一种上下分区自适应流量分配调节装置及设计方法与流程

本申请涉及流体控制技术领域，特别涉及一种上下分区自适应流量分配调节装置及设计方法。

背景技术：

在热力发电、石油化工、海洋平台和船舶动力等领域广泛采用各种热交换装置。热源介质包括蒸汽、高温烟气、高温淡水、润滑油等。冷源通常根据应用环境就地取材，常用的冷源介质有空气、河水、海水等。以海洋船舶动力系统为例，其中三种典型的热交换设备有冷凝器、润滑油冷却器、淡水冷却器，其热源介质分别为蒸汽、润滑油和淡水，且热源介质温度各不相同，这三种热交换设备的冷源均可采用海水。

相关技术中，换热器设备经常需要进行流体介质的流量分配和调节，传统手段一般采用调节阀门的开度来实现。但采用阀门调节存在以下缺点：采用阀门调节需为每个用户、每个需要控制的流道单独设置调节阀门，系统组成复杂；阀门在调节流量的同时产生较大的节流损失，增加系统泵源配置负担；阀门节流产生额外的振动噪声，对系统安全可靠性和周围环境产生不利影响；通过转动手轮调节阀门开度费时费力，且调节精度较差；采用自动调节需为每台阀门配备电动或液压驱动机构，并设置一套传感器和控制系统，增加系统复杂程度，增加设备数量和重量。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种上下分区自适应流量分配调节装置及设计方法，以解决相关技术中采用阀门进行流体介质的流量分配和调节，需要配备电动或液压驱动机构，导致系统组成和控制策略复杂，安全性和可靠性降低，流动损失和振动噪声增大的问题。

本申请实施例第一方面提供了用于自适应分配和调节进入流体通道内各分区的流量，包括：

流量调节组件，其包括若干翼面，若干所述翼面位于所述流体通道内将流体通道分隔为上下分区的若干流通区域，所述翼面受到流体通道内流体的作用力自适应旋转，以改变所述流体通道各分区的流通面积。

在一些实施例中：所述流体通道为圆形或矩形筒体结构，所述翼面设有一个或多个，所述翼面两端的翼型截面均设有旋转轴，相邻的两个翼面之间及翼面与流体通道内壁之间通过旋转轴转动连接，所述翼面两端的旋转轴在同一垂直于来流方向的水平线上。

在一些实施例中：所述旋转轴上设有将所述翼面悬空在所述流体通道内的支撑杆，所述支撑杆的一端与旋转轴固定连接，支撑杆的另一端与流体通道的内壁固定连接。

在一些实施例中：所述翼面的吸力面朝向所述流体通道的上壁，所述翼面的压力面朝向所述流体通道的下壁；或所述翼面的吸力面朝向所述流体通道的下壁，所述翼面的压力面朝向所述流体通道的上壁，所述吸力面的弧线弯度大于所述压力面的弧线弯度。

在一些实施例中：所述旋转轴垂直于所述翼面两端的翼型截面，且所述旋转轴位于使得所述翼面所受到的流体作用力和重力关于旋转轴的转动力矩方向相反的位置。

在一些实施例中：多个所述翼面中相邻的两个所述翼面之前预留有转动间隙。

在一些实施例中：所述翼面的前缘朝向所述流体通道的入口侧，所述翼面的后缘朝向所述流体通道的出口侧。

在一些实施例中：所述翼面在所述流体通道内将所述流体通道分为上流道和下流道，所述流体通道设有限制所述翼面向下流道和/或上流道方向旋转的限位杆。

在一些实施例中：所述限位杆包括上限位杆和下限位杆，所述上限位杆位于所述上流道内，所述下限位杆位于所述下流道内，所述上限位杆和下限位杆均设有与所述流体通道内壁连接的定位杆。

本申请实施例第二方面提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置的设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据流体通道的不同工况下上流道和下流道需求流量计算总需求流量，并获得总需求流量与上流道和下流道需求流量的变化关系，根据上流道和下流道的流量分配比例q上/q下选择翼面的翼型；

步骤2、根据总需求流量与上流道和下流道需求流量的变化关系确定翼面的初始状态，若总需求流量增加，上流道和下流道需求流量比例q上/q下也增加，则翼面初始状态时上流道入口截面积最小，且随流体作用力增加翼面应向使上流道入口截面积增大的方向旋转；若总需求流量增加，上流道和下流道需求流量比例q上/q下减小，则翼面初始状态时上流道入口截面积最大，且随流体作用力增加翼面应向使上流道入口截面积减小的方向旋；

步骤3、根据流量需求和流体通道尺寸，布置流量调节组件的结构，其包括翼面的尺寸、旋转轴的高度、翼面的前缘与来流入口距离，在此基础上确定不同工况下，为满足上流道和下流道流量需求，翼面应处于的攻角α状态，获得攻角α与总需求流量q的对应关系α＝f(q)；

步骤5、对自适应流量分配调节装置进行cfd建模分析，修正翼面的攻角α与总需求流量对应关系，以使各工况下上流道和下流道的实际流量不小于最低需求流量；

步骤6、对翼面进行受力分析，并调整旋转轴和翼面重心位置，使翼面处于各工况攻角位置时，所受到的流体作用力矩与重力力矩平衡mz+mg＝0；

步骤7、根据翼面的实际调节需要设置限位杆，将翼面可转动范围限制在设定的攻角区间范围内。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置及设计方法，用于调配进入下游流体通道的流量，由于本申请的自适应流量分配调节装置设有流量调节组件，该流量调节组件包括翼面，翼面位于流体通道内，翼面受到流体通道内流体的作用力自适应同步旋转，以改变流体通道各分区的流通面积，以使流体通道的流体流量发生变化，从而达到分配调节流体通道内各分区流体流量的目的。

因此，本申请的上下分区自适应流量分配调节装置能够根据流体的流速大小自适应分配和调节进入流体通道下游各分区的流量。当流体对翼面的作用力矩增大，对应的翼面的旋转角度越大，翼面的旋转将改变流体通道各分区的流通面积，以使流体通道的流体流量发生变化，从而达到分配调节流体通道内各分区流体流量的目的。本申请的上下分区自适应流量分配调节装置结构简单，流动损失小，可自适应调节。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的立体结构图；

图2为本申请实施例的翼面受力分析图；

图3为本申请实施例的翼面工作原理图。

附图标记：

1、流体通道；11、上流道；12、下流道；

2、流量调节组件；21、翼面；22、下限位杆；23、旋转轴；24、支撑杆；25、定位杆；26、上限位杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置及设计方法，其能解决相关技术中采用阀门进行流体介质的流量分配和调节，需要配备电动或液压驱动机构，导致系统组成和控制策略复杂，安全性和可靠性降低，流动损失和振动噪声增大的问题。

参见图1所示，本申请实施例第一方面提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置，用于改变流体通道1的流通面积，包括：

流量调节组件2，该流量调节组件2包括一个或多个翼面21，翼面21的具体数量根据翼面21的翼型和流体通道1的尺寸合理设定。翼面21位于流体通道1内将流体通道1分隔为若干上下分区的流通区域，翼面受到流体通道内流体的作用力自适应旋转，以改变流体通道1内各分区的流通面积。本实施例以上下两个流通区域为例进行说明，上下两个流通区域分别为位于流体通道1内的上流道11和下流道12。

本实施例的流体通道1优选但不限于为圆形和矩形筒体结构，其为流体提供流动通道，本实施例的流体介质可选为气体介质或液体介质。流量调节组件2的翼面21设有多个，多个翼面21在流体通道1内沿水平方向排成一字形结构。

本申请的自适应流量分配调节装置能够根据流体通道1内流体的流速大小自适应调节上流道11和下流道12的有效流通面积，从而达到分配调节流体通道1内各分区流体流量的目的。

当流体通道1内流体的流速增大，流体通道1内流体对翼面21的作用力矩增大，对应的翼面21的旋转角度越大，翼面21的旋转将改变上流道11和下流道12的有效流通面积，以使通过上流道11和下流道12的流体流量发生变化，调节上流道11和下流道12的流体流量至所需流量范围内。

当流体通道1内流体的流速保持恒定时，翼面处于受力和力矩平衡状态，翼面21的旋转角度保持恒定，以使流体通道1内各分区的流体流量保持在设定流量范围内。

当流体通道1内流体的流速减小，流体通道1内流体对翼面21的作用力矩减小，对应的翼面21的旋转角度变小，翼面21的旋转将改变上流道11和下流道12的有效流通面积，以使通过上流道11和下流道12的流体流量发生变化，调节上流道11和下流道12的流体流量至所需流量范围内。

在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置，该上下分区自适应流量分配调节装置的翼面21两端的翼型截面均设有旋转轴23，相邻的两个翼面21之间及翼面21与流体通道1内壁之间通过旋转轴23转动连接，翼面21两端的旋转轴23在同一垂直于来流方向的水平线上。旋转轴23为翼面21提供转动支撑，翼面21以旋转轴23为轴心俯仰旋转运动。

旋转轴23的两端固定于流体通道1的侧面。若有多个翼面21或单个翼面21重量较大，在旋转轴23上还设有将翼面21悬空在流体通道1内的支撑杆24，支撑杆24的一端与旋转轴23固定连接，支撑杆24的另一端与流体通道1的内壁固定连接。支撑杆24为旋转轴23和翼面21提供定位和支撑，确保旋转轴23和翼面21的位置精度，提高流体流量的控制精度。

旋转轴23垂直于翼面21两端的翼型截面，翼面21以旋转轴23为旋转中心做旋转运动。旋转轴23位于使得翼面21受到的流体作用力与重力关于旋转轴23的转动力矩方向相反的位置，两者平衡时达到稳定状态。

在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置，该上下分区自适应流量分配调节装置的流体通道1为矩形筒体结构，翼面21优选但不限于为双凸翼型，翼面21的吸力面朝向流体通道1的上壁，翼面21的压力面朝向流体通道1的下壁，吸力面的弧线弯度大于压力面的弧线弯度。

多个翼面21中相邻的两个翼面21之前预留有转动间隙，该转动间隙为翼面21提供运动空间，防止相邻的两个翼面21互相干扰。翼面21的前缘朝向流体通道1的入口侧，翼面21的后缘朝向流体通道1的出口侧。

为使流体作用力矩与重力作用力矩方向始终相反：当翼面21的吸力面朝上、压力面朝下时，翼面21上的旋转轴23位于压力中心(流体合力作用点)和重心的下游；当翼面21的吸力面朝下、压力面朝上时，翼面旋转轴23位于压力中心与重心之间。

随着翼面21转动角度(相对初始状态)增大，流体作用力矩和重力力矩均增大或减小。

在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置，该上下分区自适应流量分配调节装置的翼面21在流体通道1内将流体通道1分为上流道11和下流道12，翼面21在上流道11和下流道12之间，翼面21通过旋转改变上流道11和下流道12的有效流通面积。

在流体通道1设有限制翼面21向下流道12或上流道11方向旋转的限位杆，该限位杆用于控制翼面21向上流道11或下流道12方向旋转的角度，当翼面21向下流道12或上流道11方向旋转至设定角度后与限位杆相抵，以保证上流道11或下流道12具有最小的流通面积。

限位杆包括上限位杆26和下限位杆22，上限位杆26位于上流道11内，下限位杆22位于下流道12内。上限位杆26用于控制翼面21向上流道11方向旋转的角度，当翼面21向上流道11方向旋转至设定角度后与上限位杆26相抵，以保证下流道12具有最小的入口流通面积。下限位杆22用于控制翼面21向下流道12方向旋转的角度，当翼面21向下流道12方向旋转至设定角度后与下限位杆22相抵，以保证上流道11具有最小的入口流通面积。

上限位杆26和下限位杆22上分别设置有与流体通道1的上壁和下壁连接的多个定位杆25。多个定位杆25为下限位杆22和上限位杆26提供定位和支撑，确保下限位杆22和上限位杆26的位置精度，提高流体流量的控制精度。

参见图1所示，本申请实施例第二方面提供了一种上下分区自适应流量分配调节装置的设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、根据不同工况(工况以n表示)下上流道11和下流道12流量需求(q上、q下)计算总需求流量(q(n)＝q上(n)+q下(n))，并获得总流量与上流道11和下流道12流量间变化关系。

步骤2、根据总需求流量与上流道11和下流道12需求流量的变化关系确定翼面21的初始状态，若总需求流量增加，上流道11和下流道12需求流量比例q上/q下也增加，则翼面21初始状态时上流道11入口截面积最小，且随流体作用力增加翼面21应向使上流道11入口截面积增大的方向旋转；若总需求流量增加，上流道和下流道需求流量比例q上/q下减小，则翼面21初始状态时上流道11入口截面积最大，且随流体作用力增加翼面21应向使上流道11入口截面积减小的方向旋转。

步骤3、根据典型工况下上流道11和下流道12流量分配比例q上/q下随工况变化情况，初步选择翼面21的翼型，一般地，若上流道11和下流道12流量分配比例变化剧烈，则选择临界攻角αcr与零升攻角α0差值(αcr-α0)较大的翼型。

步骤4、根据流量需求和流体通道1尺寸，初步布置流量调节组件2的结构，具体包括翼面21的尺寸、旋转轴23的高度、翼面21的前缘与来流入口距离等，在此基础上确定不同工况下，为满足上流道11和下流道12流量需求，翼面21应处于的攻角α状态，获得攻角α与总需求流量q的对应关系α＝f(q)。

步骤5、对自适应流量分配调节装置进行cfd(computationalfluiddynamics)建模分析，充分考虑入流不均匀性、翼面21对流场扰动和尾迹掺混等因素影响，修正翼面21的攻角α与总需求流量q对应关系，以使各工况下上流道11和下流道12的实际流量不小于最低需求流量。

步骤6、对翼面21进行受力分析，并调整旋转轴23和翼面重心位置，使翼面21处于各工况攻角α(n)位置时，所受到的流体作用力矩与重力力矩平衡mz+mg＝0。

步骤7、根据翼面21的实际调节需要设置限位杆，将翼面21可转动范围限制在设定的攻角区间范围内。

步骤8、根据以上确定的尺寸和位置关系，进行流量调节组件2及附属组件结构设计和强度校核，完成本装置最终设计。

工作原理

参加图1至图3所示，置于流体通道1内的翼面21受到流体速度为v∞的来流作用，翼面21受到的流体作用合力为r，通常可将流体作用合力r分解为升力l和阻力d，为了便于分析也可将流体作用合力r分解为沿弦线方向作用力fc和垂直弦线方向作用力fn。

当翼面21上的旋转轴23不在其压力中心(旋转轴和压力中心不重合)时，流体作用在翼面21上的作用力具有一定长度的力臂，翼面21在沿弦线方向作用力fc和垂直弦线方向作用力fn的作用下，将受到一定的俯仰力矩mz＝lz×r，其大小|mz|＝|fc|·lc+|fn|·ln，其中lz为从旋中心至压力中心的距离矢量，lc和ln分别为沿弦线和垂直弦线方向作用力的力臂长度。

以吸力面朝上、压力面朝下，且旋转轴23位于重心和压力中心同侧为例，流体作用力矩与重力作用力矩方向相反。重力力矩mz＝lg×g，其大小|mz|＝|mg|·|lg|·cos(β-α)，其中m为翼面质量，g为重力加速度，g＝mg为翼面所受重力，lg为从旋转中心至重心的距离矢量，β为旋转中心至重心连线与翼型弦线夹角。当翼面攻角α增大且α<β时，重力力矩也增大。

当来流速度v∞增大时，翼面21受到的流体作用力和力矩均增大，当翼面21所受流体作用力矩mz大于重力力矩mg时，将使翼面21顺时针旋转。当流体作用力矩与重力力矩平衡时，本装置达到该流速下的稳定状态。

此时翼面攻角为α，在翼面前缘截面处，流体通道1的宽度s随高度h变化的函数为s(h)，下流道12的高度为h下；上流道11的下缘高度h下、上缘高度为h上。对于给定的入口总流量q，根据流体力学原理可得到此处流体速度剖面u(h)，从而可分别计算上、下流道流量：

即可获得总流量-流量分配比例-翼面攻角之间的对应关系(q-q上/q下-α)。通过合理设计本装置的结构及安装位置，使其流量分配特性满足流量分配需求，即可达到自适应分配调节流量的目的。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。