用于压缩空气实验的调节喉部面积和实验段流速的装置的制作方法

本发明涉及核电厂实验研究领域，尤其涉及一种用于压缩空气实验的调节喉部面积和实验段流速的装置。

背景技术：

现有技术情况是空气为工质的热工水力试验流速控制系统通常采用流量调节阀实现对流量或流速的控制，调压阀实现对压力的控制。在不同的试验工况下，调节阀对流量的调节与试验段压力相关，即流量和压力相互干扰，试验段流速会产生波动，调节精度、可行性和操作性有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出了一种用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置，所述装置能够用于精确控制气体流速的空气为工质的热工水力试验的试验段，使得压缩空气的流速控制到试验工况的理想值，且不会受到试验段阻力和本设备和设备后端背压的影响，提高了试验段中空气流速调节精度，实现热工水力试验系统的连续、稳定、精确供气控制，提高试验数据的有效性和可靠性。

根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置，包括：调节管道，所述调节管道内限定有沿其轴向延伸的通路，所述调节管道的一端适于与压缩空气试验的试验段连通，所述调节管道的另一端的内壁面设有沿其周向延伸的环形止挡部；电机，所述电机设在所述调节管道内，所述电机具有沿所述调节管道的轴向可伸缩的推杆；锥塞，所述锥塞设在所述推杆的一端且邻近所述环形止挡部，所述锥塞大致形成为锥形，所述锥塞的锥面朝向所述环形止挡部，所述锥面与所述环形止挡部之间限定出的气流通道形成为喉部，所述锥塞沿所述通路的轴向可活动以通过调节所述喉部的面积控制所述试验段的空气流速；控制系统，所述控制系统与所述电机相连以控制所述电机运行。

根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置，通过在调节管道内设有电机，控制系统精确控制电机驱动推杆运行，推杆推动锥塞沿轴向活动，从而可精确控制锥塞的轴向位置，进而控制喉部面积，精确调节试验段的气流流速。由此，可使得试验段压缩空气的流速控制到试验工况的理想值，且不会受到试验段阻力和设备以及设备后端背压的影响，提高了试验段中空气流速调节精度，实现热工水力试验系统的连续、稳定、精确供气控制，提高试验数据的有效性和可靠性。

另外，根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述电机为轴向步进伺服电机。

可选地，所述伺服电机的轴向步进精度为0.03-0.07mm。

可选地，所述伺服电机包括：电动缸套筒，所述电动缸套筒大致形成为沿所述通路的轴向延伸的柱状，所述电动缸套筒内限定有腔室；电动缸，所述电动缸沿所述通路的轴向可活动地设在所述腔室内，所述推杆与所述电动缸相连以沿所述调节管道的轴向可伸缩。

进一步地，所述腔室的轴向两端分别设有限位装置以限制所述锥塞的行程。

进一步地，所述限位装置为机械撞击装置。

可选地，所述电动缸上设有两个沿所述通路的轴向间隔开布置的限位开关以检测所述推杆的位置。

进一步地，所述限位开关为与所述控制系统相连的霍尔元件。

可选地，所述电动缸套筒通过定位支架设在所述调节管道内，所述电动缸套筒与所述调节管道同轴设置。

根据本发明的一些实施例，所述环形止挡部的截面大致形成为三角形，所述环形止挡部朝向所述锥塞的一侧壁面大致与所述锥塞的锥面平行。

根据本发明的一些实施例，所述锥塞与所述推杆之间流线型过渡。

根据本发明的一些实施例，所述锥塞与所述推杆螺纹连接后焊接固定。

根据本发明的一些实施例，所述推杆和所述锥塞上分别设有连接孔，所述推杆与所述锥塞螺纹连接后通过金属丝穿过所述连接孔锁定。

根据本发明的一些实施例，所述电机与所述控制系统之间设有适于线路穿过的走线孔和适于散热的空气冷却流道，所述电机上设有冷却孔。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置的结构示意图；

图2是图1中本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置的局部放大图；

附图标记说明：

100：用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置；

1：调节管道，11：通路，12：环形止挡部，13：定位支架；

2：电机，21：电动缸套筒，211：腔室，22：电动缸，23：推杆；

3：锥塞，31：锥面，32：喉部；

4：试验段。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考附图描述根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置100。

如图1所示，根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置100可以包括调节管道1、电机2、锥塞3和控制系统。本发明可用于压缩空气为工质的热工水力试验系统空气流速的控制，如核电厂蒸汽发生器干燥器声共振试验系统的试验段4的压缩空气气流流速控制。

具体地，调节管道1内限定有沿其轴向延伸的通路11，调节管道1的一端适于与压缩空气试验的试验段4连通，调节管道1的另一端的内壁面设有沿其周向延伸的环形止挡部12，电机2设在调节管道1内，电机2具有沿调节管道1的轴向可伸缩的推杆23，锥塞3设在推杆23的一端且邻近环形止挡部12，锥塞3大致形成为锥形，锥塞3的锥面31朝向环形止挡部12，锥面31与环形止挡部12之间限定出的气流通道形成为喉部32，锥塞3沿通路11的轴向可活动以通过调节喉部32的面积控制试验段4的空气流速，控制系统与电机2相连以控制电机2运行。

换言之，如图1所示，压缩空气为工质的热工水力试验系统的压缩空气实验的试验段4与调节管道1的一端相连，调节管道1内限定出通路11，通路11沿调节管道1的轴向延伸，压缩空气实验的试验段4与通路11连通，压缩空气实验的压缩空气可通向调节管道1的通路11内。

电机2设在通路11内，电机2上设有推杆23，锥塞3设在推杆23的一端上，调节管道1的一端与试验段4相连，调节管道1的另一端的内壁面设有环形止挡部12，环形止挡部12沿调节管道1的周向延伸设置，锥塞3形成为大体锥形，锥塞3的锥面31朝向环形止挡部12，也就是说，锥塞3的尖端朝向环形止挡部12。环形止挡部12的内壁面可适于与锥塞3的锥面31配合。通过电机2可控制推杆23在调节管道1内沿轴向作伸缩运动，从而可控制锥塞3沿调节管道1的轴向活动。

如图1所示，锥塞3的锥面31与环形止挡部12之间可限定出气流通道形成为喉部32，在推杆23沿调节管道1的轴向伸缩移动时，锥塞3随推杆23沿调节管道1的轴向活动，这样，锥塞3的锥面31与环形止挡部12之间的气流通道的流动面积随锥塞3活动而增大或减小。例如在如图1所示的示例中，在推杆23朝向压缩空气实验的试验段4的方向活动(即如图1所示的向左活动)时，锥塞3远离环形止挡部12，气流通道的流动面积增大，在推杆23朝向环形止挡部12方向(即如图1所示的向右方向)活动时，气流通道的流通面积减小，即通过控制锥塞3沿轴向方向的活动可调节喉部32的面积，并控制喉部32的气流的流动面积。

在用于压缩空气实验的系统中，试验段4可通入压缩空气(例如气压高于0.3MPa的空气)，空气将在锥塞3的锥面31与环形止挡部12之间形成的喉部32具有声速，此时根据空气在喉部32达到声速时的质量流量等于试验段4的质量流量，以及试验段4的压缩空气的密度与流速的关系式，可得出试验段4的气体流速由喉部32面积唯一确定。

也就是说，通过活动锥塞3，调节喉部32的面积，可精确调节试验段4的气流流速。由此，可使得试验段4的压缩空气的流速控制到试验工况的理想值，且不会受到试验段4阻力和设备以及设备后端背压的影响，提高了试验段4的空气流速调节精度，实现热工水力试验系统的连续、稳定、精确供气控制，提高试验数据的有效性和可靠性。

控制系统与电机2相连，通过控制系统可控制电机2的运行，进而控制推杆23和锥塞3沿轴向的活动。具体地，在不同的试验工况下，当室温和供气总压确定时，通过控制系统可控制电机2驱动推杆23，推杆23推动锥塞3运动，以精确控制锥塞3的轴向位置，从而精确控制锥塞3的锥面31与环形止挡部12形成的喉部32面积，通过在喉部32位置形成临界流，从而控制试验段4的气流流速。

根据本发明实施例的用于压缩空气试验的调节喉部面积和试验段流速的装置100，通过在调节管道1内设有电机2，控制系统精确控制电机2驱动推杆23运行，推杆23推动锥塞3沿轴向活动，从而可精确控制锥塞3的轴向位置，进而控制喉部32面积，精确调节试验段4的气流流速。由此，可使得试验段4压缩空气的流速控制到试验工况的理想值，且不会受到试验段4阻力和设备以及设备后端背压的影响，提高了试验段4中空气流速调节精度，实现热工水力试验系统的连续、稳定、精确供气控制，提高试验数据的有效性和可靠性。

试验段4的压缩空气通过通路11通向喉部32，当喉部32前方压力大于背压的1.89倍时，在喉部32形成声速，此时根据质量守恒原理喉部32达到声速时的质量流量等于压缩空气试验段4流道的质量流量，以及试验段4压缩空气的密度与流速的关系式，因此试验段4的气体流速是喉部32面积的函数且能够由喉部32面积唯一确定。也就是说，通过精确地调节喉部32面积，从而能够精确地调节得到试验段4所需要的气体流速。

具体地，利用质量守恒原理，压缩空气试验段4的质量流量等于喉部32达到声速时的质量流量，即试验段4的空气流速×密度×面积＝喉部32的空气流速×密度×面积，从而可以得到(试验段4的空气密度/喉部32的空气密度)×(试验段4的空气流速/喉部32的空气流速)＝(喉部32的截面积/试验段4的截面积)，由于通过压缩空气动力学原理确定了(试验段4的空气密度/喉部32的空气密度)是(试验段4的空气流速/喉部32的空气流速)的函数，因此(试验段4的空气流速/喉部32的空气流速)由(试验段4的截面积/喉部32的截面积)唯一确定。

在工艺设计中，由于试验段4的截面积、喉部32的空气流速(即声速)是设计确定值，因此试验段4空气流速是关于喉部32的面积的函数，能够由喉部32的面积唯一确定。由此通过电机2控制推杆23和锥塞3沿轴向的活动，能够精确地调节喉部32的面积，从而精确地调节得到试验段4所需要的气体流速。

以上设计方法涉及到的数学表达式如下：

根据质量守恒原理，可得压缩空气试验段4的质量流量与喉部32达到声速时的质量流量相等。

即ρuA＝ρ^*u^*A^* (1)

其中ρ表示空气密度；u表示空气流速；A表示截面积；全文中无上标*的参数表示试验段4的参数，有上标*的参数表示喉部32的参数。

根据压缩空气动力学原理，试验段4的空气密度/喉部3 2的空气密度如下：

该关系式表示(试验段4的空气密度/喉部32的空气密度)是(试验段4的空气流速/喉部32的空气流速)的函数。其中为速度系数，表示(试验段4的空气流速/喉部32的空气流速)；u表示空气试验段4的流速，u^*表示喉部32声速。R为气体常数R＝287，T^*表示临界温度(喉部32声速对应的温度)，T0为气体总温，γ为气体绝热指数，本装置设计中可取值为γ＝1.4。

压缩空气试验段4的质量流量与喉部32达到声速时的质量流量关系变形如下：

上式表示，λ(试验段4空气流速u/喉部32空气流速u^*)是A/A^*(试验段4截面积/喉部32截面积)的函数。由于试验段4的截面积、喉部32的空气流速(声速)是设计确定值，则试验段4空气流速u由喉部32截面积A*唯一确定。通过调节喉部32面积，可直接控制试验段4内空气流速。

有利地，电机2可以为轴向步进伺服电机2，电机2上设有推杆23，根据电机2的步进量来控制推杆23的步进量，从而可精确控制推杆23和锥塞3的轴向移动，进而精确控制喉部32面积，以精确调节试验段4的压缩空气的气流流速。具体地，伺服电机2根据控制系统的控制信号的脉冲进行步进，推杆23通过电机2的步进信号来移动，锥塞3设在推杆23的一端，步进伺服电机2的推杆23的步进量等于锥塞3的步进量，通过控制步进推杆23的步进量来控制锥塞3的步进量。

进一步地，控制系统的硬件部分可以包括计算机、控制软件、电机2驱动器和PLC系统。其中，电机2驱动器可实现对伺服电机2的控制以及电机2信号的输入和输出，控制软件可通过延长的数据线与试验现场的电机2驱动器直接相连，通过控制软件向电机2驱动器发出脉冲信号，电机2驱动器向步进伺服电机2发出试验工况所需参数包括脉冲数、脉冲频率、方向的脉冲信号，该脉冲信号为数字信号，试验现场可对数据线进行保护确保其不受到试验现场其他信号的干扰和延迟，伺服电机2每收到一个脉冲信号，则控制推杆23向左或向右移动一段距离。

试验段4空气流速的精确控制依赖于步进伺服电机2步进量的控制，有利地，伺服电机2的轴向步进精度可以为0.03-0.07mm。从而可提高试验段4空气流速测量的准确性，提高调节精确性。可选地，伺服电机2轴向步进量的精度可以为0.05mm，由此，通过误差传递公式计算可得到试验段4压缩空气流速调节精度为0.3％。从而可进一步地提高对试验段4压缩空气的空气流速精确调节。

进一步地，喉部面积A^*通过伺服电机电动缸进给量X调节，如图2所示，本装置中D和α为设计确定的值，其中，D环形止挡部12的最内端至锥塞3的中心轴线的距离，α为环形止挡部12相对于调节管道1的轴向方向的倾斜角度。θ为电动缸进给量X的函数，因此本装置通过调节伺服电机电动缸进给量X可以精确调节喉部面积：

A^*＝f(X，D，α，θ) (4)

综上伺服电机2精确控制喉部32的面积和试验段4的空气流速的设计方法为：通过精确调节伺服电机2的步进量X，从而精确控制喉部面积A^*，最终精确控制试验段4的空气流速速度u。

在本发明的一些示例中，伺服电机2可以包括电动缸套筒21和电动缸22，电动缸套筒21大致形成为沿通路11的轴向延伸的柱状，电动缸套筒21内限定有腔室211，电动缸22沿通路11的轴向可活动地设在腔室211内，推杆23与电动缸22相连以沿调节管道1的轴向可伸缩。由此，通过控制电动缸22在腔室211内调节管道1的轴向的活动，从而可控制推杆23沿调节管道1的轴向移动，进而可调节锥塞3的轴向位置，以调节喉部32的流通面积，达到精确调节试验段4压缩空气流速的目的。

如图1所示，伺服电机2的电动缸22的右端可设有推杆23，推杆23的右端安装有锥塞3，电动杆在腔室211内沿调节管道1的轴向可活动，并可控制推杆23沿调节管道1的轴向(即如图1所示的左右方向)伸缩活动。

进一步地，腔室211的轴向两端可分别设有限位装置以限制锥塞3的行程。具体地，通过腔室211内轴向两端的限位装置可限制电动缸22的活动，进而可限制锥塞3沿调节管道1轴向的行程。从而防止锥塞3超过允许形成而破坏气流通道。可选地，限位装置可以为机械撞击装置。在推杆23运动到腔室211内两端的限位装置时，电动缸22与限位装置发生机械撞击，并由于机械撞击而抱死，从而可进一步防止锥塞3超过允许行程而破坏气体流道。

有利地，电动缸22上可设有两个沿通路11的轴向间隔开布置的限位开关以检测推杆23的位置。两个限位开关可分别作为锥塞3的行程零点的参考位和最大活动限位长度。通过两个限位开关可检测推杆23的位置，并可将检测信息传送至控制系统。

进一步地，限位开关可以为与控制系统相连的霍尔元件。从而提高限位开关检测的准确性。具体地，限位开关可用于探测伺服电机2的推杆23的位置，当伺服电机2的推杆23内的磁性元件行走到限位开关位置时，限位开关即发送信号至控制系统。控制系统读取限位开关的信号，当电机2行走到另一限位开关位置时，控制系统作出反馈，并可在控制系统界面上显示，如可显示灯亮，操作员即可准确判断锥塞3行程零点位置和最大限位长度，在气体流速调节的初始时刻锥塞3行程等于零。

在本发明的一些示例中，电动缸套筒21可通过定位支架13设在调节管道1内，电动缸套筒21与调节管道1同轴设置，通过定位支架13从而可以提高伺服电机2的推杆23、锥塞3和喉部32的同轴度，确保喉部32控制精度，进而提高试验段4空气流速的测量精确度。

可选地，如图1所示，环形止挡部12的截面大致可形成为三角形，环形止挡部12朝向锥塞3的一侧壁面大致与锥塞3的锥面31平行。由此，环形止挡部12的侧壁面与锥塞3的锥面31之间限定出气流通道，从而可保证气流通道沿轴向的流通面积相同，保证空气在喉部32流通的平稳性。进而也有利于根据喉部32对喉部32面积的控制，提高对试验段4的气流流速的精确控制。

有利地，锥塞3与推杆23之间可流线型过渡，从而可实现气流流经锥塞3和推杆23时平滑过渡，有效防止气体流动分离导致的气动损失。

可选地，锥塞3与推杆23螺纹连接后焊接固定。由此，不仅可加强锥塞3与推杆23的固定强度，也可更大程度地保证锥塞3与推杆3、调节管道1的同轴度，有利于锥塞3和喉部32的配合，实现与理论设计基本一致的流动工况，以进一步地实现对试验段4空气流速的精确控制，提高空气流速调节的精确性。

有利地，在锥塞3和推杆23之间可采用螺纹连接，在调节管道1装配好后进行点焊，点焊后微调再焊死，从而可最大地保证了锥塞3与调节管道1的同轴度，保证了电机2步进量和喉部32配合，实现与理论设计一致的流动工况。

在本发明的一些实施例中，推杆23和锥塞3上可分别设有连接孔(图未示出)，推杆23与锥塞3螺纹连接后通过金属丝穿过连接孔锁定。由此可实现锥塞3与推杆23以及电机2的锁定，从而保证了在紧凑外形的锥塞3设计条件下，锥塞3与推杆23连接的稳定性、可靠性，也可有效防止气体流速过高引起的应力和长期振动导致的锥塞3松动。

在本发明的一些示例中，锥塞3与推杆23通过螺纹连接，在锥塞3与推杆23相连的一端和推杆23与锥塞3相连的一端上可各开四个小孔，金属丝可以为细铁丝，细铁丝对穿过小孔，将锥塞3与推杆23沿着旋紧的方向拉紧锁定，由此，保证了锥塞3不会在高流速气流中振动，或者即使锥塞3振动也不能向松脱的方向旋转，进而确保了锥塞3连接的稳定性和可靠性。

在本发明的一些实施例中，电机2与控制系统之间设有适于线路穿过的走线孔和适于散热的空气冷却流道，电机2上设有冷却孔。由此，从而方便电机2与控制系统之间的线路的设置而，且通过空气冷却流道可实现对装置以及线路的散热，通过冷却孔可对电机2进行散热，以防止电机2由于密闭而过热。进一步地，空气冷却流道可与试验工质的空气流道不连通，从而既保证工作期间电机2的空气冷却，电机2不会因密闭而过热，又保证了试验流道的密封性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。