一种锥形节流阀可控压差特性阀芯型面设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种锥形节流阀可控压差特性阀芯型面设计方法，通过控制锥形节流阀喉口面积完成节流阀阀芯型面设计，旨在提升不可压流动中锥形节流阀阀芯型面设计对节流阀压差特性的控制能力。本发明的锥形节流阀阀芯型面设计方法通过建立不可压流动中锥形节流阀压差、节流阀喉口面积、节流阀阀芯与壳体相对位移量之间的数学关系式，依据节流阀压差特性的要求控制不同阀芯位置下的喉口面积，实现对节流阀阀芯型面的设计，避免了传统设计方法中反复循环迭代的过程，可大幅提升锥形节流阀阀芯型面设计的效率，适用于不可压流场的锥形节流阀阀芯型面设计。
【专利说明】-种锥形节流阀可控压差特性阀巧型面设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及管道流动中的锥形节流阀设计领域，是一种可依据节流阀压差特性需 求进行锥形节流阀阀巧造型的方法，具体来说是一种锥形节流阀可控压差特性阀巧型面设 计方法。
【背景技术】
[0002] 在管道流动中锥形节流阀的使用十分常见，不仅广泛用于工业生产领域，亦在各 类流体试验装置中得W大量应用。节流阀进出口截面静压差随节流阀开度的变化规律，也 即节流阀的压差特性，主要有线性压差特性、等百分比压差特性、抛物线压差特性与快开压 差特性等四种。四种压差特性对应下的节流阀，其随开度变化的节流规律存在显著区别，可 满足不同应用场合的节流规律需求。而节流阀的压差特性作为其固有特性，取决于节流阀 的阀巧形状。为此，如何依据节流阀的压差特性需求，设计出合理的阀巧形状成为节流阀设 计中的重要环节。然而，现有的锥形节流阀阀巧型面设计方法，采用初步造型、压差特性核 算、造型优化的循环迭代方式，无法在设计环节中直接引入节流阀压差特性对阀巧型面的 影响，很大程度上限制了锥形节流阀阀巧型面设计的效率。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明提出了一种高效的锥形节流阀阀巧型面设计方法，该阀巧 型面设计方法在设计环节中直接引入节流阀压差特性对阀巧型面的影响，通过建立节流阀 压差、节流阀喉口面积、节流阀阀巧与壳体相对位移之间的数学关系式，实现阀巧型面一次 造型即可满足节流阀的压差特性，避免了传统设计方法中反复循环迭代的过程。因此，该种 设计方法可大幅提升锥形节流阀阀巧型面设计的效率。
[0004] 为实现W上技术目的，本发明的节流阀阀巧型面设计方法通过W下技术方案实 行；一种锥形节流阀可控压差特性阀巧型面设计方法，所述锥形节流阀包括壳体和阀巧，所 述阀巧的型面和壳体的内壁面均为回转面，其特征在于，所述的阀巧型面设计方法包括如 下步骤：
[0005] SS1.根据设计要求确定节流阀压差特性，所述节流阀压差特性为线性压差特性、 等百分比压差特性、抛物线压差特性或快开压差特性；
[0006] SS2.建立不可压流动中锥形节流阀压差AP、节流阀喉口面积At、节流阀阀巧与壳 体相对位移量L之间的数学关系式；
[0007] SS3.依据节流阀压差特性和所述数学关系式确定不同阀巧位置下的喉口面积 At;
[0008] SS4.在不同阀巧位置下围绕节流阀阀巧的轴线构建等喉口面积回转面，在节流阀 同一纵剖面内阀巧与壳体各相对位移下等喉口面积回转面的母线形成等喉口面积曲线簇， 所述等喉口面积回转面的任一绅圆与节流阀壳体内壁面喉口绅圆形成的流通面积等于该 位置下的节流阀喉口面积At;
[0009] SS5. w节流阀阀巧全行程范围内等喉口面积曲线簇的内切线构成节流阀阀巧的 回转面母线，由此完成节流阀阀巧型面的设计。
[0010] 其中，所述不可压流动为工作流体马赫数Ma《0. 3的流动，所述节流阀压差为入 口截面工作流体平均静压与出口截面工作流体平均静压之差，所述入口截面位于节流阀喉 口绅圆上游3?5倍喉口绅圆半径处，所述出口截面位于节流阀喉口绅圆下游5?10倍喉 口绅圆半径处，所述节流阀喉口截面为节流阀流体通道内流通面积最小的截面，所述节流 阀喉口截面在阀巧全行程范围内均通过节流阀壳体内壁面的喉口绅圆，所述喉口绅圆为节 流阀阀巧全行程范围内各喉口截面通过的节流阀壳体内壁面上的同一绅圆。
[0011] 本发明所述的阀巧型面设计方法可满足线性、等百分比、抛物线与快开等四种压 差特性要求下的锥形节流阀阀巧型面设计。
[0012] 所述锥形节流阀的内部流动为马赫数Ma《0. 3的不可压流动。
[0013] 所述锥形节流阀的阀巧型面为回转面，所述锥形节流阀的壳体内壁面为回转面。
[0014] 所述节流阀喉口截面在阀巧全行程范围内均通过节流阀壳体内壁面的喉口绅圆， 所述喉口绅圆为节流阀阀巧全行程范围内各喉口截面通过的节流阀壳体内壁面上的同一 绅圆。
[0015] 本发明所述的阀巧型面设计方法通过建立不可压流动中锥形节流阀压差、节流阀 喉口面积、节流阀阀巧与壳体相对位移量之间的数学关系式，依据节流阀压差特性的要求 控制不同阀巧位置下的喉口面积，实现对节流阀阀巧型面的设计。
[0016] 所述阀巧型面设计中，节流阀压差A P与喉口面积At满足A P = P V wt2 ? (A"t/ At-1)的数学关系式，其中P为节流阀内工作流体密度、v"t为节流阀出口截面工作流体平 均速度、Awt为节流阀出口截面面积。
[0017] 所述阀巧型面设计中，等百分比压差特性节流阀喉口面积At、阀巧与壳体相对位 移量L满足At= A "t/(eat+b+l)的数学关系式，其中e为自然底数；a、b为常量，由节流阀阀 巧与壳体最大、最小相对位移下的压差大小确定。
[0018] 所述阀巧型面设计中，线性压差特性/抛物线压差特性/快开压差特性节流阀喉 口面积At、阀巧与壳体相对化移重L細足^ + 。+1^其中n为特性系数，n二 0为线性压差特性，n = 1/2为抛物线压差特性，n = -1为快开压差特性；a、b为常量，由节 流阀阀巧与壳体最大、最小相对位移下的压差大小确定。
[0019] 所述阀巧型面设计中，在节流阀阀巧与壳体相对位移L下，围绕节流阀阀巧的轴 线构建等喉口面积回转面，所述等喉口面积回转面的任一绅圆与节流阀壳体内壁面喉口绅 圆形成的流通面积等于喉口面积At，在节流阀同一纵剖面内阀巧与壳体各相对位移下等喉 口面积回转面的母线形成等喉口面积曲线簇。
[0020] 所述阀巧型面设计中，节流阀阀巧型面为回转面，回转面的母线为节流阀阀巧全 行程范围内等喉口面积曲线簇的内切线。
[0021] 本发明的锥形节流阀可控压差特性阀巧型面设计方法与现有的方法相比较有如 下有益效果；在锥形节流阀阀巧型面设计中，通过建立节流阀压差、节流阀喉口面积、节流 阀阀巧与壳体相对位移之间的数学关系式，依据节流阀压差特性控制不同阀巧位置下的喉 口面积，进而完成节流阀阀巧型面设计，W实现阀巧型面一次造型即可满足节流阀压差特 性的要求，避免了传统设计方法中反复循环迭代的过程，可大幅提升锥形节流阀阀巧型面 设计的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为锥形节流阀S维纵剖面图示；
[0023] 图2为锥形节流阀二维纵剖面图示；
[0024] 图3为本发明所述阀巧型面设计方法中尺寸参数示意图；
[0025] 图4为本发明所述阀巧型面设计方法中阀巧型面造型示意图；
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的技术目的、技术方案及技术优点更加明晰，下面参照附图并列举实 施例子，对本发明进一步详细说明。
[0027] 图1、图2分别为一个典型的锥形节流阀S维纵剖面图、二维纵剖面图。该锥形节 流阀由阀巧1和壳体2构成轴对称的流体通道，其中阀巧型面11为回转面，壳体内壁面21 也为回转面。阀巧1可沿着图1中双箭头所示的方向移动，在阀巧1移动过程中，阀巧型面 11上的某一绅圆与壳体内壁面21上的固定绅圆构成流通面积最小的喉口截面3(如图2所 示）。该喉口截面3在阀巧1全行程范围内均通过节流阀壳体内壁面同一绅圆，也即图1中 所示的节流阀壳体内壁面喉口绅圆22。
[002引图3为所述节流阀阀巧型面设计方法中的尺寸参数示意图，进口截面4位于节 流阀壳体内壁面喉口绅圆22上游5倍喉口绅圆半径r处，出口截面5位于节流阀壳体内 壁面喉口绅圆22下游10倍喉口绅圆半径r处。所述节流阀压差AP为进口截面4与出 口截面5的静压差，所述阀巧型面设计方法中，节流阀压差AP与喉口面积At满足AP = Pv?ut2,（A"ut/At-1)的数学关系式，其中P为节流阀内工作流体密度、Vwt为节流阀出口截 面5工作流体平均速度、Awt为节流阀出口截面5的面积。
[0029] 作为一种实施方式，例如选取节流阀压差特性为等百分比特性。所述阀巧型面设 计方法中，节流阀喉口面积At、阀巧1与壳体2相对位移量L满足At= A "t/ (eat+b+1)的数 学关系式，其中e为自然底数；a、b为常量，由节流阀阀巧1与壳体2最大、最小相对位移下 的压差大小确定，分别为-0. 〇17、3. 525 ;A"t为节流阀出口截面面积，大小为0. 503m 2。
[0030] 图4为所述设计方法中阀巧型面造型示意图，得到不同相对位移L的喉口面积At 后，针对节流阀阀巧与壳体某一相对位置1。，围绕节流阀阀巧的轴线AX构建等喉口面积回 转面，所述等喉口面积回转面的任一绅圆与节流阀壳体内壁面喉口绅圆形成的流通面积等 于喉口面积At。，在节流阀纵剖面内阀巧与壳体各相对位置1。、li、12……1。下，各等喉口面 积回转面的母线形成等喉口面积曲线簇S。、Si、S2……S。。优选地，所述节流阀阀巧型面11 为回转面，回转面的母线为节流阀阀巧全行程范围内等喉口面积曲线簇S。、Si、S2……S。的 内切线。
[0031] 数值计算结果显示，节流阀阀巧在全行程范围内由相同位移量A1引起的节流阀 压差相对变化量（A P。- A Pw) / A Pw为0. 75?0. 78,最大相对偏差为3. 8 %。数值计算结 果表明，设计完成的节流阀阀巧型面使得所述的锥形节流阀保持了良好的等百分比压差特 性，与设计之初要求的锥形节流阀压差特性一致。所W，本发明所述锥形节流阀阀巧型面设 计方法，可在阀巧型面一次造型中较好地控制节流阀的压差特性，避免了反复循环迭代的 设计过程，可大幅提升锥形节流阀阀巧型面设计的效率。
[0032] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【权利要求】
1. 一种锥形节流阀可控压差特性阀芯型面设计方法，所述锥形节流阀包括壳体和阀 芯，所述阀芯的型面和壳体的内壁面均为回转面，其特征在于，所述的阀芯型面设计方法包 括如下步骤：
551. 根据设计要求确定节流阀压差特性，所述节流阀压差特性为线性压差特性、等百 分比压差特性、抛物线压差特性或快开压差特性；
552. 建立不可压流动中节流阀压差AP、节流阀喉口面积At、节流阀阀芯与壳体相对位 移量L之间的数学关系式；
553. 依据所述节流阀压差特性和所述数学关系式确定不同阀芯位置下的节流阀喉口 面积At;
554. 在不同阀芯位置下围绕节流阀阀芯的轴线构建等喉口面积回转面，在节流阀同 一纵剖面内阀芯与壳体各相对位移下等喉口面积回转面的母线形成等喉口面积曲线簇，其 中，所述等喉口面积回转面的任一炜圆与节流阀壳体内壁面喉口炜圆形成的流通面积等于 该位置下的节流阀喉口面积At;
555. 以节流阀阀芯全行程范围内等喉口面积曲线簇的内切线构成节流阀阀芯的回转 面母线，由此完成节流阀阀芯型面的设计。 其中，所述不可压流动为工作流体马赫数Ma< 0. 3的流动，所述节流阀压差为入口截 面工作流体平均静压与出口截面工作流体平均静压之差，所述入口截面位于节流阀喉口炜 圆上游3?5倍喉口炜圆半径处，所述出口截面位于节流阀喉口炜圆下游5?10倍喉口炜 圆半径处，所述节流阀喉口截面为节流阀流体通道内流通面积最小的截面，所述节流阀喉 口截面在阀芯全行程范围内均通过节流阀壳体内壁面的喉口炜圆，所述喉口炜圆为节流阀 阀芯全行程范围内各喉口截面通过的节流阀壳体内壁面上的同一炜圆。
2. 根据权利要求1所述的阀芯型面设计方法，其特征是：所述阀芯型面设计中，节流阀
工作流体密度、V()Ut为节流阀出口截面工作流体平均速度、Awt为节流阀出口截面面积。
3. 根据权利要求1和2所述的阀芯型面设计方法，其特征是：所述阀芯型面设计中，等
学关系式，其中e为自然底数；a、b为常量，由节流阀阀芯与壳体最大、最小相对位移下的压 差大小确定。
4. 根据权利要求1和2所述的阀芯型面设计方法，其特征是：所述阀芯型面设计中，线 性压差特性/抛物线压差特性/快开压差特性节流阀喉口面积At、阀芯与壳体相对位移量
物线压差特性，n= -1为快开压差特性；a、b为常量，由节流阀阀芯与壳体最大、最小相对 位移下的压差大小确定。
5. 根据权利要求1至4所述的阀芯型面设计方法，其特征是：所述阀芯型面设计中，在 节流阀阀芯与壳体相对位移L下，围绕节流阀阀芯的轴线构建等喉口面积回转面，所述等 喉口面积回转面的任一炜圆与节流阀壳体内壁面喉口炜圆形成的流通面积等于喉口面积 At，在节流阀同一纵剖面内阀芯与壳体各相对位移下等喉口面积回转面的母线形成等喉口 面积曲线簇。
6.根据权利要求1至5所述的阀芯型面设计方法，其特征是：所述阀芯型面设计中，节 流阀阀芯型面为回转面，回转面的母线为节流阀阀芯全行程范围内等喉口面积曲线簇的内 切线。
【文档编号】F16K47/00GK104482233SQ201410641760
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】项效镕, 赵庆军, 赵巍, 雒伟伟, 徐建中 申请人:中国科学院工程热物理研究所