一种流量可调节的不可压缩流体临界流装置

摘要

一种流量可调节的不可压缩流体临界流装置，包括圆管状壳体，在圆管状壳体内同轴地固定有内孔为矩形的孔板，在圆管状壳体外与孔板对应的位置左右对称布置有两个流量自调室，上下对称布置有两个临界流自控室；维持装置上游流动参数不变，当下游压力达到某一个临界值时，流过该装置的流量就会达到一个最大值，如果继续降低下游压力，通过临界流自控室的作用流量仍将保持恒定不变，即实现了临界流动；而在装置上游压力发生变化时，流量自调室能够根据上游压力大小自动调节流量；该装置能够实现不可压缩流体的临界流动，克服了传统不可压缩流体依据汽蚀原理实现临界流存在的流速高、压损大、噪音和安全性能差的缺点，并且临界流量可调节，有效提高了不可压缩流体临界流装置的应用范围。

说明书

技术领域

本发明属于流体控制和测量技术领域，具体涉及一种流量可调节的不可压 缩流体临界流装置。

背景技术

在一定的进口参数下，当临界流装置下游压力达到某一个临界值时，流经 的流量就会达到一个最大值。如果进一步降低装置出口压力，流量仍将保持恒 定不变，此时称流动达到了临界流状态，流量称为临界流量。在临界流状态下， 装置下游的干扰完全被阻断掉了，若保持进口压力不变，流量能始终保持高度 的恒定；而当进口参数发生变化时，则临界流量会随之发生变化。利用这一现 象可以对流体的流量进行精确的控制和测量。

对于可压缩流体，当流体在缩放喷嘴的喉部达到音速时，如果继续降低背 压，则流体在喉部下游扩散段内继续加速膨胀降压，直到经过激波后由超音速 变为亚音速，压强发生突跃变化。这种超音速的膨胀降压和激波二者的共同作 用，使得音速喷嘴能够自动抵消掉压力降增大的影响，实现压力平衡，在进口 参数一定时，喉口前的流动情况将不因有扩散段而改变，故能保持流量不变。 但是临界流现象并不是可压缩流体的特性，在不可压缩流体中也可以出现临界 流现象。传统的不可压缩流体临界流装置是依靠汽蚀原理，即出口达到临界压 力时，依靠流体在喷嘴的喉部降压汽化，进而在喉口偏下游的地方产生一个汽 蚀区。尽管汽蚀区处蒸汽的质量份额很小，但是其体积却非常大，会产生一个 阻力很大的气穴阻挡层，流体通过时会产生一种额外的附加阻力。如果再继续 降低下游压力，汽蚀强度会立即增大，引起气穴阻挡层膨胀伸长，结果会使附 加阻力增大，流量维持不变。相似地，如果下游压力增大，汽蚀强度随之降低， 气穴阻挡层就会自动缩小，使附加阻力减小，维持流量不变。因此气穴阻挡层 能有效阻断下游压力扰动对上游的影响，下游的压力扰动不能越过汽蚀区向上 游传播，实现了不可压缩流体的临界流动。但是这种依据汽蚀原理实现不可压 缩流体临界流的装置存在能量损失大，噪音，安全性能差能不足。

中国专利申请CN103573760A中，提出了一种应用机械壅塞原理实现不可 压缩流体临界流的装置，能在较低流速和较小的压力损失下实现临界流。同时 该装置可以屏蔽掉上游压力波动对流量的影响，尽管在一定程度上这可以提高 流量控制的稳定性，但是也为临界流量的调节带来了不便。该专利申请中提出 的一种结构只能对应于一个临界流量，所以对于变流量的系统来说，只能更换 相对应流量的临界流装置，大大降低了工作效率。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种流量可 调节的不可压缩流体临界流装置，不但能量损失小，无噪音，设备安全性能好， 而且具有临界流量可自动随装置上游参数变化而变化或者临界流量可以手动调 节的特点。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种流量可调节的不可压缩流体临界流装置，包括圆管状壳体1，在圆管状 壳体1内同轴的固定有孔板2，在圆管状壳体1外与孔板2对应的位置左右对称 布置有两个流量自调室3，上下对称布置有两个临界流自控室4。

所述孔板2，具有矩形内孔21，在其上游端面处开有连杆滑动槽22，在其 下游端面开有与连杆滑动槽22相垂直的临界流控制槽23，在其上下游端面之间 与连杆滑动槽22相对应的位置开有径向贯穿的流量调节槽24。

所述流量自调室3内部同轴布置有流量自调活塞31，流量自调活塞31的周 向上具有流量自调O形密封圈311，流量自调活塞31的一侧连接有流量自调弹 簧32，另外一侧连接有连杆35，连杆35上具有连接键槽351，与自动流量调节 板36上的连接键361相配合；连杆35能够在连杆滑动槽22中自由滑动，并带 动自动流量调节板36在流量调节槽24中来回滑动；流量自调室3通过背压孔 34与大气压或其他恒压源相连通；流量自调室3通过高压引导孔33与孔板2上 游的流体相连通。

所述临界流自控室4，在其内同轴布置有临界流自控活塞41，临界流自控 活塞41的周向上具有临界流自控O形密封圈411，临界流自控活塞41的一侧 连接有临界流自控弹簧42，另一侧连接有临界流控制板45，临界流控制板45 能够在临界流控制槽23中自由滑动；临界流自控室4通过高压引导管43与孔 板2上游流体相连通；临界流自控室4通过低压引导孔44与孔板2下游的流体 相连通。

所述流量自调室3采用手动流量调节杆5代替。

所述手动流量调节杆5的一端具有流量刻度盘51，并具有旋向相反的第一 螺纹53和第二螺纹54；与手动流量调节杆5相对应的手动流量调节板52具有 与第一螺纹53和第二螺纹54相配合的第一螺纹牙521和第二螺纹牙522；手动 流量调节杆5通过流量手调O型密封圈55实现与管道内流体的转动密封。

当流量自调室3用手动流量调节杆5代替时，所述孔板2，具有矩形内孔 21，在其下游端面开有临界流控制槽23，在其上下游端面之间开有径向贯穿的 流量调节槽24，在流量调节槽24下方开有贯穿的圆孔25；流量调节杆5穿过 圆孔25，当转动手动流量调节杆5时，带动手动流量调节板52在流量调节槽 24中来回滑动，临界流控制板45能够在临界流控制槽23中自由滑动。

本发明利用流量自调室3和临界流自控室4或者利用手动流量调节杆5和 流量自控室4控制流体有效流通面积的大小，实现不可压缩流体的临界流，并 且临界流量可随装置上游参数变化自动调节，或者通过手动调节方式改变临界 流量。与现有技术相比，具有如下优点：

1）压力损失小。与传统依靠汽蚀实现不可压缩流体临界流的装置相比，本 发明基于机械作用实现不可压缩流体的临界流，即无需流体流速达到音速，也 无需流体降压发生汽化，这就会明显降低了整个装置的压力和阻力损失。

2）流量可调节。本发明应用流量自调室3或者手动流量调节杆5的作用可 以对流量进行调节。流量自调室3可以在装置进口的压力发生变化时，自动控 制自动流量调节板36在流量调节槽24中的滑动改变流体流通面积的大小，使 得临界流量随着上游压力的变化而变化。另外，通过手动流量调节杆5手动控 制手动流量调节板52的滑动改变流体流通孔面积的大小也可以人为的设定临界 流量。

3）应用范围广。与可压缩流体临界流装置相似，本发明所涉及的不可压缩 流体临界流装置不但可以应用于恒流量控制系统，也可以应用于变流量控制调 节系统，这就大大扩大了临界流装置的应用范围。

附图说明

图1为本发明一种流量自动调节的不可压缩流体临界流装置的透视图。

图2为图1所述临界流装置的流量调节和控制部件爆炸图。

图3为本发明另一种流量手动调节的不可压缩流体临界流装置的透视图。

图4为图3所述临界流装置的流量调节和控制部件爆炸图。

图5为图3所述临界流装置前视图的局部剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例一种流量可调节的不可压缩流体临界流装置，包括 圆管状壳体1，在圆管状壳体1内同轴的固定有带有矩形内孔21的孔板2，在 圆管状壳体1外与孔板2对应的位置左右对称布置有两个流量自调室3，上下对 称布置有两个临界流自控室4。在流量自调室3内同轴布置有流量自调活塞31， 流量自调活塞31的远离圆管状壳体侧连接有弹簧32，流量自调室3通过背压孔 34与大气压或其他恒压源相连通；活塞31的近壳体侧连接有连杆35，流量自 调室3通过高压引导孔33与孔板2上游的流体相连通。连杆35与插入孔板2 内部流量调节槽（24）中的流量调节板36相连接。在临界流自控室4内同轴布 置有临界流自控活塞41，临界流自控活塞41的远离圆管状壳体侧连接有临界流 自控弹簧42，临界流自控室4通过高压引导管43与孔板2上游流体相连通；临 界流自控活塞41的近壳体侧连接有临界流控制板45，临界流自控室4通过低压 引导孔44与孔板2下游的流体相连接。

如图2所示，所述孔板2，具有矩形内孔21，在其上游端面处开有连杆滑 动槽22，在其下游端面开有与连杆滑动槽22相垂直的临界流控制槽23，在其 上下游端面之间与连杆滑动槽22相对应的位置开有径向贯穿的流量调节槽24。 流量自调活塞31的周向上具有流量自调O形密封圈311，连杆35上具有连接 键槽351，自动流量调节板36上具有连接键361。连杆35可以在连杆滑动槽中 自由滑动，并且通过连接键槽351和连接键361的配合，带动自动流量调节板 36在流量调节槽24中来回滑动。自动流量调节板36的形状参数根据中国专利 申请CN103573760A中的方法确定。临界流自控活塞41的周向上具有临界流自 控O形密封圈411。临界流控制板45可以在临界流控制槽23中自由滑动。

本实施例的工作原理为：当圆管状壳体1内的流体流经孔板2时，由于节 流作用，会在孔板2上下游产生压力降。孔板2上游的高压流体经过高压引导 孔33进入流量自调室3，作用在流量自调活塞31的近壳体端面，而大气压或者 其他恒压源则通过背压孔34引入流量自调活塞31的远壳体端面。而由于流量 自调活塞31周向上具有流量自调O形密封圈311，可以实现流量自调活塞31 与流量自调室3内壁表面的滑动密封。流量自调活塞31在两端面压差的作用下 压缩流量自调弹簧32，当流量自调活塞31所受压差力与所受流量自调弹簧32 作用力相平衡时，则稳定到一个位置，进而通过连杆35的作用使得自动流量调 节板36稳定到相应位置。同时，孔板2上游的高压流体经过高压引导管43进 入临界流自控室4，作用在临界流自控活塞41的远壳体端面，而孔板2下游的 低压流体经过低压引导孔44进入临界流自控室4，作用在临界流自控活塞41的 近壳体端面。临界流自控活塞41也可以通过临界流自控O形密封圈411的作用 实现与临界流自控室4内壁表面的滑动密封。临界流自控活塞41在两端面压差 的作用下拉伸临界流自控弹簧42，当临界流自控活塞41所受压差力与所受临界 流自控弹簧42作用力相平衡时，则稳定到一个位置，进而使得临界流控制板45 稳定到相应的位置。

当保持装置进口压力不变，改变出口外界压力时，由于流量自调活塞31近 壳体端面和远壳体端面所受压力环境不变，所以流量自调活塞31受力不发生变 化，流量自调活塞31位置不发生变化，进而自动流量调节板36的位置不发生 变化。自动流量调节板36的外形参数根据中国专利申请CN103573760A中的方 法确定，所以其与孔板2就构成了类似中国专利申请CN103573760A中的异形 孔板的结构。当出口压力发生变化时，临界流自控活塞41远壳体端面压力不变， 近壳体端面压力发生变化，所以临界流自控活塞41受力发生变化而导致发生位 移，进而带动临界流控制板45上下滑动改变流通孔面积。当出口压力降低时， 临界流控制板45向下滑动使得流通孔面积减小，阻止流量增加，保持流量恒定； 反之出口压力升高时，临界流控制板45向上滑动使得流通孔面积增大，阻止流 量减小，保持流量恒定。这样，就依靠临界流控制板45的滑动实现了临界流。

当改变装置进口压力时，流量自调活塞31近壳体端面压力发生变化，而远 壳体端面由于处于恒压环境压力并未发生变化，这样流量自调活塞31受力发生 变化而导致发生移动，直到压差力和流量自调弹簧32作用力相平衡时稳定到某 一位置，从而带动自动流量调节板36在流量调节槽24中滑动到新的位置，使 其与孔板2构成的流体流通面积发生相应变化。保持出口压力不变，当装置进 口压力增大时，自动流量调节板36与孔板2构成的流体通道面积随之增大，使 得流量增大，反之当进口压力降低时，自动流量调节板36与孔板2构成的流体 流通面积随之减小，使得流量减小。当进口压力发生变化而使得自动流量调节 板36在流量调节槽24中稳定到新的位置后，流量随之变化到一个新的值，此 时即使装置出口压力发生变化，依旧能依靠临界流控制板45的上下滑动维持新 的流量值恒定。这样，就实现了临界流流量在装置进口压力发生变化时的自动 调节。

实施例二

如图3所示，是本发明另外一种结构形式的流量可调节的不可压缩流体临 界流装置，其包括圆管状壳体1，在圆管状壳体1内同轴的固定有带有矩形内孔 21的孔板2。在圆管状壳体1外与孔板2对应的位置上下对称布置有两个临界 流自控室4。在孔板2内部相对应的位置插入手动流量调节杆5。在临界流自控 室4内同轴布置有临界流自控活塞41，临界流自控活塞41的远壳体侧连接有临 界流自控弹簧42，并通过高压引导管43与孔板2上游流体相连通；临界流自控 活塞41的近圆管状壳体侧连接有临界流控制板45，并通过低压引导孔44与孔 板2下游的流体相连接。手动流量调节杆5可以人为的转动控制流量调节板52 的滑动，并通过配合流量刻度盘51来进行流量调节。

如图4和图5所示，所述孔板2，具有矩形内孔21，在其下游端面开有临 界流控制槽23，在其上下游端面之间开有径向贯穿的流量调节槽24，与流量调 节槽24相对应的位置开有贯穿的圆孔25。临界流自控活塞41的周向上具有临 界流自控O形密封圈411。临界流控制板45可以在临界流控制槽23中自由滑 动。穿过圆孔25的流量调节杆5具有旋向相反的第一螺纹53和第二螺纹54， 通过流量手调O型密封圈55实现与管道内流体的转动密封。手动流量调节板 52具有与第一螺纹53和第二螺纹54相配合的第一螺纹牙521和第二螺纹牙 522，当转动手动流量调节杆55时，通过螺纹的作用手动流量调节板52可以在 流量调节槽24中来回滑动。

本实施例的工作原理为：当圆管状壳体1内的流体流经孔板2时，由于节 流作用，会在孔板2上下游产生压力降。孔板2上游的高压流体经过高压引导 管43进入临界流自控室4，作用在临界流自控活塞41的远壳体端面，而孔板2 下游的低压流体经过低压引导孔44进入临界流自控室4，作用在临界流自控活 塞41的近壳体端面。临界流自控活塞41通过临界流自控O形密封圈411的作 用实现与临界流自控室4内壁表面的滑动密封。临界流自控活塞41在两端面压 差的作用下拉伸临界流自控弹簧42，当临界流自控活塞41所受压差力与所受临 界流自控弹簧42作用力相平衡时，则稳定到一个位置，进而使得临界流控制板 45稳定到相应的位置。

当保持装置进口压力不变，改变出口外界压力时，临界流自控活塞41远壳 体端面压力不变，近壳体端面压力发生变化，所以临界流自控活塞41受力发生 变化而导致发生位移，进而带动临界流控制板45上下滑动改变流通孔面积。当 出口压力降低时，临界流控制板45向下滑动使得流通孔面积减小，阻止流量增 加，保持流量恒定；反之出口压力升高时，临界流控制板45向上滑动使得流通 孔面积增大，阻止流量减小，保持流量恒定。这样，就依靠临界流控制板45的 滑动实现了临界流。

当旋转手动流量调节杆5使得手动流量调节板52在流量调节槽24中滑动， 其与孔板2构成的流体流通面积也发生相应变化。当手动流量调节板52滑动到 新的位置，导致其与孔板2构成的流体通道面积增大时，如果装置进出口压差 不变，则临界流自控活塞41受力不变，临界流控制板45位置不变，则流经的 流量增大；如果装置上游或者下游压力发生波动而导致进出口压差变化时，临 界流自控活塞41受力发生变化而导致发生位移，进而带动临界流控制板45上 下滑动改变有效流通面积保持流量的恒定，实现了一种较大流量的新的临界流 状态。

同理，当手动流量调节板52滑动到新的位置，使其与孔板2构成的流体通 道面积减小时，如果装置进出口压差不变，则临界流自控活塞41受力不变，临 界流控制板45位置不变，则流经的流量减小；如果装置上游或者下游压力发生 波动而导致进出口压差变化时，临界流自控活塞41受力发生变化而导致发生位 移，进而带动临界流控制板45上下滑动改变有效流通面积保持流量的恒定，实 现了一种较小流量的新的临界流状态。

本发明所涉及的流量可调节的不可压缩流体临界流装置，依靠流量自调室3 和临界流自控室4的作用或者依靠手动流量调节杆5和临界流自控室4的作用， 可以在上游进口压力稳定时，屏蔽掉下游压力波动对流量的影响实现临界流； 而在上游进口压力发生变化时，能够自动或者手动方式调节流量，实现新的临 界流量下的临界流动。这种不可压缩流体的临界流装置不但压力损失小，并且 能很方便的调节临界流量，是解决不可压缩流体临界流的一种有效实用装置， 并能扩大临界流装置的应用范围。