一種具有喉口插板的喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流體控制和測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有喉口插板的喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴。
【背景技術(shù)】
[0002]臨界流文丘里噴嘴被廣泛應(yīng)用于流體流量的控制和測量。對于特定流體，流經(jīng)臨界流文丘里噴嘴的流量由噴嘴進(jìn)口流動(dòng)參數(shù)和噴嘴喉口面積決定，而不受下游壓力波動(dòng)的影響。對于傳統(tǒng)的臨界流文丘里噴嘴，有著固定的喉口面積，當(dāng)需要改變臨界流量時(shí)，只能通過改變噴嘴進(jìn)口處流體的參數(shù)，如滯止壓力，溫度等。但是當(dāng)改變進(jìn)口參數(shù)時(shí)，背壓比會隨之發(fā)生變化，甚至不能滿足臨界流條件。另一方面，臨界流文丘里噴嘴的流出系數(shù)是喉口雷諾數(shù)的函數(shù)，對于高雷諾數(shù)，其流量系數(shù)基本為常數(shù)，此時(shí)利用一維非粘性方程來計(jì)算文丘里噴嘴的臨界流量是可行；但是對于低雷諾數(shù)流體，流量系數(shù)隨雷諾數(shù)變化較明顯，這樣通過計(jì)算得到臨界流量就會有較大的誤差，甚至在臨界壓力比以下時(shí)其流量也會受到下游壓力波動(dòng)的影響。因此，為了得到較小的臨界流控制流量，需要更換具有小喉口直徑的臨界文丘里噴嘴，其操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，降低了工作效率。所以本文的主要目的就是設(shè)計(jì)一種新型的喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴，擴(kuò)大臨界流流量控制和測量的范圍。
[0003]常見的改變文丘里喉口面積的方式是在其內(nèi)部插入一個(gè)中間體，該中間體與文丘里的內(nèi)壁面相配合形成面積可變的環(huán)形流道。該中間體可以是圓柱形也可以是圓錐形:對于具有圓柱形中間體的變喉口面積文丘里，需要通過更換不同直徑大小的中間體來獲得不同的流通面積；而對于具有圓錐形中間體的變喉口面積文丘里，通常需要通過調(diào)節(jié)裝置控制中間體或者文丘里的移動(dòng)，使兩者在軸向上發(fā)生相對位移，從而增加或者減小流道流通面積。美國專利US2552497，US5880378，US 6405577中介紹了這種類型的變喉口面積文丘里。但是這種結(jié)構(gòu)由于中間體的存在，使得其流道動(dòng)力學(xué)特性較差，同時(shí)也會破壞文丘里擴(kuò)散段的壓力恢復(fù)作用，導(dǎo)致較大的壓力損失和寄生震蕩。尤其對于圓柱形中間體，當(dāng)調(diào)節(jié)噴嘴喉口面積時(shí)需要中斷流體流動(dòng)更換不同尺寸中間體，這不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且還存在許多工藝流程不允許斷流的情況，限制了其應(yīng)用范圍。
[0004]另外一種改變喉口面積的方式是彈性壁面式，即文丘里噴嘴的壁面或者壁面內(nèi)層是由彈性材料構(gòu)成，該彈性壁面通過機(jī)械作用或者是第二種控制流體的壓力作用發(fā)生形變，使得流體流道面積發(fā)生變化。美國專利US 4096211和US4586873中介紹了這種類型的變喉口面積文丘里。這種方式盡管能保持較好的流道動(dòng)力學(xué)特性，但是彈性材料很容易受到流經(jīng)的氣體(或者氣液兩相流體)的侵蝕作用，尤其是當(dāng)工作溫度較高時(shí)，彈性性能變差，在收縮時(shí)表面會出現(xiàn)“褶皺”現(xiàn)象，影響流道面積的控制，進(jìn)而對流量控制也會出現(xiàn)較大誤差。
[0005]其他改變文丘里噴嘴喉口面積的方式還有活動(dòng)壁面或活動(dòng)喉口式。美國專利US4056583所述的變喉口面積文丘里噴嘴，是在矩形管道的兩側(cè)設(shè)置扇形凹腔，該凹腔中具有機(jī)軸支撐的可活動(dòng)的文丘里形狀的壁面，通過調(diào)節(jié)桿調(diào)節(jié)它們的轉(zhuǎn)動(dòng)可以改變喉口面積。而在美國專利US 8464582中所述的變喉口面積文丘里噴嘴是在噴嘴的喉部安裝兩個(gè)凸輪式的機(jī)構(gòu)，通過控制它們的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其進(jìn)入喉口部分的體積產(chǎn)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)流道的流通面積。這種活動(dòng)壁面式活動(dòng)喉口的變面積文丘里的流道是非圓管道，尤其在非圓形喉部會產(chǎn)生比圓形喉部較多的流動(dòng)死角，流體流動(dòng)性能較差。
[0006]在工程中還有組合式的變面積文丘里噴嘴，即由多個(gè)小型的文丘里噴嘴并聯(lián)代替一個(gè)大的噴嘴，在工作過程中通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制小型噴嘴開關(guān)和閉合的個(gè)數(shù)，來改變噴嘴組合的流通面積。由于這種方法會使得裝置體積龐大，并且異常復(fù)雜，目前在工程中應(yīng)用較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有喉口插板的喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴，可以實(shí)現(xiàn)臨界流量的在線調(diào)節(jié)，不但能保持良好的流體流通性能，較低的壓力損失，并且臨界流流量調(diào)節(jié)范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全性能好；該裝置用于調(diào)節(jié)臨界流量，不僅適用于常溫流體，也適用于高溫高壓流體。
[0008]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種具有喉口插板的喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴，包括上游收縮段1、下游擴(kuò)散段2以及垂直插入上游收縮段I和下游擴(kuò)散段2間且能在二者間上下移動(dòng)的喉口插板3，所述喉口插板3上具有直徑不同的喉口插板孔31，上游收縮段I上的收縮形流道11和下游擴(kuò)散段2上的擴(kuò)散形流道21以及喉口插板3上的喉口插板孔31構(gòu)成了一個(gè)臨界流文丘里噴嘴，通過喉口插板3在上游收縮段I和下游擴(kuò)散段2間上下移動(dòng)，選取直徑不同的喉口插板孔31與收縮形流道11和擴(kuò)散形流道12相配合，來改變臨界流文丘里噴嘴喉口面積；所述上游收縮段I進(jìn)口端面具有與管道連接的進(jìn)口法蘭15，所述下游擴(kuò)散段2出口端面具有與管道連接的出口法蘭25。
[0010]所述上游收縮段I和下游擴(kuò)散段2之間具有與二者垂直的喉口插板室7，所述喉口插板3置于喉口插板室7內(nèi)，喉口插板3 —端連接有調(diào)節(jié)螺桿6，喉口插板室7上端具有與調(diào)節(jié)螺桿6相適配的螺紋孔71，調(diào)節(jié)螺桿6的另一端與調(diào)節(jié)手輪4相連；通過調(diào)節(jié)手輪4轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿6能夠帶動(dòng)喉口插板3在管道徑向上上下移動(dòng)，彈簧定位銷5能在喉口插板3上下移動(dòng)過程中精確確定喉口插板3的位置，并且在噴嘴工作過程中對喉口插板3進(jìn)行固定。
[0011]所述喉口插板3包括相連接的矩形部分32和圓柱形部分33，矩形部分32上具有貫穿的不同直徑的喉口插板孔31，側(cè)面上具有與各個(gè)喉口插板孔31相對應(yīng)的定位孔35，定位孔35用于與彈簧定位銷5配合精確確定喉口插板3的位置；圓柱形部分33上具有兩道O型密封圈槽34，其中嵌有O型密封圈341，使得圓柱形部分33與喉口插板室7內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)密封。
[0012]所述喉口插板孔31也為收縮結(jié)構(gòu)，其由位于收縮形流道11 一端的喉部插板收縮段311、位于擴(kuò)散形流道21 —端的喉部插板擴(kuò)散段312以及喉部插板平直段313組成；所述各個(gè)喉口插板孔31的喉部插板收縮段311的進(jìn)口直徑相等并且都等于收縮形流道11的出口直徑；所述各個(gè)喉口插板孔31的喉部插板擴(kuò)散段312的出口直徑相等并且都等于擴(kuò)散形流道21的進(jìn)口直徑；所述各個(gè)喉口插板孔31的喉部插板平直段313直徑各不相同。
[0013]所述喉口插板孔31進(jìn)出口端面分別設(shè)置有插板進(jìn)口 O型密封圈槽314和插板出口 O型密封圈槽315，并嵌有O型密封圈。兩相鄰喉口插板孔31之間的距離小于所述收縮形流道11的出口直徑，也小于所述擴(kuò)散形流道21的進(jìn)口直徑。
[0014]本發(fā)明利用在上游收縮段I和下游擴(kuò)散段2中間放置一個(gè)可以管道徑向移動(dòng)的喉口插板3，喉口插板3上具有多個(gè)不同直徑的喉口插板孔31，這樣收縮形流道11和擴(kuò)散形流道21以及喉口孔，構(gòu)成了一個(gè)臨界流文丘里噴嘴。通過調(diào)節(jié)手輪4配合彈簧定位銷5的作用，移動(dòng)喉口插板3可以選擇不同的喉口孔，進(jìn)而改變臨界流噴嘴的喉口面積，得到不同的臨界流量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)臨界流量調(diào)節(jié)方便。要想調(diào)節(jié)臨界流量，無須改變噴嘴上游的流體參數(shù)，也無須中斷流體流動(dòng)，只需要移動(dòng)喉口插板，使得對應(yīng)直徑的喉口孔對齊收縮形和擴(kuò)散形流道即可。這種調(diào)節(jié)方式避免了調(diào)節(jié)噴嘴上游流體參數(shù)時(shí)由于背壓比的升高出現(xiàn)亞臨界流狀態(tài)的情況，并且應(yīng)用不同尺寸的喉口孔可以大大提高臨界流流量調(diào)節(jié)的范圍。
[0016](2)流體流通性能優(yōu)良。所述喉口面積可調(diào)節(jié)臨界流噴嘴的流道與傳統(tǒng)固定喉口面積臨界流文丘里噴嘴相似，為圓形管道，尤其沒有中間體或者活動(dòng)壁面的存在，喉口截面依然為圓形，文丘里噴嘴內(nèi)部流場不會被破壞，避免了寄生震蕩和流動(dòng)死角，具有良好的流體流通性能，這也同時(shí)降低了壓力損失。
[0017](3)流量控制精確。由于每個(gè)喉口孔的直徑事先確定，這樣在臨界流文丘里噴嘴工作過程中就能精確的得到喉口的面積，無需像現(xiàn)有變喉口面積技術(shù)那樣經(jīng)過復(fù)雜的測量計(jì)算，也不會出現(xiàn)如彈性壁面式變面積文丘里噴嘴那樣，由于彈性壁面受自身流體壓力而發(fā)生形變導(dǎo)致喉口面積難以確定的情況，大大提高了臨界流控制和測量的精度。
[0018](4)應(yīng)用范圍廣。所述喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴，具有良好的密封方式，不但能應(yīng)用于常溫流體，也能應(yīng)用于高溫高壓流體。同時(shí)，也不會存在如彈性壁面式變面積文丘里噴嘴那種在高溫高壓流體經(jīng)過時(shí)彈性材料失效的問題，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作性能可靠。
【附圖說明】
[0019]圖1為所述具有喉口插板的喉口面積可調(diào)節(jié)的臨界流文丘里噴嘴剖視圖。