本发明涉及机械领域，尤其涉及平稳降压的用于迷宫式调节阀的迷宫盘片。
背景技术：
在现代工业生产过程中，处于高压差条件下工作的调节阀由于其内部出现的流体流速过高，振动噪声及气蚀等问题，致使调节阀无法根据系统的需要实现应有的调节功能，进而导致整个管路控制系统工作性能降低、使用寿命缩短、振动和噪声加剧等问题，造成安全隐患，对工业生产过程的高效稳定运行产生不利的影响，其根本原因是由于调节阀运行工况压差过高导致的。对常规的调节阀，当节流过程压差很大时，流体进入节流部位时压力会骤然下降。对于气体介质，压力下降会导致流速急剧上升，而高流速气体的冲蚀与强烈的压力波动会对阀体和阀芯等部件产生破坏，同时引发振动、噪声等危害。对于液体介质，压力低于介质温度对应的液体饱和蒸汽压pv时，部分液体就会汽化形成大量微小的汽泡，当压力又回升至pv以上时之前所产生的气泡就发生溃灭，从而对阀门造成破坏，即气蚀现象。
目前针对运行于高压差条件下调节阀所产生的上述一系列问题，应对措施主要采用两种方法。其一是从阀门材质上考虑，即通过热处理、堆焊、喷焊司太莱合金、化学渗透或陶瓷喷涂等处理措施对节流件进行表面硬化，从而使流体冲刷处形成硬化表面，保持极高的硬度和强度，但是至今阀门行业仍未能找到一种可以长期适用于高压差调节阀的材料，所以通过提高材料硬度来提升调节阀性能的方法只能是延缓汽蚀与高流速造成的损害，从而延长阀门的使用寿命，并不能从根本上解决这一问题；其二是从阀门内部节流结构上考虑，即在常规调节阀的基础上对内部阀芯进行改进，使流体进入调节阀内部节流件时，流体能量不断消耗，介质流速被限制，介质压力逐渐降低，从而多级降压调节阀产品应运而生，有效的降低了气蚀及振动噪声等危害的发生。
现有技术的迷宫调节阀节流过程的压力速度，如图1所示。对于迷宫调节阀而言，在高压降情况下，流体流经节流件后压力骤降至饱和蒸汽压以下对阀门造成气蚀破坏，而多级降压结构使流体在调节阀内部保持了平稳的降压过程。现有技术的迷宫调节阀多级降压节流过程的压力速度如图2所示，现有技术的高压差迷宫调节阀，有最大工况、正常工况和最小工况三种工况，最大工况和正常工况又有未饱和凝结水单相流、空化流流以及气液两相流三种流体流动情况，最小工况有未饱和凝结水单相流和空化流两种流体流动情况。在未饱和凝结水单相流情况下，介质流速较低，且阀门内部压力不低于液体饱和蒸汽压时没有空化的发生，对阀门的破坏程度非常小；在气液两相流的情况下，多级降压结构有效的抑制了介质流速的急剧突变，使流速的增加控制在允许的范围之内，从而避免了节流过程中由于高流速和强烈的压力波动对阀门及所在管系带来的破坏；而在空化流情况下，由于空化产生的气泡在溃灭时使其自身所储存的势能转变成较小体积内流体的动能，使流体内形成流体冲击波，这种冲击波传递给流体中的过流部件时，会使过流部件表面产生应力脉冲和脉冲式的局部塑性变形，甚至产生加工硬化，对阀门造成较大程度的破坏，即气蚀破坏。因此，阀芯多级降压结构的防气蚀设计至关重要，直接影响到阀门的使用寿命和所在管系的安全运行。
现有技术的迷宫调节阀的迷宫盘片结构图，如图3所示，为研究流体流经单个流道时其内部的降压情况，根据该图建立迷宫盘片的单个流道模型，如图4所示，采用流体动力学分析软件cfx对最大工况未饱和凝结水进行单向流流场分析。如图5所示，单个流道流场模拟得到出口流量为0.1335kg/s，则单个迷宫盘片的总流量为0.1335×8＝1.068kg/s，读取单个流道每一级中心线上的压力，绘制出单个流道上的降压级数与压力变化的关系曲线，如图6所示。如图6所述，介质通过原结构每级盘片时，压力基本能够均匀下降，但最后一级压力降低较大，不能够平稳下降，在阀门工作过程中极易发生空化，且在第8段左右压力恢复较为严重。为保证压力逐级缓慢地降低，避免较大程度的压力恢复，增加阀门寿命，提出了使阀门内部压力先快速降低后慢速降低的优化方案，优化需要达到如图6中曲线所示的理想效果。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供了一种用于迷宫式调节阀的迷宫盘片，所述迷宫盘片上设有至少一条迷宫式通道，所述迷宫式通道包括多个弯曲部，形成多级降压结构，多级降压结构使流体在调节阀内部保持了平稳的降压过程，防止了气蚀的发生，且有效的防止介质流速发生急剧突变，使流速的增加控制在允许的范围之内，从而避免了节流过程中由于高流速和强烈的压力波动对阀门及所在管系带来的气蚀、噪声、振动等不良影响，有助于确保调节阀在高压差条件下的工作性能，延长调节阀的使用寿命。
进一步的，本发明的迷宫式通道包括入口段、中间段和出口段，其中入口段位于迷宫式通道的入口，包括多条并联设置的流道；出口段位于迷宫式通道的出口，包括多条并联设置的流道；中间段位于入口段和出口段之间，，连通入口段和出口段。
进一步的，本发明的迷宫式通道的入口段包括至少3条并列设置的流道，优选包括4条或5条并列设置的流道。
进一步的，本发明的迷宫式通道中间段的流道包括多个弯曲部，形成多级降压结构，使流体在调节阀内部保持平稳的降压过程。
进一步的，本发明的迷宫式通道中间段包括至少一个并联流道段，所述并联流道段包括并联设置的多条流道，优选的包括并联设置的两条流道。优选的，本发明的迷宫式通道中间段包括一个并联流道段，所述并联流道段包括并联设置的两条流道。进一步的所述并联流道段前后的流道均包括至少一个弯曲部。
进一步的，本发明的迷宫式通道的出口段包括并联设置的多条流道，优选包括并联设置的两条流道，优选的，每条流道包括至少一个弯曲部，优选包括7个或8个弯曲部。
本发明所述的流道可包括相互连通且互成角度的流道段，相邻的流道段形成弯曲部，优选的，所述弯曲部的弯曲角度为90°。本发明中各流道段的横截面积根据迷宫盘片的大小以及级数确定
优选的，本发明的迷宫盘片上设有10条或11条迷宫式通道。
在本发明的另一个方面，提供一种包含本发明的迷宫盘片的迷宫式调节阀。
本发明的迷宫盘片和调节阀解决了现有技术中阀门最后一级压力降低较大，不能够平稳下降，在阀门工作过程中极易发生空化以及压力恢复严重的问题，能够在满足流量要求的前提下能够使阀门内部压力先快速降低后慢速降低，保证压力逐级缓慢地降低，避免较大程度的压力恢复，增加阀门寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术节流过程压力速度图；
图2是现有技术迷宫调节阀多级降压节流过程压力速度图；
图3是现有技术迷宫盘片整体流道结构示意图；
图4是现有技术迷宫盘片流道结构示意图；
图5是现有技术迷宫盘片流道压力云图；
图6是现有技术宫盘片单个流道降压级数与压力曲线图；
图7是现有技术迷宫盘片单个流道上任意串联的3段结构示意图；
图8是本发明实施例的一种4个入液管的迷宫盘片流道结构示意图；
图9是本发明实施例的一种5个入液管的迷宫盘片流道结构示意图；
图10是本发明实施例的一种由5个入液管的迷宫盘片流道组成的迷宫盘片结构示意图；
图11是本发明实施例的5个入液管的迷宫盘片流道组成的迷宫盘片压力云图；
图12是本发明实施例的5个入液管的迷宫盘片流道组成的迷宫盘片降压段数与压力曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
迷宫类调节阀流道形式多种多样，但对于其流道具体的布局理论推导相对较少，为了设计阀芯的防空化结构，现以图7所示的最简单的具有转弯的、水平放置的迷宫盘片的单个串联流道单相流时进行推导说明。
如图7中所示，pi(i＝1，2，3···n)为单个串联流道第i段上压力最低处截面对应的介质压力；vi为与pi对应的截面处介质平均流速，αi为与vi对应的动能修正系数，其值恒大于1，在工业管道流道条件下，αi＝1.01--1.10；ai为与pi对应的截面面积；li1为单个串联流道第i段上最低压力截面对应的前段流道长度，li2为单个串联流道第i段上最低压力截面对应的后段流道长度；di1为与li1对应的前段流道的当量直径，di2为与li2对应的后段流道的当量直径；λi1为与li1对应的前段流道沿程损失系数，λi2为与li2对应的后段流道沿程损失系数。
单个串联流道各段流体的连续性方程：
单个串联流道平均单位重量粘性不可压缩流体各段最低压力截面与进口处相应的伯努利方程：
···
由(1)和(2)可得：
由(1)和(3)可得：
由(1)和(4)可得：
···
同理，由(1)和(5)可得：
式中：下标1对应的参数代表单个串联流道进口处的相关参量，下标2、3···i···(n-1)对应的参数代表单个串联流道第i段最低压力截面处的相关参量，下标n对应的参数代表单个串联流道出口处的相关参量；hwi＝hfi+hpi为平均单位重量介质流经单个流道第i级的总能量损失，hfi为与hwi对应的沿程阻力损失，hpi为与hwi对应的局部阻力损失；ci为各级流体流动过程中总能量损失的修正系数；ρ为流体密度；g为重力加速度；n为迷宫盘片的段数；q为单个流道通流流量。
迷宫盘片的设计中，按其尺寸大小、介质流向以及加工的方便，可设计的迷宫流道的个数是一定的，由此可根据具体要求确定进口截面积a1和出口截面积an的大小；同时在迷宫类阀门设计中，其流量q是确定的，则根据连续性方程，进口平均速度
第2段截面面积a2只与流体经过第1级的总能量损失hw1有关：
式中:ε1为平均单位重量介质流经单个流道第1级的局部损失系数。
在进口结构已知的情况下，
第3段截面面积a3只与流体经过第1级与第2级总能量损失hw1+hw2有关：
式中:ε2为平均单位重量介质流经单个流道第2级的局部损失系数。
在第1级，也即单个串联流道第1段和第2段设计满足要求的情况下，根据上述同样的方法计算p3的大小，使其达到所要求的压力大小，从而确定单个串联流道的第3段尺寸。
第4段的面积a4只与流体经过前3级总的能量损失hw1+hw2+hw3有关：
式中:ε3为平均单位重量介质流经单个流道第3级的局部损失系数。
在第1、2级，也即单个串联流道前3段设计满足要求的情况下，根据上述同样的方法进行第4段尺寸的设计。
···
同理，第n段的面积an只与流体经过迷宫流道前(n-1)段总的能量损失
式中:ε(n-1)为平均单位重量介质流经单个流道第(n-1)级的局部损失系数。
采用上述同样的方法进行设计计算，得到第(n-1)段的结构尺寸。最终把所设计的各段结构连起来，便可得到单个流道的整体结构。
通过以上公式推导可知，当迷宫盘片的大小以及级数确定后，就可对迷宫盘片的各段流道横截面积进行设计。本实施例以最简单的具有转弯的、水平放置的迷宫盘片的单个串联流道进行推导。这个方法同样适用于结构更为复杂的迷宫盘片。只不过在计算过程不同方案流道中不同级的“沿程阻力损失”和“局部阻力损失”大小不一样，但是当迷宫盘片的大小以及级数确定后，就可对迷宫盘片的各段流道横截面积进行设计。也就是说，迷宫盘片的各段流道横截面积与迷宫盘片的大小以及级数相关。
实施例1
图8显示的是本发明的一个实施例的迷宫式通道，所述迷宫式通道包括依次设置的入口段、中间段和出口段，液体介质由入口段进入，经中间段，从出口段流出。其中入口段位于迷宫式通道的入口，包括四条并联设置的流道；出口段位于迷宫式通道的出口，包括两条并联设置的流道，每条流道包括7个弯曲部，弯曲部的弯曲角度为约90°。
中间段位于入口段和出口段之间，包括第一流道段、第二流道段和第三流道段，其中第一流道段与入口段连接，包括两个弯曲部；第二流道段连通第一流道段和第三流道段，包括两条并联设置的流道；第三流道段位于第二流道段和出口段之间，包括3个弯曲部。本实施例的迷宫式通道横中各流道的截面积根据迷宫盘片的大小以及级数确定。
实施例2
图9和图10显示的是本发明另一个实施例的迷宫式通道，所述迷宫式通道包括依次设置的入口段、中间段和出口段，液体介质由入口段进入，经中间段，从出口段流出。其中入口段位于迷宫式通道的入口，包括五条并联设置的流道；出口段位于迷宫式通道的出口，包括两条并联设置的流道，每条流道包括7个弯曲部，弯曲部的弯曲角度为约90°。
中间段位于入口段和出口段之间，包括第一流道段、第二流道段和第三流道段，其中第一流道段与入口段连接，包括两个弯曲部；第二流道段连通第一流道段和第三流道段，包括两条并联设置的流道；第三流道段位于第二流道段和出口段之间，包括3个弯曲部。本实施例中各流道的横截面积根据迷宫盘片的大小以及级数确定。在本发明的一个具体实施方式中，迷宫盘片包括10个本实施例的迷宫式通道。
图11和图12显示的是10个本实施例的迷宫式通道组成的迷宫盘片压力云图和降压段数与压力曲线图。本实施例的迷宫式通道流场模拟出口流量为0.1075kg/s，则单个迷宫盘片的总流量为0.1075×10＝1.075kg/s，读取本实施例所述的迷宫式通道每一级中心线上的压力，结果如图11所示，可见本实施例所述的迷宫式通道上从入口段至出口段的压力均匀减少。单个迷宫式通道上的降压阶数与压力变化的关系曲线图如图12所示，本实施例的迷宫盘片流道上从入口段至出口段的压力均匀减少，能够在满足流量要求的前提下能够使阀门内部压力先快速降低后慢速降低，保证压力逐级缓慢地降低，避免较大程度的压力恢复，增加阀门寿命。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。