一种流量调节阀中抛物面阀芯的设计与流量计算方法

本发明属于流体调节阀相关，更具体地，涉及一种流量调节阀中抛物面阀芯的设计与流量计算方法。

背景技术：

1、在流体控制领域，通常会涉及到对某种流体的流量进行调节，例如在工业设备制冷系统中对制冷剂流量进行调节的装置。制冷剂在制冷系统中起到关键的换热作用，根据设备温度的不同，需要改变制冷剂流量的大小以调节制冷效果，防止设备因高温而失效甚至损坏，制冷剂流量的调节与控制精度直接影响到工业设备的安全性。二氧化碳作为一种天然介质，其绿色环保、无毒无污染，并且在超临界状态下具有高密度、低粘度、流动损失小、传热效果好等优点，更重要的是，超临界二氧化碳的潜热大、相转换热高，可以实现较高的换热效率与较好的冷却性能。因此，二氧化碳作为新型制冷剂被广泛用于制冷系统中。

2、在发明专利公布说明书cn101655173a中公开了一种尤其用于调节制冷系统流体流量的调节阀，这种调节阀将阀体插入管道的连接开口内，由电动机驱动活塞在连接开口的打开位置与阻塞位置之间进行调整，同时在活塞前表面具有多个小孔，以平衡流体施加至前表面的压力。这种流量调节阀的流道较为复杂，二氧化碳流经此调节阀活塞处的小孔时容易产生湍流，从而导致较大的压力损失，使二氧化碳发生不可控的相变，影响流量调节精度与制冷效果。因此不适用于二氧化碳介质的流量调节。

3、在发明专利cn113175532a中公开了一种用于流量调节设备的可调汽蚀文氏管，此种流量调节阀包括文氏管、差动变压位移传感器、驱动机构及控制器。阀芯穿过流道并抵接在差动变压位移传感器的感应端，驱动机构设置于阀芯另一端。控制器使驱动机构驱动阀芯移动，同时利用位移传感器实时获取阀芯的位置信息，实现对阀芯位移的闭环控制。发明专利cn112211751a中也公开了一种可调文氏管装置，这种可调文氏管将阀体分为两部分，第一阀体固定驱动电机，阀杆第一段与驱动电机相连，阀杆第二段为圆柱状，穿过第一阀体进入流道内部，阀杆第三段为圆锥状，可以插入第二阀体的文氏管中，利用驱动电机使阀芯轴向移动，实现流体流量大小的控制。

4、文氏管流量调节装置通过收缩扩张结构使喉道处流体的压力降低，产生汽蚀区，汽蚀区可以隔绝下游压力波动对上游压力的影响，同时使流量维持稳定。但是，以上两种可调文氏管流量调节装置中，首先，装置仅依靠阀体上的限位机构或通孔对阀杆进行支撑，则对于阀杆这种较为细长的结构，当流体从阀体侧面的入口流入时，会对阀杆产生较大的径向冲击力，使阀杆发生形变，进而使阀杆在文氏管喉道处偏离轴线位置，改变了阀口通流面积与流道的对称性，甚至出现卡滞而无法工作。其次，调节装置的阀杆均设计为圆锥状，这一形状在文氏管阀口处的最小通流面积与阀杆位移呈非线性关系，使不同阀杆位置的流量调节分辨率不一致，不利于流量调节装置的高精度调节，所以需要设计一种通流面积随阀芯位移线性变化的流量调节阀以提高流量控制精度。现有的流量调节阀流量计算公式如下：

5、

6、其中，qm为质量流量，cd为流量系数，a为通流面积，δp为入口压力与饱和蒸气压之差，ρ为流体密度。所以，当通流面积随阀芯位移线性变化时，质量流量也与阀芯位移呈线性关系，有利于流量的精确控制。但是，此流量公式仅适用于理想的不可压缩流体，对于二氧化碳而言，此介质在超临界态时具有较强的可压缩性，在流过文氏管线性流量调节阀时物理性质也会出现剧烈的变化，传统的质量流量计算方法并不适用于此类流量调节阀，该问题会对流量调节阀的控制精度产生较大影响。因此，亟需一种能解决上述问题的装置和方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种流量调节阀中抛物面阀芯的设计与流量计算方法，解决阀杆受流体径向冲击力下的形变问题，以及调节阀不同阀杆位置流量调节分辨率不一致的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种流量调节阀中抛物面阀芯的设计方法，该方法包括下列步骤：

3、s1设定阀芯在调节阀中的位移比，构建流量调节阀中通流面积和阀芯位移之间的关系式，以及阀芯处于流量调节阀中的最大和最小位移时满足的边界条件，由此获得不同阀芯位移下对应的流量调节阀的通流面积的关系式；

4、s2根据节流阀和阀芯的几何结构构建通流面积的几何关系式，由该通流面积的几何关系式获得阀芯的横截面型线满足的关系式；

5、s3将所述位移比离散为多个值，利用步骤s1获得阀芯位移下对应的通流面积的关系式计算获得不同的位移比对应的通流面积，将该通流面积带入步骤s2中所述阀芯的横截面型线计算获得不同位移比处阀芯型面上的点的坐标，将所有位移比下的阀芯型面上的点拟合为抛物线，该抛物线绕所述阀芯的中心轴旋转一周即获得所需的阀芯的旋转抛物面曲线。

6、进一步优选地，在步骤s1中，所述通流面积和阀芯位移之间的关系式按照下列进行：

7、

8、其中，a为通流面积；x为阀芯位移；k、b均为线性特性参数，amax是最大通流面积。

9、进一步优选地，在步骤s1中，所述边界条件按照下列进行：

10、

11、其中，amin、amax、xmin、xmax分别为最小通流面积、最大通流面积、最小阀芯位移、最大阀芯位移。

12、进一步优选地，在步骤s1中，所述不同阀芯位移下对应的流量调节阀的通流面积的关系式按照下列进行：

13、a＝[(t-1)·k+1]·amax

14、其中，a为通流面积；t为位移比，即当前阀芯位移与最大阀芯位移的比；k为线性特性参数，amax为最大通流面积。

15、进一步优选地，所述包络线满足的表达式按照下列进行：

16、

17、其中，f(l，α)是等面积曲线方程，l为阀芯型面上的点与喉道的径向距离；α为文氏管流道的收缩段和喉道交线上任一点与阀芯型面所做垂线与此交线所在平面的夹角；d为所述喉道直径；a为通流面积。

18、按照本发明的另一个方面，提供了上述所述的方法获得的阀芯，该阀芯的前端为旋转抛物面。

19、按照本发明的又一个方面，提供了具备上述所述的阀芯的流量调节阀，该流量调节阀中包括直线电机、主阀体、阀芯和文氏管，其中，

20、所述直线电机、主阀体和文氏管依次连接，所述阀芯设置在所述主阀体中，该阀芯的一端与所述直线电机的输出轴连接，另一端与所述文氏管配合，所述主阀体上设置由流体入口和流体通道，该流体通道与所述文氏管连接，流体从所述流体入口进入所述流体通道中，从所述文氏管中流出；

21、所述阀芯在所述流体通道中与所述文氏管配合，所述直线电机驱动所述阀芯做直线运动调整所述文氏管与所述阀芯之间的间隙，以此调整流体流出处的开度，进而实现流体流量的控制。

22、按照本发明的又一个方面，提供了一种上述所述的流量调节阀质量流量的计算方法，该计算方法包括下列步骤：

23、(a)根据质量流量公式和阀口界面处的流体流速公式，构建流量调节阀的流量模型；

24、(b)根据文氏管的几何结构构建在文氏管入口或出口处截面流体密度和压力的关系式，对该流体密度和压力的关系式带入所述流量模型中，即获得所需的质量流量。

25、进一步优选地，在步骤(a)中，所述流量模型按照下列关系式进行：

26、

27、

28、其中，qm为质量流量；cd为流量系数；ρ为流体密度；a(x)为通流面积，是关于阀芯位移x的函数；p1为入口处流体压力；t1为入口处流体温度；p2为阀口处流体压力；t2为阀口处流体温度；f(p,t)为流体密度的倒数关于压力的不定积分。

29、进一步优选地，在步骤(b)中，所述流体密度和压力的关系式按照下列进行：

30、

31、其中，ρ为流体密度；e为自然指数；k、a、b为流体密度-压力关系式的拟合参数，具体值应根据流量调节阀入口处对应的流体温度来拟合确定。

32、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

33、1.本发明中的阀芯的前端设计为旋转抛物面，这种旋转抛物面阀芯可以使通流面积与阀芯位移呈线性关系。由流量公式可以看出，压力温度工况一定时，若通流面积随阀芯位移线性变化，则质量流量也随阀芯位移线性变化，这一设计降低了流量控制难度，有利于流量的高精度控制，改善现有圆锥状阀芯不同位移范围流量调节分辨率不一致的问题。

34、2.本发明提供的二氧化碳文氏管线性流量调节阀通过直线电机使阀芯轴向移动，由此改变阀芯曲面部与喉道之间的最小通流面积，实现对二氧化碳流量的调节功能，流量调节阀内部流道设计为文氏管，减小流动阻力，降低压力损失，二氧化碳在文氏管喉道处发生汽蚀，使下游压力波动不会影响上游压力，避免下游负载的压力波动对流量调节的影响。

35、3.本发明提供的二氧化碳文氏管线性流量调节阀内部设置有阀套结构，对阀芯提供额外的支承与导向作用，提高阀芯的位移精度，流量调节阀阀芯调节段型面通过包络线法计算得到一旋转抛物面，并给出了具体计算步骤，这一方法可令调节阀阀芯位移与通流面积呈线性关系，使得调节阀工作范围内流量调节分辨率保持一致，提高流量调节阀的流量调节精度。

36、4.本发明针对二氧化碳在液态及超临界态物理性质变化剧烈以及可压缩性较强的特点，应用欧拉方程推导出普遍的伯努利方程，进而得到了适用于可压缩性流体的质量流量公式，通过对二氧化碳密度与压力的关系进行拟合、积分，得到了适用于二氧化碳介质的流量模型。此模型可根据通流面积及压力、温度等状态参数计算并预测流过调节阀的质量流量，提高调节阀的控制精度。