靜壓之差，所述入口截面位于節流閥喉口煒 圓上游3?5倍喉口煒圓半徑處，所述出口截面位于節流閥喉口煒圓下游5?10倍喉口煒 圓半徑處，所述節流閥喉口截面為節流閥流體通道內流通面積最小的截面，所述節流閥喉 口截面在閥芯全行程范圍內均通過節流閥殼體內壁面的喉口煒圓，所述喉口煒圓為節流閥 閥芯全行程范圍內各喉口截面通過的節流閥殼體內壁面上的同一煒圓。
2. 根據權利要求1所述的閥芯型面設計方法，其特征是：所述閥芯型面設計中，節流閥
工作流體密度、V()Ut為節流閥出口截面工作流體平均速度、Awt為節流閥出口截面面積。
3. 根據權利要求1和2所述的閥芯型面設計方法，其特征是：所述閥芯型面設計中，等
學關系式，其中e為自然底數；a、b為常量，由節流閥閥芯與殼體最大、最小相對位移下的壓 差大小確定。
4. 根據權利要求1和2所述的閥芯型面設計方法，其特征是：所述閥芯型面設計中，線 性壓差特性/拋物線壓差特性/快開壓差特性節流閥喉口面積At、閥芯與殼體相對位移量
物線壓差特性，n= -1為快開壓差特性；a、b為常量，由節流閥閥芯與殼體最大、最小相對 位移下的壓差大小確定。
5. 根據權利要求1至4所述的閥芯型面設計方法，其特征是：所述閥芯型面設計中，在 節流閥閥芯與殼體相對位移L下，圍繞節流閥閥芯的軸線構建等喉口面積回轉面，所述等 喉口面積回轉面的任一煒圓與節流閥殼體內壁面喉口煒圓形成的流通面積等于喉口面積 At，在節流閥同一縱剖面內閥芯與殼體各相對位移下等喉口面積回轉面的母線形成等喉口 面積曲線簇。
6.根據權利要求1至5所述的閥芯型面設計方法，其特征是：所述閥芯型面設計中，節 流閥閥芯型面為回轉面，回轉面的母線為節流閥閥芯全行程范圍內等喉口面積曲線簇的內 切線。
【文檔編號】F16K47/00GK104482233SQ201410641760
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】項效镕, 趙慶軍, 趙巍, 雒偉偉, 徐建中 申請人:中國科學院工程熱物理研究所