一种流量特性可变的阀芯组件、调节阀及其调整方法与流程

本发明涉及调节阀，尤其涉及一种流量特性可变的阀芯组件、调节阀及其调整方法。

背景技术：

调节阀又名控制阀，是一种带有执行机构的阀门。依据控制单元输出的信号，调节阀通过执行机构改变阀门开度，可实现对系统中压力、流量等工艺参数的控制以满足用户的需要。随着现代工业自动化程度的不断提高，调节阀日益广泛地应用于冶金、能源、化工、石油、军事、水利等工业部门，发挥着不可替代的作用。

调节阀的流量特性是指一定进出口压差下，调节阀相对流量(流量与额定流量的比值)与调节阀相对行程(即阀门行程与阀门额定行程的比值)之间的关系。典型的阀门流量特性有线性流量特性、快开流量特性与等百分比流量特性。在当前的工程应用中，一种调节阀在线使用时只具有一种流量特性。通常情况下，想要改变调节阀的流量特性时，需要将调节阀拆解，并更换其节流部件。这对维护人员带来了额外的工作负担，并使调节阀所在系统无法连续运转，降低了工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种流量特性可变的阀芯组件、调节阀，在不对调节阀进行拆解的前提下，通过外部调节结构，改变其流量特性。更进一步地，本发明还提供了一种基于所提出的流量特性可变的调节阀的流量特性调整方法。

本发明采用的技术方案是：

一种流量特性可变的阀芯组件，其包括外套筒、内套筒和阀芯；

所述的外套筒为中空柱状零件，其外壁上开设有沿圆周方向周期性排列的第一节流孔阵列，周期数为m，m≥1；

所述的内套筒为中空柱状零件，其内套筒安装于外套筒内部且内套筒的外壁面与外套筒的内壁面贴合，内套筒的外壁上开设有流体出入口和沿圆周方向周期性排列的第二节流孔阵列，周期数为m，m≥1；

所述第一节流孔阵列中的m个周期和第二节流孔阵列中的m个周期一一对应，其中一个阵列的每个周期中仅有一列节流孔a0，另一个阵列的每个周期中具有n列节流孔ai，n≥2；内套筒和外套筒在第一致动件驱动下绕轴线相对旋转，使得在每个周期中，均有一列节流孔a0能够与所述n列节流孔ai中的其中一列重合，以形成一列重合节流孔列；内套筒和外套筒相对旋转过程中，共能形成n种节流孔组合，每种节流孔组合由m列重合节流孔列组成，且n种节流孔组合中至少有两种节流孔组合的流量特性不同；

所述阀芯为柱状零件，安装于内套筒内部且阀芯的外壁面与内套筒的内壁面贴合，阀芯在第二致动件驱动下沿内套筒轴向相对滑动，以改变所述节流孔组合的开度；

外部流体从所述节流孔组合和所述流体出入口中择一种流入，从另一流出。

作为优选，所述第一节流孔阵列的每个周期中仅有一列节流孔a0，所述第二节流孔阵列的每个周期中具有n列节流孔ai；优选的，2≤n≤4。

作为优选，所述第一节流孔阵列中，每一列节流孔a0的孔数相同，每个节流孔a0的孔径也相同；所述第二节流孔阵列的每个周期中，n列节流孔ai中每个节流孔ai的孔径与节流孔a0的相同，但至少有两列节流孔ai的孔数不同，使得这两列节流孔ai与一列节流孔a0的重合孔数不同；优选的，所述第一节流孔阵列和第二节流孔阵列中，每一列节流孔中任意竖向相邻的两个节流孔的孔距均相等。

进一步的，每种所述的节流孔组合中，m列重合节流孔列的重合孔数全部相同、部分相同或完全不同。

进一步的，前述各方案中，所述第二节流孔阵列中n＝2，以一列奇数列的节流孔a1和相邻的一列偶数列的节流孔a2为一个周期；所述外套筒和内套筒上，相邻两列节流孔a1的孔距以及相邻两列节流孔a2的孔距均与相邻两列节流孔a0的孔距相等，相邻的一列节流孔a1和一列节流孔a2的孔距为相邻两列节流孔a0的孔距的一半。

进一步的，每列节流孔a0与每列节流孔a1中的节流孔数量、孔距均相等，两者形成的节流孔组合具有直线流量特性；每列节流孔a0与每列节流孔a2的节流孔孔距相等，但数量不等，两者形成的节流孔组合具有非直线流量特性。

本发明的另一目的在于提供一种流量特性可变的调节阀，其包括阀盖、阀体和前述任一方案所述的阀芯组件；所述阀盖安装于阀体上，在阀体内部形成从阀门进口通向阀门出口的内部流道；所述的阀芯组件设置于内部流道中，从阀门进口流入的流体，流经内套筒和外套筒中重合的节流孔组合后，从阀门出口排出。

作为优选，所述的第一致动件和第二致动件为阀杆，阀杆底部与阀芯固定连接，阀杆的中部和下部分别攻有中螺纹和下螺纹，内套筒顶部设有内套筒中心螺纹孔，阀杆依次穿出内套筒中心螺纹孔和阀盖的中心通孔；阀杆能通过中螺纹与阀盖中心通孔内螺纹相互啮合，构成驱动阀杆和阀芯轴向移动的螺旋副；当通过旋转阀杆使阀芯向上移动到极限位置时，阀芯与内套筒顶端相接触，同时阀杆上的下螺纹与内套筒中心螺纹孔相啮合，阀杆上的中螺纹与阀盖中心通孔螺纹不再啮合，继续沿原方向旋转阀杆，带动内套筒绕阀杆轴线相对于外套筒旋转。

作为优选，所述外套筒与内套筒间隙配合；所述的阀盖与阀杆间通过密封填料和填料压盖进行密封；所述阀杆顶部设有驱动手轮。

本发明的另一目的在于提供一种利用前述任一方案所述的调节阀的流量特性调整方法，所述调节阀安装于待调节管路中使用，其步骤如下：

s1：根据目标工况，确定阀门所需满足的流量特性，然后旋转阀杆，使阀芯向上移动到极限位置，阀杆上的下螺纹与内套筒中心螺纹孔相啮合，继续同方向旋转阀杆，使内套筒和外套筒相对转动，直至形成满足该流量特性的节流孔组合，使阀门进口和阀门出口的内部流道通过该节流孔组合连通；

s2：反向旋转阀杆，使阀杆上的下螺纹与内套筒中心螺纹孔不再啮合，阀杆上的中螺纹与阀盖中心通孔内螺纹重新啮合，驱动阀芯上下运动，通过所述节流孔组合的流体流量与阀门开度间的关系即为阀门当前的流量特性；

s3：当目标工况发生变化时，重复s1～s2，调整阀门的流量特性满足新的目标工况需求。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的流量特性可变的阀芯组件和调节阀，将套筒旋转驱动结构集成于阀杆之上，在不对调节阀进行拆解的前提下，通过外部调节结构旋转套筒，改变其理想流量特性，实现两种流量特性间的自由、快速切换，快速适应多种工况，提升了调节阀的使用便利性；执行结构简洁紧凑，操作简单；执行行程短，旋转较小位移，就可实现流量特性的切换。

附图说明

图1是流量特性可变的阀芯组件结构示意图。

图2是外套筒侧壁展开小孔分布示意图。

图3是内套筒侧壁展开小孔分布示意图。

图4是流量特性可变的调节阀结构示意图。

图5是阀芯到达极限位置时的调节阀结构示意图。

图中：1、阀门进口；2、阀体；3、内套筒；4、阀杆；5、阀芯；6、阀门出口；7、阀盖；8、内套筒中心螺纹孔；9、填料；10、填料压盖；11、驱动手轮；12、阀杆上螺纹；13、中螺纹；14、下螺纹；15、外套筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，在本发明的一个基本实施例中，提供了一种流量特性可变的阀芯组件，其主要部件包括外套筒15、内套筒3和阀芯5。该阀芯组件用于调节阀阀体中，用于无需拆卸阀体即可改变调节阀固有的流量特性。下面详细描述该阀芯组件的结构，以说明其工作原理。

在该阀芯组件中，外套筒15和内套筒3是改变调节阀固有流量特性的核心部件。其中，外套筒15为中空柱状零件，其外壁上开设有沿圆周方向周期性排列的第一节流孔阵列，周期数为m，m≥1。同样的，内套筒3为中空柱状零件，其内套筒3安装于外套筒15内部且内套筒3的外壁面与外套筒15的内壁面贴合，使两者之间不会直接漏水。与外套筒15类似，内套筒3的外壁上开设有流体出入口和沿圆周方向周期性排列的第二节流孔阵列，周期数为m，m≥1。周期数m优选设置多个，且沿圆周方向等角度均匀分布，以增加其过流面积，提高稳定性。

本发明中，一个周期本质上对应于套筒外壁圆周方向上的一个圆弧段。第一节流孔阵列中的m个周期和第二节流孔阵列中的m个周期在空间位置上一一对应，每一组对应的周期是调节流量特性的一个调节单元，整个调节阀的流量特性最终是由所有周期，即所有调节单元共同决定的。在第一节流孔阵列和第二节流孔阵列中，其中一个阵列的每个周期中仅有一列节流孔a0，另一个阵列的每个周期中具有n列节流孔ai，n≥2。节流孔a0可以设置在第一节流孔阵列上，也可以设置在第二节流孔阵列上，可根据实际需要进行调整。如果节流孔a0可以设置在第一节流孔阵列上，那么节流孔ai需要设置在第二节流孔阵列上，如果节流孔ai可以设置在第一节流孔阵列上，那么节流孔a0需要设置在第二节流孔阵列上。

在本实施例中，将节流孔a0设置在第一节流孔阵列上，而节流孔ai设置在第二节流孔阵列上，此时第一节流孔阵列的每个周期中仅有一列节流孔a0，第二节流孔阵列的每个周期中具有n列节流孔ai。

内套筒3和外套筒15在第一致动件驱动下绕轴线相对旋转，使得在每组对应的周期中，均有一列节流孔a0能够与n列节流孔ai中的其中一列重合，以形成一列重合节流孔列。所述的重合节流孔列也就是两列节流孔之间完全重合或者部分重合后，所有形成的重合孔组成的孔列，未重合的节流孔则被套筒壁封堵，无法通过流体。由于每1列节流孔a0都能够与1列节流孔ai形成1列重合节流孔列，因此内套筒3和外套筒15相对旋转过程中，一个周期中的n列节流孔ai总共可以n种重合节流孔列，只是在某一瞬时状态下仅存在一种重合节流孔列。

由于本发明中，一共具有m个周期，而整个调节阀的流量特性最终是由所有周期共同决定的，因此m个周期中的m列重合节流孔列可以组成一种节流孔组合。内套筒3和外套筒15相对旋转过程中，总共可以出现n种节流孔组合。将这n种节流孔组合设计成不同的流量特性，即可实现阀芯组件的流量特性实时调整，无需拆卸阀门。当然，这n种节流孔组合的流量特性不需要全部完全不同，理论上至少有两种节流孔组合的流量特性不同即可。

对于某一特定的节流孔组合而言，其具体的阀门流量是通过阀芯5调整的。阀芯5为柱状零件，可以是中空的也可以是实心的，其作用与普通的阀芯组件中阀芯的作用相同。阀芯5安装于内套筒3内部且阀芯5的外壁面与内套筒3的内壁面贴合，阀芯5在第二致动件驱动下沿内套筒3轴向相对滑动，以改变当前有效的节流孔组合的开度。

当整个阀芯组件安装于阀体中时，外部流体从节流孔组合和内套筒3的流体出入口中择一种流入，从另一流出。此处“择一种”的含义是：相对于整个阀芯组件而言，当选择节流孔组合作为流入口时，另一种开口即流体出入口就成为了流出口，反之当选择流体出入口作为流入口时，另一种开口即节流孔组合就成为了流出口。也就是说，当阀芯组件有外部流体流经时，流体的流向可以根据实际情况进行调整。在如图4所示的实施例中，外部流体从节流孔组合流入，从内套筒3的流体出入口流出。一般来说，内套筒3的流体出入口可以设置于内套筒3的筒体底面。

另外在本发明中，节流孔a0和节流孔ai的孔径大小可以是完全相同的，也可以是不同的，当两者孔径不同时其重合孔的流通面积是由孔径较小的节流孔所决定的。

对于一种节流孔组合而言，其流量特性可以通过不同的方式来改变。例如，重合孔的形状、重合孔的数量、重合孔的大小、重合节流孔列中孔的竖向分布间距、不同形式的重合节流孔列组合等等，都会改变节流孔组合的流量特性。因此，可以灵活的设置其实现形式。

在本实施例中，为了便于调整设置如下：第一节流孔阵列中，每一列节流孔a0的孔数相同，每个节流孔a0的孔径也相同；第二节流孔阵列的每个周期中，n列节流孔ai中每个节流孔ai的孔径与节流孔a0的相同，但至少有两列节流孔ai的孔数不同，使得这两列节流孔ai与一列节流孔a0的重合孔数不同。因此，可以通过简单地改变每一列节流孔ai中的孔数，来调整节流孔组合的流量特性，这种方式下由于重合孔的孔径相等因此流量特性更容易控制。进一步的，本实施例中，可以将第一节流孔阵列和第二节流孔阵列中，每一列节流孔中任意竖向相邻的两个节流孔的孔距均设置成完全相同的，以实现流量特性的线性调整。

另外，需要注意的是，虽然本发明中两个套筒表面的节流孔阵列均是沿圆周方向周期性排列的，但是并不是说每个周期相互之间都必须保证完全相同的。此处一个周期仅仅代表一个单元，不同周期之间允许存在差异。也就是说，在每种节流孔组合中，m列重合节流孔列的形式可以是完全相同、部分相同或完全不同的。假如流量特性是通过重合孔数来改变的话，m列重合节流孔列的重合孔数可以是全部相同、部分相同或完全不同的。

在本发明中，由于套筒的侧壁面积是固定的，因此一个周期内的节流孔ai列数越多，单列节流孔ai的流通面积越小。因此为了保证阀体的过流面积，n的取值不宜过大，最佳范围为2≤n≤4。在本发明的上述实施例基础上，可以提供一个优选实施例，该实施例中第二节流孔阵列的n设置为2。此时，外套筒15的侧壁展开图如图2所示，内套筒3的侧壁展开图如图3所示。在内套筒3中，以一列奇数列的节流孔a1和相邻的一列偶数列的节流孔a2为一个周期。在外套筒15中，一列节流孔a0为一个周期，该周期中与节流孔a2对应的列不开孔。而且，外套筒15和内套筒3上，相邻两列节流孔a1的孔距以及相邻两列节流孔a2的孔距均与相邻两列节流孔a0的孔距相等，相邻的一列节流孔a1和一列节流孔a2的孔距为相邻两列节流孔a0的孔距的一半。在该阀门中，节流孔a1和节流孔a0可以组合成一种节流孔组合，实现一种工况下的流量特性，节流孔a2和节流孔a0可以组合成另一种节流孔组合，实现另一种工况下的流量特性。考虑到实际应用时的需求，直线流量特性属于比较常用的需求，因此可以将每列节流孔a0与每列节流孔a1中的节流孔数量、孔距均设置成相等的，两者形成的节流孔组合具有直线流量特性；而每列节流孔a0与每列节流孔a2的节流孔孔距设置成相等，但数量设置成不等，两者形成的节流孔组合具有非直线流量特性，具体选择何种特性可以根据需要调整，不做限定。

上述阀芯组件可安装在一个调节阀中使用，调节阀可以是具有直通式阀体、直流式阀体或角式阀体的调节阀，不做限定。此类调节阀中基本结构包括阀盖、阀体和上述任一实施例中的阀芯组件。其中，阀盖安装于阀体上，在阀体内部形成从阀门进口通向阀门出口的内部流道。阀芯组件设置于内部流道中，从阀门进口流入的流体，从内套筒3和外套筒15中重合的节流孔组合中流入阀芯组件，从内套筒3流体出入口中流出后从阀门出口排出。当然，在其他实施例中，如果流体流向是反的，则从阀门进口流入的流体，会从节流孔组合中流出阀芯组件，最后从从阀门出口排出。

该调节阀安装于待调节管路中使用，其进行流量特性调整时，基本步骤如下：

s1：根据目标工况，确定阀门所需满足的流量特性，然后通过第二致动件调整阀芯5向上移动到极限位置，并通过第一致动件使内套筒3和外套筒15相对转动，直至形成满足该流量特性的节流孔组合，使阀门进口和阀门出口的内部流道通过该节流孔组合连通；

s2：通过第二致动件驱动阀芯5上下运动，通过节流孔组合的流体流量与阀门开度间的关系即为阀门当前的流量特性；

s3：当目标工况发生变化时，重复s1～s2，调整阀门的流量特性满足新的目标工况需求。

在阀芯组件中，第一致动件和第二致动件的形式不限，可以采用机械控制结构、电磁控制结构等形式来实现，以能够驱动内套筒3和阀芯5为准。第一致动件和第二致动件可以是两个不同致动件，也可以是同一个致动件。考虑到制造方便，第一致动件和第二致动件优选采用阀杆来实现，阀杆通过轴向移动来驱动内套筒3和阀芯5轴向移动。阀杆可以是一条，也可以是多条，多条时可以考虑通过嵌套方式来实现。

下面以阀杆形式的致动件为例，结合附图说明阀芯组件与具体阀体的一种优选安装形式，以便于理解。

如附图4所示，在本实施例中，一种流量特性可变的调节阀，包括阀体2、内套筒3、阀杆4、阀芯5、阀盖7、密封填料9、填料压盖10、驱动手轮9和外套筒15；

其中，阀体2内部中空，有三个端口，包括阀门进口1、阀门出口6及安装口，阀门进口1及阀门出口6用于流体流入及流出阀门，阀门进口1经阀体2中腔的内套筒4、外套筒15与阀门出口6连通，阀门进口1与阀门出口6中心线位于同一条直线上；安装口用于向阀体2内安装阀内零部件；外套筒15及内套筒3同心安装于阀体2中腔，外套筒15两端分别于阀体2、阀盖7接触支撑，外套筒15与内套筒3间隙配合。

内套筒3顶部中心开有内套筒中心螺纹孔8，阀盖7中心开有内攻螺纹的通孔。第一致动件和第二致动件为同一条阀杆4，阀杆4的上部、中部和下部分别攻有上螺纹12、中螺纹13和下螺纹14。阀杆4从外部依次穿过阀盖7中心通孔、内套筒中心螺纹孔8，伸入阀芯组件中。阀杆4顶端通过外表面螺纹与驱动手轮11紧密连接，阀杆4的中螺纹13能与阀盖7中心通孔内螺纹相互啮合，构成驱动阀杆4和阀芯5轴向移动的螺旋副，阀杆4底部通过外表面螺纹与阀芯5紧密连接。

阀盖7与阀杆4间通过密封填料9和填料压盖10进行密封，填料压盖10中心开有螺纹孔，阀杆上螺纹12与填料压盖中心螺纹孔相啮合，阀盖7与阀体2间通过螺栓、螺母进行连接，填料压盖10与阀盖7间通过螺栓螺母进行连接。

通过旋转驱动手轮11，可使阀杆4带动阀芯5在内套筒3内部沿阀杆轴向上下移动。如附图5所示，阀芯5向上移动到极限位置时，阀芯5与内套筒3顶端相接触，同时阀杆下螺纹14与内套筒中心螺纹孔8相啮合，阀杆中螺纹13与阀盖7的中心通孔螺纹不再啮合，此时继续沿原方向旋转驱动手轮11，阀杆4将无法继续轴移动，但由于此时阀芯5顶部与内套筒3顶面接触，因此可以由阀杆4带动内套筒3绕阀杆4轴线进行旋转。外套筒15与内套筒3是通过间隙配合的，因此外套筒15保持固定，内套筒3相对于外套筒15发生旋转。

如附图2、3所示，外套筒15环向壁面上开有均匀分布的小孔，小孔的环向间距、轴向间距保持恒定，同时小孔轴向分布数量、环向分布数量保持恒定，外套筒15环向壁面上a0列的小孔数量、间距与内套筒3环向壁面上的奇数列a1的孔数、间距保持相等；内套筒3环向壁面上的小孔的环向间距为外套筒15小孔环向间距的一半；外套筒15与内套筒3小孔的轴向间距、直径相等，内套筒3环向壁面上的偶数列a2的小孔数量可根据流量特性需求自由调整。

外套筒15的a0列小孔与内套筒3的a1列小孔对齐时，可实现直线流量特性；旋转内套筒3后，外套筒15的a0列小孔与内套筒3的a2列小孔对齐时，可实现等百分比流量特性。

基于上述流量特性可变的调节阀的流量特性调整方法，其操作步骤如下，

(1)初始工况下，外套筒15的a0列小孔与内套筒3的a1列小孔对齐，满足初始流量特性要求，旋转驱动手轮11，使阀芯5上、下运动，阀门开度及通过阀门的流体流量随之变化，通过阀门的流体流量与阀门开度间的关系即为初始的流量特性。

(2)工况变化时，旋转驱动手轮11，使阀芯5向上移动到最大开度时的极限位置。

(3)当阀芯到达最大开度的极限位置时，阀杆下螺纹14与内套筒8中心螺纹孔紧密啮合，沿原旋转方向继续旋转驱动手轮11，旋转角度为外套筒环向壁面相邻两列小孔间的夹角，使外套筒15的a0列小孔与内套筒3的a2列小孔对齐。

(4)反向旋转驱动手轮11，使阀芯5向下运动，阀门开度及通过阀门的流体流量随之变化，通过阀门的流体流量与阀门开度间的关系即为新工况条件下阀门流量特性。

(5)当工况再次发生变化，重复步骤(2)-步骤(4)。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。