一种流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于高压气体流量调节相关技术领域，其公开了一种流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法，所述控制装置包括流量控制阀，所述流量控制阀包括阀体

【技术实现步骤摘要】
一种流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法


[0001]本专利技术属于高压气体流量调节相关
，更具体地，涉及一种流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法
。

技术介绍

[0002]气动技术是以压缩机为动力源，以压缩气体为工作介质，进行能量传递和信号传递的工程技术，是实现各种生产控制
、
自动控制的重要手段之一
。
气动技术由于快速性好
、
结构简单
、
使用维护方便，在工业部门得到广泛应用
。
[0003]目前，低压气动元件
(
工作压力低于
1.0MPa)
的研究设计已经比较成熟，而高压气动元件的研究和应用则还比较少
。
随着各个行业特别是国防工业对系统高速度
、
高压的要求不断增加，同时也由于高压气动技术可以有效改善气动系统动态性能和刚度，具有输出力系统重量比小，可以实现高速化和元件小型化，从而节省安装空间等优点，高压气动技术越来越受到重视
。
[0004]现有高压流量调节阀受下游压力影响大，且阀芯位移和阀口最小过流面积呈非线性，所以流量和阀芯位移无法达到线性化
。
[0005]气体流量调节阀通用质量流量计算公式如下：
[0006]Q
＝
C
d
AP
u
ψ
(P
u
,P
d
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0007][0008]其中，
Cd
为流量系数，
A
为调节阀有效过流面积
(m2)
，
Pu
为调节阀的上游压力
(Pa)
，
Pd
为调节阀的下游压力
(Pa)
，
k
为气体绝热指数，
R
为通用气体常数
(J/(kg*K))
，
T
为调节阀的入口温度
(K)
，
σ
为临界压力比
。
[0009]其中式
(2)
中下游压力和上游压力比小于临界压力比时，称其流动状态为壅塞流状态
。
[0010]由式
(1)、
式
(2)
可知，对于一般气体流量调节阀，当下游压力和上游压力比大于临界压力比时，质量流量和下游压力有关，因此下游压力波动会导致流量不稳定
。
[0011]专利“一种高压气体流量控制装置”提供了一种高压气体流量控制装置，该专利通过控制阀芯位移来实现调节流量
。
该装置有以下缺点，锥面阀芯和锥面阀座所形成的最小过流面积和阀芯位移呈非线性关系；阀芯具有较大轴向孔，导致阀口型面连续性差，对流场干扰大，不利于阀口流速达到音速，最终导致流量和开度呈非线性关系
。
[0012]李清廉等申请的专利“连续可调音速喷嘴”提供了一种连续可调音速喷嘴，该专利通过丝杠调节塞锥轴向位移以达到调节喉部面积的目的
。
该装置有以下缺点，在高压情况下阀芯所受气压力不平衡，不易控制；喉部面积远小于进出口面积，在相同流量下尺寸过
大，喉部和扩张段也使得该装置的轴向尺寸大，无法满足轻量化
、
小型化需求
。
[0013]因此，在天燃气输送
、
氢能源汽车
、
航空航天与国防军事领域，针对上述问题，需要开发一种流量线性可调高压气体控制装置
。
这对高压工况下实现流量线性调节具有十分重要的意义和工程应用价值
。
[0014]随着计算机技术的不断发展，
CFD(
计算流体力学
)
软件的不断应用于产品设计工作中，日益成为不可或缺的设计辅助工具
。
在实物制作出来前便能了解其大致性能，实现仿真指导设计，仿真驱动设计
。
[0015]一种流量线性可调高压气体控制装置的关键在于流量控制阀主流道的结构参数，然而对于传统的优化方法，逐个对参数进行变化并仿真计算，有着步骤繁琐
、
优化周期长
、
优化效果不直观等缺点
。

技术实现思路

[0016]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法，其将流量控制阀和电动直驱减压阀连接进而控制流量控制阀的阀口开度，改变阀芯与阀座之间的过流面积，实现气体流量的连续控制，并通过将阀体入口设置有扩张段来提高收缩喷管入口压力，通过响应面优化分析方法对流量控制阀主流道进行优化设计，使其达到设计要求，所述气体控制装置可以实现流量大范围线性可调，针对流量线性可调高压气体控制装置的优化设计方法有效且可行
。
[0017]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种流量线性可调高压气体控制装置，所述控制装置包括流量控制阀，所述流量控制阀包括阀体
、
阀座及阀芯，所述阀座设置在所述阀体的一端内，所述阀芯的一端穿过所述阀体远离所述阀座的一端后伸入所述阀座内，且与所述阀座活动连接；
[0018]所述阀体开设有依次相连通的一阶孔
、
二阶孔及三阶孔，所述阀体的外周还开设有阀体入口，所述阀体入口与所述二阶孔相连通；所述阀座设置在所述一阶孔内，其开设有第三轴向孔，所述第三轴向孔的内壁面为圆弧收敛状内型面；所述阀芯包括前端，所述前端呈锥面，其外表面为二次多项式型面；所述前端部分的收容于所述第三轴向孔内；所述阀芯通过移动来改变所述前端与所述阀体入口的相对位姿及所述前端与所述第三轴向孔的相对位姿
。
[0019]进一步地，二次多项式型面对应的型面公式为
y
＝
‑
0.004038x2+0.5625x。
[0020]进一步地，所述阀体入口形成有扩张角，其内壁面呈喇叭状
。
[0021]进一步地，所述阀体的外周还开设有第一孔道
、
第二孔道及第三孔道，所述第一孔道与所述二阶孔相连通，所述第二孔道及所述第三孔道均与所述三阶孔相连通，所述阀体还开设有第四孔道，所述第四孔道贯穿所述三阶孔的孔壁，使得所述第四孔道与所述三阶孔相连通
。
[0022]进一步地，所述装置还包括电动直驱减压阀
、
泄压平衡阀及截止阀，所述第一孔道与所述电动直驱减压阀的入口相连通，所述电动直驱减压的出口与所述第四孔道相连通；所述泄压平衡阀的入口与所述第三孔道相连通，所述第二孔道与所述泄压平衡阀的出口相连通；所述第二孔道与所述截止阀的入口相连通，所述截止阀的出口连通大气
。
[0023]进一步地，所述流量控制阀还包括上端盖
、
控制弹簧
、
阀套端盖及下端盖，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种流量线性可调高压气体控制装置，其特征在于：所述控制装置包括流量控制阀，所述流量控制阀包括阀体
、
阀座及阀芯，所述阀座设置在所述阀体的一端内，所述阀芯的一端穿过所述阀体远离所述阀座的一端后伸入所述阀座内，且与所述阀座活动连接；所述阀体开设有依次相连通的一阶孔
、
二阶孔及三阶孔，所述阀体的外周还开设有阀体入口，所述阀体入口与所述二阶孔相连通；所述阀座设置在所述一阶孔内，其开设有第三轴向孔，所述第三轴向孔的内壁面为圆弧收敛状内型面；所述阀芯包括前端，所述前端呈锥面，其外表面为二次多项式型面；所述前端部分的收容于所述第三轴向孔内；所述阀芯通过移动来改变所述前端与所述阀体入口的相对位姿及所述前端与所述第三轴向孔的相对位姿
。2.
如权利要求1所述的流量线性可调高压气体控制装置，其特征在于：二次多项式型面对应的型面公式为
y
＝
‑
0.004038x2+0.5625x。3.
如权利要求1所述的流量线性可调高压气体控制装置，其特征在于：所述阀体入口形成有扩张角，其内壁面呈喇叭状
。4.
如权利要求1所述的流量线性可调高压气体控制装置，其特征在于：所述阀体的外周还开设有第一孔道
、
第二孔道及第三孔道，所述第一孔道与所述二阶孔相连通，所述第二孔道及所述第三孔道均与所述三阶孔相连通，所述阀体还开设有第四孔道，所述第四孔道贯穿所述三阶孔的孔壁，使得所述第四孔道与所述三阶孔相连通
。5.
如权利要求4所述的流量线性可调高压气体控制装置，其特征在于：所述装置还包括电动直驱减压阀
、
泄压平衡阀及截止阀，所述第一孔道与所述电动直驱减压阀的入口相连通，所述电动直驱减压的出口与所述第四孔道相连通；所述泄压平衡阀的入口与所述第三孔道相连通，所述第二孔道与所述泄压平衡阀的出口相连通；所述第二孔道与所述截止阀的入口相连通，所述截止阀的出口连通大气
。6.
如权利要求5所述的流量线性可调高压气体控制装置，其特征在于：所述流量控制阀还包括上端盖
、
控制弹簧
、
阀套端盖及下端盖，所述阀座
、
所述阀芯
、
所述阀套
、
所述控制弹簧及所述阀套端盖分别设置在所述阀体内，所述阀芯的一端依次穿过所述阀套端盖
、
所述控制弹簧
、
所述阀套后伸入所述阀座内，另一端收容于所述下端盖内
。7.
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高隆隆，李宝仁，严伊豪，杜经民，杨钢，傅晓云，赵祉昕，游志威，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：