一种具有主动射流结构的双套筒式高压差调节阀

1.本发明属于阀门领域，具体涉及一种具有主动射流结构的双套筒式高压差调节阀。


背景技术：

2.减压阀是一种专门用于调节流量和压力的专门装置，在水电站供水系统、矿井、气体管路等均有广泛的应用。随着科学技术的发展和国家发展需求的提高，特别是氢能源开发利用及超级发电机组等国家重大工程的建设，人们不再满足于普通减压阀的性能，对减压比、流量特性、降噪等方面提出了更高的要求。
3.传统的高参数减压阀由于节流元件处流动面积的急剧变化从而产生流动涡旋，进而导致阀门噪声过大，国内缺乏相关的消除流动涡旋的设计。另外，国内阀门流量特性一般设计为等百分比、快开、直线、抛物线四种流量特性，没有针对特殊应用场景的流量特性曲线设计，例如先快开再直线增长的流量特性，导致某些场合其流量特性无法满足需要。此外由于传统的套筒式减压阀一般采用孔式套筒或者简单的管道弯折，导致减压效果不好且空间利用率较低。
4.因此，需要提出一种带有主动射流结构及特殊流道的套筒式调节阀，并对其流量特性改善，以满足目前套筒式调节阀应用上的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是针对国内缺乏消除涡流的套筒式调节阀，且缺乏针对特殊应用场景的流量特性曲线的设计，提出一种具有主动射流结构的双套筒式高压差调节阀。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
7.一种具有主动射流结构的双套筒式高压差调节阀，包括阀体、阀盖、阀杆和阀芯；
8.所述阀体内部的阀腔中同轴设置有内套筒和外套筒，两个套筒外壁上均开设有用于连通调节阀入口和阀口的减压流道，用于流体减压；
9.两个套筒之间的间隙与阀口之间设置有射流结构，且射流结构出口与阀腔内形成流动涡旋的位置对应，用于消除阀腔下端的流动涡旋；
10.所述阀芯包括同轴设置的内芯体和外芯体，所述外芯体与外套筒外壁配合，所述内芯体与内套筒内壁、阀口和射流结构出口配合，所述阀杆带动阀芯上下移动，以同时启闭减压流道、阀口、射流结构。
11.作为本发明的进一步优化方案，所述阀盖底端面设置为环形并穿过阀腔延伸至阀口上方，所述内套筒和外套筒顶端面与阀盖底端面配合，所述内套筒和外套筒底端与阀口外侧连接。
12.作为本发明的进一步优化方案，位于阀腔内的阀盖外壁与阀体之间形成筒状腔体，所述外芯体滑动设置于所述筒状腔体内，且所述外芯体顶端通过连杆贯穿阀盖并与阀杆固定连接，所述内芯体顶端贯穿阀盖与阀杆固定连接，内芯体和外芯体与阀杆可拆卸连
接，连杆可以设置为四个，相应的阀盖上的连杆通过孔设置为四个，连杆与通过孔相配合，能够限制阀芯自身的运动范围。
13.作为本发明的进一步优化方案，所述内套筒上的减压流道与外套筒上的减压流道相角为3.75
°
。
14.作为本发明的进一步优化方案，所述内套筒和外套筒上的减压流道均沿轴向方向分布有多层，每层减压流道数量为多个并沿套筒外壁呈环形阵列分布。
15.作为本发明的进一步优化方案，沿轴向方向自下至上分布的第1-4层减压流道的流量按第一曲线分布，第5-n层减压流道的流量按第二曲线分布；
16.所述第一曲线为二次曲线，y1＝ax2 bx，其中，1≤x≤4， bx，其中，1≤x≤4，
17.所述第二曲线为一次曲线，y2＝cx，其中5≤x≤n，
18.沿轴向方向自下至上分布的第x层减压流道的数量计算公式如下：
19.z
x
＝z*(y
x-y
x-1
)/n
20.其中，z
x
为第x层减压流道的数量，z为总流道数量，y
x
为第x层减压流道的流量，1≤x≤n，n为总层数。
21.作为本发明的进一步优化方案，所述减压流道包括主流道和沿主流道入口至出口方向依次连接的三段副流道，其中，第一段副流道入口与阀腔连通，出口呈u型且与主流道相交，另外两段副流道呈心型且与主流道相交；通过在传统主流道两旁新增两个流道，使得使流体在流道入口与流道出口的直线流动变为绕主流道分流的树形流动轨迹，在主流道与副流道交界处，达到分流流体与主流流体冲击的效果，实现有效降压。
22.作为本发明的进一步优化方案，所述主流道和副流道之间的宽度尺寸关系包括：主流道宽度为b1，第一段副流道宽度为b2,第二段副流道宽度为c，第三段副流道宽度为d，其中
23.作为本发明的进一步优化方案，所述射流结构至少设置为三个，并均匀分布于阀腔的入口侧，相邻两个射流结构之间的夹角为30
°
。
24.作为本发明的进一步优化方案，每个所述射流结构均为包括一个射流进口和两个射流出口的三通通道，其中射流进口与两个套筒之间的间隙连通，其中一个射流出口位于阀腔远离出水口的一侧，另一个射流出口位于阀口下方。
25.作为本发明的进一步优化方案，记所述射流结构的两个射流出口分别为射流出口a、射流出口b，射流出口a和射流出口b的直径分别为r1和r2，射流出口a和射流出口b的轴线与阀芯轴线的夹角为α和β，其中30
°
≤α≤75
°
，30
°
≤β≤60
°
。
26.本发明的有益效果在于：
27.1)本发明创造性的在套筒与阀体下腔之间开设一个射流结构，将经过外套筒初步减压的流体经射流结构进入阀体下腔，射向阀腔中因流体流速分布不均匀产生的涡流，由于引出的射流只经过了外套筒的减压，所以压力略高于阀腔内的流体，对流动涡旋的冲击效果更好，使得局部涡旋处的流体沿射流的方向流向出口，起到了减轻噪声的作用；
28.2)本发明在传统套筒阀门的主流道两旁新增多段各两个副流道，使流体在流道入口与流道出口的直线流动变为绕主流道分流的树形流动轨迹，在有限的套筒空间上，每个流道增加了两个入流口，同时在主流道与副流道交界处，达到分流流体与主流流体冲击的效果，相较于普通流道，显著提高了调节阀的压降；
29.3)本发明的射流结构所用介质为经过初步减压的阀门介质，不会引入其他介质，且特质阀芯可同时控制阀门和射流机构的启闭，不要额外的控制装置，简化了阀门结构；
30.4)本发明流量特性针对与特殊应用场景的，创新性的将快开流量特性和直线流量特性相结合，将减压流道按此特殊流量特性曲线进行排列，形成先快开然后直线增长的流量特性，使得阀门流量特性适用范围更广。
附图说明
31.图1为本发明套筒调节阀的三维示意图。
32.图2为本发明套筒调节阀剖视图。
33.图3为本发明图2中a部分结构示意图。
34.图4为本发明除阀体外的局部三维示意图。
35.图5为本发明内外套筒的剖视图。
36.图6为本发明图5中b部分结构示意图。
37.图7为无主动射流结构的套筒式调节阀涡流分布图。
38.图8为具有本发明主动射流结构的套筒式调节阀涡流分布图。
39.图9为具有本发明主动射流结构的套筒式调节阀的流量特性曲线。
40.图中：1、阀体；2、阀盖；3、阀杆；4、内芯体；5、外芯体；6、内套筒；7、外套筒；8、射流结构；81、射流进口；82、射流出口a；83、射流出口b；9、减压流道；91、主流道；92、副流道；10、连杆。
具体实施方式
41.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
43.实施例1
44.如图1-9所示，一种具有主动射流结构的双套筒式高压差调节阀，包括阀体1、阀盖2、阀杆3、阀芯、内套筒6、外套筒7和射流结构8；
45.所述阀盖2设置于阀体1上部，阀盖2底端面设置为环形并穿过阀腔延伸至阀口上方，用于固定底部的内套筒6、外套筒7，阀盖2顶端开设通过孔，用于阀芯轴向移动，阀盖2；阀腔口径为80mm；
46.所述阀芯、内套筒6和外套筒7从内到外依次同轴设置于阀体1内部的阀腔中，所述内套筒6和外套筒7顶端面与阀盖2底端面配合，所述内套筒6和外套筒7底端与阀口外侧连接；所述外套筒7的外径为110mm，内径为90mm，内套筒6的外径为86mmm，内径为70mm；
47.两个套筒之间的间隙与阀口之间设置有射流结构8，所述射流结构8是直径不变的孔道，其入口形状优选为圆形，内套筒6和外套筒7之间的间隙底部即为射流入口，所述射流结构8至少设置为三个，并均匀分布于阀腔的入口侧，相邻两个射流结构8之间的夹角为30
°
，射流结构8出口与阀腔内形成流动涡旋的位置对应，通过射流结构8将经过外套筒7初步降压的流体直接引至阀腔下端中涡旋所在位置，用以消除涡旋，减轻噪声；
48.具体的，每个所述射流结构均为包括一个射流进口81和两个射流出口a、b的三通通道，其中射流进口81与两个套筒之间的间隙连通，射流出口a82位于阀腔远离出水口的一侧，射流出口b83位于阀口下方，射流出口a82和射流出口b83的直径分别为r1和r2，a和b的轴线与阀芯轴线的夹角为α和β，取α＝60
°
，β＝45
°
。
49.所述阀芯包括同轴设置的内芯体4和外芯体5，所述外芯体5与外套筒7外壁配合，所述内芯体4与内套筒6内壁、阀口和射流结构8出口配合，所述阀杆3带动阀芯上下移动，以同时启闭减压流道9、阀口、射流结构8；
50.位于阀腔内的阀盖2外壁与阀体1之间形成筒状腔体，所述外芯体5滑动设置于所述筒状腔体内，且所述外芯体5顶端通过连杆10贯穿阀盖2并与阀杆3固定连接，所述内芯体4顶端贯穿阀盖2与阀杆3固定连接，内芯体4和外芯体5与阀杆3可拆卸连接，连杆10可以设置为四个，相应的阀盖2上的连杆10通过孔设置为四个，连杆10与通过孔相配合，能够限制阀芯自身的运动范围；
51.两个套筒外壁上均开设有用于连通调节阀入口和阀口的减压流道9，其中内套筒6上的减压流道9为内减压流道，外套筒7上的减压流道9为外减压流道，内减压流道和外减压流道相同且两者之间相角为3.75
°
；
52.内减压流道和外减压流道均包括主流道91和沿主流道91入口至出口方向依次连接的三段副流道92；其中，第一段副流道92入口阀腔连通，出口呈u型且与主流道91相交，另外两段副流道92呈心型且与主流道91相交；经过两次副流道92与主流道91的对冲，使得降压效果得到显著提升；
53.为使结构最优化，主流道91、第二段副流道92以及第三段副流道92宽度均为d，第一段副流道92宽度为0.8d。
54.内减压流道和外减压流道均沿套筒轴向方向分布有n层，每层减压流道9数量为多个并沿套筒外壁呈环形阵列分布：
55.沿轴向方向自下至上分布的第1-4层减压流道9的数量按第一曲线分布，第5-n层减压流道9的数量按第二曲线分布；
56.所述第一曲线为二次曲线，取其中1≤x≤4，y1代表第1-4层减压流道9的流量；
57.所述第二曲线为一次曲线，取其中5≤x≤n，y2代表第5-n层减压流道9的流量；
58.沿轴向方向自下至上分布的第1-顶层减压流道的数量计算公式如下：
59.z
x
＝z*(y
x-y
x-1
)/n
60.其中，z
x
为第x层减压流道9的数量，z为总流道数量，y
x
为第x层减压流道9的流量，1≤x≤n，n为总层数。
61.本实施例总流道数量z为320，总层数n为20，则此时本实施例1-4层流道分布数量分别为47、37、27、17，5-20层流道分布数量均为12。
62.流道数量这样分布是为了获得特殊的流量特性曲线，流道宽度设置是为了增大套筒的空间利用率。
63.本发明通过对减压流道9和射流结构8进行具体化的参数设置，使参数达到最优化，更加便于加工。
64.具体工作原理：利用阀杆3向上移动阀芯至一定距离，阀门开启，减压流道9连通，流体从流道入口进入，然后流体经两副流道92与主流道91流体对冲两次，从而显著提高阀门的减压效果；
65.同样经过内套筒6的进一步减压后进入阀腔，然后进入阀腔下端的出口腔；
66.由内套筒6和外套筒7之间的筒状腔体引出的流体经过外套筒7的初步减压后，从射流结构8射向阀腔下端内的涡旋，达到消除涡旋的效果，并与经内套筒6和外套筒7的多级减压后的流体汇合一起流出；
67.通过调节阀芯的上下位置，可以实现小开度情况下快开，大开度下直线流量特性。
68.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。