可变流道的三维立体节流装置及流体的节流方法与流程

1.本发明涉及节流装置领域，具体涉及可变流道的三维立体节流装置及流体的节流方法。


背景技术：

2.调节阀的作用是改变流体受到的流阻以达到控制流体的目的。流阻分为可变流阻和固定流阻，节流元件的固定流阻越小、可变流阻越大，则调节阀的可调比越大，可控压差范围越宽，调节阀的性能越好。大可调比调节阀、高压差可控调节阀、耐冲蚀、耐汽蚀调节阀、耐高温、低泄漏调节阀等等是各大调节阀厂家迫切需要解决的难题。
3.现有调节阀可分为单座阀、双座阀、蝶阀、偏心旋转阀、v型球阀等九大类，这些阀型不同程度的存在可调比小、耐压差能力差、易发生冲蚀、汽蚀、寿命短、硬密封内泄漏大、特性曲线非等百分比等各种缺陷。
4.现有各种阀型的调节阀都仅仅依靠改变其节流件的二维结构(即节流面积)，达到改变流阻的目的。当介质流过节流口时，其速度急剧增加，压力急剧下降，当压力低于饱和蒸汽压时，液体就会闪蒸出气体，形成气、液双相流体。气体裹挟着未气化的液滴，以极高的速度撞击阀芯，对阀芯造成了巨大的破坏，这种破坏过程类似于喷砂过程。
5.当气液流过节流口时，速度逐渐下降，压力也逐渐恢复，当压力大于饱和蒸汽压时，气泡破裂，四周的液体以很快的速度来填充气泡所占的空间，在液体内部发生猛烈的撞击，在小范围内压力可以达到几千个大气压，瞬间产生的强大冲击波会对阀芯表面产生极大的破坏作用，它和气液流的“喷砂”过程联合作用，使阀芯表面产生蜂窝状的凹坑，从而在很短的时间内造成严重的物理损伤，整个过程伴随有较大的震动和噪音。
6.传统结构调节阀是靠与密封面接近的节流面积实现控制，小开度运行时，密封面直接参与节流，非常容易被破坏而失效，密封寿命短，硬密封内漏大。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是将二维平面节流变为三维立体节流，提高节流元件的可调比，避免节流过程中因介质压力的剧烈变化而产生的冲刷、汽蚀、闪蒸对节流元件造成损坏，以提高节流元件的使用寿命，目的在于提供可变流道的三维立体节流装置及流体的节流方法，变平面节流为全流道三维节流，解决了节流过程中因介质压力剧烈变化而产生冲刷、汽蚀、闪蒸，对节流元件密封面造成破坏，导致节流元件寿命短的问题，大幅度降低流体通过节流口的速度，并且节流元件能很好的通过颗粒介质。
8.本发明通过下述技术方案实现：
9.第一方面提供可变流道的三维立体节流装置，包括阀芯和阀座，上述阀芯为回转体，上述阀芯与阀座滑动连接，上述阀座中心设置有通道，上述阀芯设置有三级流道，上述三级流道包括第一级流道、第二级流道和第三级流道，上述第二级流道贯穿阀芯，上述第一级流道和第三级流道分别设置于靠近第二级流道两端部的阀芯外壁上，且上述第一级流道
和第三级流道均与第二级流道连通；
10.自上述通道流向第一级流道的流体入口为第一节流口，自上述第三级流道流向通道的流体入口为第二节流口，转动上述阀芯时，上述第一节流口和第二节流口的尺寸同时发生变化，用于流体流经的第一级流道和第三级流道的长度和流体方向发生改变。
11.进一步的，在所述第一级流道朝向与其最接近的第二级流道的端部方向上，第一级流道的径向截面面积逐渐变大。
12.进一步的，在所述第三级流道朝向与其最接近的第二级流道的端部方向上,第三级流道的径向截面面积逐渐变大。
13.上述第一级流道和第三级流道均为越靠近第二级流道截面积越大，越远离第二级流道截面积越小，第一级流道和第三级流道中心线均为渐开线；第一级流道流体是扩张过程，第三级流道流体是收缩过程，第一级流道和第三级流道任意截面与相邻截面的面积都不同，使流体流经流道的长度越长则流阻越大，反之流道的长度越短则流阻越小。第一级流道和第三级流道截面的中心线均为渐开线，流体进入流道与离开流道呈现一个夹角，夹角越大流场的流线出现交叉线越多，则流阻越大，反之夹角越小流阻越小。
14.上述阀芯处于节流状态时，流体从上述阀座的通道流入阀芯的三级流道并经通道流出时，要经过第一节流口，流场由于流通面积缩小而产生流阻，流通面积越小则流阻越大；当流体进入第一级流道，整个第一级流道都是扩张状态，且流体流动方向发生改变，使经过的流道越长则流体的扩张作用越明显，流体的碰撞也越严重，在双重作用下流阻也越大；当流体从第一级流道进入第二级流道，第二级流道不起变流阻的作用，但起到从第一级流道到第三级流道的过桥作用；当流体进入第三级流道，整个第三级流道都是收缩状态，且流体流动方向发生改变，使经过的流道越长则流体的收缩作用越明显，流体的碰撞也越严重，在双重作用下流阻也越大；流体从第三级流道经过第二节流口，流场由于流通面积扩大造成流场剧变而产生流阻，流通面积变化率越大则流阻越大；本发明改变了以往各种调节阀仅仅依赖改变流通面积的二维节流方法，把节流扩展到三维的全流道中，这样不但能把可调比大大提高，而且降低了流速，并把容易损坏节流面的高压差分散到全流道中，大大延长了节流件使用寿命。
15.当行程角变大时，第一节流口和第二节流口节流面积均变大；第一级流道和第三级流道均变短，节流作用变弱；可变流道(指第一级流道和第三级流道)进出流体的角度变小使流体发生碰撞的几率下降，在这三重作用下流阻大大下降。反之在行程角变小时同样在这三重作用下流阻大大上升。这种三维节流方式流阻变化率的绝对值远高于二维节流方式。采用这种三维节流方式调节阀的可调比远大于普通调节阀可调比。
16.本三维节流方式与传统的二维节流方式相比，在同样的参数下实验，实验条件：实验管道内径为dn25，节流件两端的压差15mpa，流量每小时40立方米，实验介质是水，实验结果：前者流道中最高流速100米/秒，后者在密封面处流速达到260米/秒，后者对流道的冲蚀能量是前者的7倍，前者几乎不产生汽蚀，后者汽蚀较严重。采用三维节流可以明显提高节流装置使用寿命。
17.进一步的，上述第一级流道和第三级流道在阀芯外壁上呈一弧面凹槽，越靠近第二级流道截面积越大，越远离第二级流道截面积越小，横截面中心线连线为渐开线，上述第二级流道为直道结构。
18.进一步的，所述第一级流道和第三级流道设置于阀芯相对应的两侧。
19.进一步的，所述通道与第二级流道的径向截面相同。进一步的，所述阀芯外壁上还设置有用于与阀座抵接的密封面，用于在转动所述阀芯后密封面与阀座抵接完成密封；所述密封面设置于第一级流道、第三级流道的旁侧；所述阀座通道在行程角为0度时包围的球面为密封面，所述密封面包括前密封面和后密封面，当阀芯的行程角为0度时，通道被阀芯完全切断。
20.第二方面提供流体的节流方法，采用所述可变流道的三维立体节流装置对流体进行节流，所述流体的节流方法包括以下步骤：
21.改变行程角，转动所述阀芯，
22.若所述行程角减小，则所述第一节流口和第二节流口的面积减小，用于所述流体流经的第一级流道和第三级流道的长度变长；
23.若所述行程角增大，则所述第一节流口和第二节流口的面积增加，用于所述流体流经的第一级流道和第三级流道的长度变短。
24.进一步的，所述行程角为0度时，所述密封面与阀座抵接完成密封；所述行程角为最大角度时，所述第二级流道与通道的径向截面的法线重合。
25.进一步的，所述行程角改变时，流经所述第一级流道和第三级流道的流体方向不断改变。
26.转动上述阀芯，使行程角变小时，上述流体从阀座通道流入第一节流口，第一节流口的流通面积缩小，流阻增加；第一级流道和第三级流道变长，第一级流道流体的扩大作用增强，第三级流道流体的收缩作用增强，流阻增加；流体进第一级流道和出第一级流道产生的夹角变大，流体出第三级流道和出第三级流道的夹角也变大，流线产生交叉的几率增加，流体能量在碰撞中消耗一部分，流速下降，同时流阻增加；第二节流口流通面积减小，流阻增加；总流阻大大增加；反之行程角变大时，过程与上述行程角变小完全相反，流阻大大减小。在二维节流时节流面流场会发生剧烈收缩然后剧烈膨胀，使流速剧烈上升再剧烈下降，引起节流面汽蚀和冲蚀，高压差时寿命很短；采用三维节流是全流道节流，最高流速上升较小，几乎不产生汽蚀，由于流速低，冲蚀能量是以流速的平方降低的，而且分散在整个流道中，即使工作在高压差场所寿命也很长。
27.因阀座通道与第二级流道的径向截面相同，形状完全重合，当行程角最大时，上述第二级流道与阀座通道直接连通，第一节流口和第二节流口不再起到节流作用，流体不再经过第一级流道和第三级流道，整个流道为直通结构，流阻降到最低。当行程角最小(0
°
)时，阀座通道与前密封面和后密封面完全啮合成为过盈配合，两个密封面在流道中成串联结构，阀座通道中的流体既不能通过前密封面进入第一级流道，即使通过了前密封面也无法通过后密封面进入后端阀座通道，阀门被严密关死。所以三维节流不但用于调节时特性优秀，而且用于开关时特性也十分优秀。在某些既要满足调节又要满足切断的场合，传统的二维节流方式需要一台调节阀与一台开关阀串联，若采用三维节流方式只需要一台调节阀，就能既满足调节又满足切断，大大降低了设备投资。
28.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
29.1、与现有的常规调节阀节流方式相比：
30.现有的常规调节阀分为：单座阀、双座阀、套筒阀、隔膜阀、角阀、y型阀、蝶阀、v型
球阀、偏心旋转阀等九大类，这九大类调节阀的节流方式无一例外都是通过调节节流面积(二维节流方式)实现的，普遍存在的问题是：可调比小、可靠性差。各种阀型的特殊性问题如单座阀、隔膜阀、角阀、y型阀、蝶阀、v型球阀、偏心旋转阀不耐压差；双座阀不耐高温、泄漏大；套筒阀易堵塞；隔膜阀的隔膜片易折断等等各种缺陷。而本发明三维节流方式就是克服上述所有缺陷的节流方式，不但可调比大、寿命长，而且耐压差、耐高温、耐汽蚀、耐冲蚀、泄漏小，不会堵塞，全开时(行程角最大时)为直通结构，流阻小，既适合做调节阀，又适合做开关阀。
31.2、与特殊调节阀的节流方式相比较
32.特殊调节阀一般是指普通调节阀无法使用的高压差场合，通常指迷宫式调节阀和多级密封调节阀这二种形式。这二种形式也都是整个流道参与节流，但从原理来说这二种调节阀的节流方式仍然属于二维节流。
33.迷宫式调节阀的流道实际是一个流阻固定的迷宫加上一个流阻可变的节流面构成，这种方式的原理是把高压差的能量消耗在迷宫中，以降低流速，使流体降低被二维节流面控制的难度。由于二维节流面本身的流阻较小，又串了一个较大的固定流阻，所以迷宫式调节阀最大的缺点就是可调比小，很多要求可调范围较大的场合无法使用。另外迷宫内部流道复杂，有很多大角度转弯，流体会产生旋涡和死角，用于不干净介质时很容易堵塞。
34.多级密封调节阀的流道相当于多个单座阀阀芯阀座同向串联，在理想状态总压差会平均分配到每组阀芯阀座上去，以降低流速。由于是有限个二维的节流面相互配合，所以仍然是二维节流，理论上可调比可以与单座阀一致。但由于每组阀芯阀座的相对位置全部统一，如果阀芯与阀体的膨胀系数不同，造成有的阀芯阀座阻尼大，有的阀芯阀座阻尼小，阻尼大的首先被冲蚀汽蚀损坏，造成阀芯阀座全部失效。密封面与阀座同向配合极易造成温度上升引起单个密封面与阀座接触，其他密封面全部脱开引起泄漏量增加。
35.本发明三维节流是由全流道的无限多个节流面所组成，流道中没有固定流阻，而第一节流口、第二节流口、第一级流道和第三级流道均为大范围变流阻元件，用三维节流方式做成的调节阀可调比是上述二种特殊调节阀的几十倍；本三维节流的流道呈弧形变向，无死角，不易发生堵塞。即使流道发生堵塞，控制系统存在的负反馈机制一定会控制行程角变大，使流阻减小，堵塞物体只要直径小于第二级流道直径，就会被流体冲走，所以本三维节流具有自洁作用。与多级节流的节流面积由直行程控制不同，三维节流的节流面积是角行程控制，温度造成阀芯膨胀影响节流面积是完全对称的，不会引起单边冲蚀，由于第一级流道和第三级流道的形状是不受温度影响，所以流速不会有很大改变，冲蚀和汽蚀的温度影响可以忽略不计。前密封面和后密封面与阀座的相对位置互为反向配合，不存在温度引起单边接触，保证了泄漏率不因温度变化而上升。
附图说明
36.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
37.图1为全关状态结构示意图；
38.图2为小开度状态时的结构示意图；
39.图3为大开度状态时的结构示意图；
40.图4为全开状态时的结构示意图；
41.图5为图2中a的局部放大图；
42.图6为图2中b的局部放大图；
43.图7为图3中a’的局部放大图；
44.图8为图3中b’的局部放大图；
45.图9为角行程变大时的流体方向图；
46.图10为阀芯的结构示意图；
47.图11为节流装置的整体结构示意图；
48.图12为实施例4提供的采用dn150的电动调节阀，其额定cv＝520，实测cv＝538.5的流量特性曲线；
49.图13为实施例4提供的采用dn150的电动调节阀，其额定cv＝520，实测cv＝545.7的流量特性曲线；
50.图14为实施例4提供的采用dn150的电动调节阀，其额定cv＝520，实测cv＝541.3的流量特性曲线；
51.图15为实施例4提供的采用dn150的本发明与二维节流阀的流量特性曲线。
52.附图中标记及对应的零部件名称：
53.11-通道，21-第一级流道，22-第二级流道，23-第三级流道，24-前密封面，25-后密封面，31-第一节流口，32-第二节流口。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
55.本发明适合于气体、液体、气液双相流体、气体固体混合流体、液体固体混合流体等各种流体的精确控制。
56.实施例1
57.如图1至图9、图11所示，本实施例1提供了可变流道的三维立体节流装置，包括阀芯和阀座，上述阀座固定于阀体、前阀座和后阀座，上述阀芯设置于阀体内，上述阀芯为回转体，上述阀芯与阀座滑动啮合，上述阀体外设置有用于转动上述阀芯的执行机构，上述阀座设置有通道11，上述阀芯设置有三级流道，上述阀芯外壁上设置有第一级流道21和第三级流道23，上述阀芯内设置有第二级流道22，上述第二级流道22贯穿阀芯，上述第一级流道21和第三级流道23分别设置于靠近第二级流道22两端部的阀芯外壁上，且上述第一级流道21和第三级流道23均与第二级流道22连通；
58.自上述通道11流向第一级流道21的流体入口为第一节流口31，自上述第三级流道23流向通道11的流体入口为第二节流口32，当转动上述阀芯时第一节流口31和第二节流口32的面积发生变化，用于流体流经的第一级流道21和第三级流道23的长度也发生改变。
59.上述阀芯绕轴线转动，当行程角减小时流体从上述阀座的通道11流入阀芯的三级流道时，由于流场在第一节流口31收缩，在第一级流道21放大，在第三级流道23收缩，在第二节流口32放大，流体在流场中多次发生自身碰撞，导致小开度(行程角小)时流阻极大(cv
值变小)。由于是全流道节流，流体的流速不因开度的减小而增加，避免小开度时节流装置发生冲蚀和汽蚀，延长节流装置的寿命。
60.当行程角变大时，第一节流口31的节流面积增大，流体流经第一级流道21的距离变短，使流体流经第一级流道21的流阻变小；第一级流道21内的流体流入第二级流道22，上述第二级流道22内的流体方向与阀座轴线夹角逐渐变小；上述第二级流道22内的流体流入第三级流道23，因第一级流道21与第三级流道23设置于阀芯外壁，且分别设置于靠近第二级流道22两端部且对应的侧面，故而当行程角变大时，第二节流口32节流面增大，流体经过的第三级流道23变短，使流体流经第三级流道23的流阻变小，因而全流道整体流阻变小。
61.上述三维节流的流道设计实现了在行程角变大(小)时，流阻变小(大)的功能，与单一改变截流面积从而改变流阻的方式相比，本发明大大提高了节流装置的可调比，使原先在二维节流无法实现的高可调比得以实现；在三维节流过程中，流体的流速明显低于二维节流，且在小开度时流速不发生剧烈变化，大幅度减少了冲刷和汽蚀，明显延长了节流装置的使用寿命。
62.具体的实施例，上述阀芯除三级流道部分外为完整球体。在流道中心线构成的平面与完整球面的交界部分是密封面，分为前密封面24和后密封面25。当行程角为0度时，上述前密封面24与前阀座紧密啮合，上述后密封面25与后阀座紧密啮合，通道11被阀芯完全切断。由于两个密封面在通道11中为一前一后的串联连接，正常工作时两级串联密封的泄漏量要远远小于一级密封。如果两级密封中其中一级损坏，另一级密封仍能起到一级密封的效果。所以采用本发明不但可用于调节阀，还可用于切断阀，在某些既需要调节又需要切断的场所，采用本发明的调节切断阀可明显降低阀门总数，大大降低投资成本。
63.具体的实施例，上述第一级流道21和第三级流道23的节流面的形状包括三角型、u型、梯型、半圆型、方型其中任意一种。
64.实施例2
65.上述行程角为0度时，上述前密封面24与前阀座抵接完成密封，上述后密封面25与后阀座抵接完成密封；上述行程角为最大时，上述第二级流道22与通道11直接相连。由于第二级流道22与通道11的截面积、形状和方向完全相同，流体流过第二级流道22流阻很小，所以本发明既可以作为调节阀的核心部件，也可以作为切断阀的核心部件，更可以作为调节切断阀的核心部件。
66.实施例3
67.如图1所示，当角行程为0度时，节流装置处于全关状态，此时阀芯的前密封面24和后密封面25完全堵住阀座的通道11，通道11完全被阀芯切断。
68.如图2、图5、图7所示，从行程角为0度开始，当阀芯被打开，上述节流装置进入小开度调节状态，流体从前阀座的通道11经过阀芯的三维流道流入后阀座的通道11，在阀芯打开后，流体需经过三维节流，全流道的无数个节流面均参与了节流。上述流体从前阀座的通道11流入流道，其中第一节流口31和第二节流口32均为窗口节流，第一级流道21和第三级流道23为全流道的收缩、扩张和流体碰撞节流，第二级流道22为控制流体方向和过桥。
69.如图2至图3所示，上述流体在进入三级流道，与前面的描述一致，第一节流口31、第一级流道21、第二级流道22、第三级流道23和第二节流口32均处于高流阻状态，导致整个流道处于高流阻状态，随着如图所示阀芯顺时针转动，行程角逐渐变大，第一节流口31、第
一级流道21、第二级流道22、第三级流道23和第二节流口32的流阻均下降，导致整个流道的流阻下降；当行程角达到最大时，如图11所示，通道11和第二级流道22直接对接，整个节流装置就相当于一根直通管道，流阻最小。
70.如图9所示，具体的实施例，整个节流过程共分为五段：
71.(1)当流体从通道11经过第一节流口31时流场收缩，为改变节流面面积节流；
72.(2)当流体从第一级流道21通过时，每一个节流面与相邻的节流面的面积不同，相邻两个节流面的法线方向也不同，流体流经每个节流面不但有节流面积的扩大引起的流阻，还有节流面法线方向的变化造成流体碰撞引起的流阻；
73.(3)流体流经第二级流道22时，行程角小时，流体方向与通道11方向形成的夹角增大。第二级流道22改变了流体流动方向，使得节流流道得以延长，为后面第三级流道23、第二节流口32的节流打下基础；
74.(4)当流体从第三级流道23通过时，每一个节流面与相邻的节流面的面积不同，相邻两个节流面的法线方向也不同，流体流经每个节流面不但有节流面积的缩小引起的阻尼，还有节流面法线方向的变化造成流体碰撞引起的阻尼；
75.(5)流体从第三级流道23流入通道11时，节流面面积剧烈放大，为改变节流面面积节流。
76.当行程角变大时，(1)、(5)二者为改变节流面面积节流，是因流通面积变大，导致流阻变小；(3)、(4)二者为流道节流，是因跳过了产生流阻最大的末端，从而流道变短，造成流阻成指数下降。
77.当行程角增加到全开位置时，通道11与第二级流道22完全重合，流通面积相同、形状相同、流体方向相同。流体流经(1)、(3)、(5)为直通状态，流体不经过(2)、(4)流道节流，产生的阻尼最小。
78.本发明是把传统的单一节流面变成了三维全流道节流，把流体的压差分散在整个流道中，不但降低了流道平均流速，而且全流道的流速较平衡，大大降低了最高流速。这不但减少了冲刷、汽蚀的影响，提高了寿命，还极大的提高了可调比，使性能大大提高。
79.实施例4
80.抽样三台采用本发明生产的调节阀，根据以下实验数据，本发明实现了优于其他二维节流的效果。
81.如图12所示，本发明采用dn150的电动调节阀，其额定cv＝520，实测cv＝538.5的相对行程与相对流量系数的关系如表1所示：
82.表1
[0083][0084]
如图13所示，本发明采用dn150的电动调节阀，其额定cv＝520，实测cv＝545.7的相对行程与相对流量系数的关系如表2所示：
[0085]
表2
[0086][0087]
如图14所示，本发明采用dn150的电动调节阀，其额定cv＝520，实测cv＝541.3的相对行程与相对流量系数的关系如表3所示：
[0088]
表3
[0089][0090]
如图15所示，同口径采用本发明的万能阀与采用传统二维节流方式的单座阀实测曲线对比，体现了本发明在相对行程增大时，相对流量系数呈持续增长的趋势，具有更好的节流效果。
[0091]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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保护范围之内。