一种流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法

技术领域

本发明属于高压气体流量调节相关技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

气体流量调节阀通用质量流量计算公式如下：

Q＝C

其中，Cd为流量系数，A为调节阀有效过流面积(m

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，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；

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。

进一步地，二次多项式型面对应的型面公式为y＝-0.004038x

进一步地，所述阀体入口形成有扩张角，其内壁面呈喇叭状。

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。

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。

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。

进一步地，所述阀套为筒状，其一端抵靠在所述二阶孔与所述三阶孔所形成的台阶面上；所述阀套开设有依次相连通的上孔、中孔及下孔，所述上孔的直径小于所述中孔的直径，所述中孔的直径小于所述下孔的直径；所述上孔的直径与所述阀芯的外径相匹配；所述阀套的外周上还间隔设置有第一环形凸台及第二环形凸台，所述第二环形凸台的位置与所述下孔的位置相对应；所述第一环形凸台开设有上环形密封槽，所述第二环形凸台开设有下环形密封槽。

进一步地，所述中孔与所述下孔交界处的孔壁上开设有一圈沿圆周均匀分布的上气孔，所述下孔远离所述中孔的一端的内壁开设有一圈沿圆周均匀分布的下气孔；所述上气孔及所述下气孔分别与所述下孔相连通。

进一步地，所述阀芯还包括与所述前端相连接的圆柱段，所述圆柱段开设有第一轴向孔，所述圆柱段沿径向开设有径向压力平衡孔，所述径向压力平衡孔与所述第一轴向孔相连通。

本发明还提供了一种流量线性可调高压气体控制装置的优化设计方法，该方法包括以下步骤：

(1)构建如上所述的流量线性可调高压气体控制装置的模型，并进行结构参数化；

(2)基于所述模型设定网格尺寸，建立局部加密区，并进行网格划分；

(3)选用压力基求解器，设置湍流模型为k-ε模型，设置流体介质类型为理想气体，设置进出口压力、壁面条件，以及Coupled求解算法，设置收敛精度为1×10

(4)给定迭代次数，并运行步骤(3)的计算模块，并设置输出参数；

(5)对所述结构参数设定优化范围，并采用拉丁超立方采样法设计样本空间；

(6)根据进出口质量流量之差与进出口质量流量之和的1/2的比值，对每组结果进行收敛判定，对不收敛结果单独进行计算；

(7)根据步骤(5)及(6)的结果，以进出口质量流量之和为优化目标，以所述结构参数为优化参数，采用Kriging模型通过响应面法对结构参数优化设计，确定最优的结构参数。

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，本发明提供的流量线性可调高压气体控制装置及其优化设计方法主要具有以下

有益效果：

1.阀芯前端型面为二次多项式型面，与阀座收敛段相配合，实现阀口最小过流面积和阀芯位移呈线性关系。

2.流量控制阀入口通入的高压气体通过阀体上的流道进入电动直驱减压阀，通过电动直驱减压阀减压之后的高压气体进入控制腔，所产生的气压力作用在阀芯上，阀芯向上运动，阀口开度随阀芯位移线性减小，出口进口压力比小于0.75时，流量控制阀阀口高压气体流动状态达到式(2)中所述壅塞流状态，最终实现阀芯开度和流量控制阀质量流量呈线性关系，实现流量的大范围线性可调。

3.阀芯开有轴向平衡孔，阀芯两端受力平衡，有效提升了控制精度。

4.阀座内型面为圆弧收敛段，无需扩张段，有效减小了流量控制阀的整体尺寸。

附图说明

图1是本发明提供的一种流量线性可调高压气体控制装置的局部剖视图；

图2是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的平面示意图；

图3是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的阀体的结构示意图；

图4是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的阀套的结构示意图；

图5是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的阀座的结构示意图；

图6是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的阀芯的结构示意图；

图7是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的下端盖的结构示意图；

图8是图1中的流量线性可调高压气体控制装置的优化设计方法的流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：110-上端盖，120-阀体，121-一阶孔，122-二阶孔，123-三阶孔，124A-第一孔道，124B-第二孔道，124C-第三孔道，124D-第四孔道，125-阀体入口，130-阀座，131-上端面环形密封凹槽，132-侧壁环形密封凹槽，133-圆弧收敛状内型面，140-阀芯，141-二次多项式型面，142-径向压力平衡孔，143-圆柱段，144-第一环形密封凹槽，145-环形凸台，146-第一轴向孔，150-阀套，151-上孔，152-中孔，153-下孔，154-孔壁环形凹槽，155-上环形密封槽，156-下环形密封槽，157A-上气孔，157B-下气孔，160-控制弹簧，170-阀套端盖，180-下端盖，181-第二轴向孔，182-侧面环形密封凹槽，210-电动直驱减压阀，310-泄压平衡阀，410-截止阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种流量线性可调高压气体控制装置，所述装置包括通过阀芯和阀座型面的设置，使得最小过流面积和开度线性化，可实现在较高出口进口压力比的情况下，流体通过设定的收缩扩张流道后，在最小过流面积处，流速达到音速，流动状态达到壅塞流状态，实现流量和开度线性化，具有控制结构简单有效、操控力小、尺寸小等特点。此外，本发明所所提供的一种流量线性可调高压气体控制装置的优化设计方法确定出了较优设计结构，缩短了设计周期，降低了设计成本。

所述装置包括流量控制阀、电动直驱减压阀210、泄压平衡阀310及截止阀410，所述电动直驱减压阀210的出口及入口分别连接于所述流量控制阀，所述截止阀410的一端与大气相连通，另一端与所述流量控制阀相连接。所述泄压平衡阀310的一端连接于所述流量控制阀与所述截止阀410之间的管路，另一端连接于所述流量控制阀及所述电动直驱减压阀210之间的管路。

所述流量控制阀为气控式，其包括上端盖110、阀体120、阀座130、阀芯140、阀套150、控制弹簧160、阀套端盖170及下端盖180，所述上端盖110及所述下端盖180分别连接于所述阀体120相背的两端。所述阀座130、所述阀芯140、所述阀套150、所述控制弹簧160及所述阀套端盖170分别设置在所述阀体120内。所述阀芯140的一端一次穿过所述阀套端盖170、所述控制弹簧160、所述阀套150后伸入所述阀座130内，另一端收容于所述下端盖180内。

所述上端盖110成阶梯状，其开设有出孔，所述出孔的中心轴与所述上端盖110的中心轴重合。

请参阅图3，所述阀体120呈矩形，其沿轴向依次开设有相连通的一阶孔121、二阶孔122及三阶孔123，所述一阶孔121及所述三阶孔123分别贯穿所述阀体120相背的两端，且一阶孔121的中心轴、二阶孔122的中心轴及三阶孔123的中心轴重合，所述二阶孔122的直径小于所述一阶孔121的直径，同时也小于所述三阶孔123的直径。所述阀体120的侧部还开设有阀体入口125，所述阀体入口125与所述二阶孔122相连通，且所述阀体入口125的中心轴与所述二阶孔122的中心轴正交。所述阀体入口125形成有扩张角，其内壁面呈喇叭状。其中，所述出孔的直径与所述阀体入口125的最小直径相等，且与所述阀座130的上端面环形密封凹槽131的外径相等。

所述阀体的外周还开设有第一孔道124A、第二孔道124B及第三孔道124C，所述第一孔道124A的中心轴、所述第二孔道124B的中心轴及所述第三孔道124C的中心轴相互平行，且均垂直于所述阀体的中心轴。所述第一孔道124A与所述二阶孔122相连通，所述第二孔道124B及所述第三孔道124C均与所述三阶孔123相连通。所述阀体还开设有第四孔道124D，所述第四孔道124D贯穿所述三阶孔123的孔壁，使得所述第四孔道124D与所述三阶孔123相连通。

其中，所述第一孔道124A与所述电动直驱减压阀210的入口相连通，所述电动直驱减压的出口与所述第四孔道124D相连通。所述泄压平衡阀310的入口与所述第三孔道124C相连通，所述第二孔道124B与所述泄压平衡阀310的出口相连通。所述第二孔道124B与所述截止阀410的入口相连通，所述截止阀410的出口连通大气。所述阀座130安装在所述一阶孔121内，所述阀套150及所述阀套端盖170相连接且均安装在所述三阶孔123内。所述控制弹簧160设置在所述阀套150内，且其套设在所述阀芯140上。

请参阅图4，所述阀套150为筒状，其一端抵靠在所述二阶孔122与所述三阶孔123所形成的台阶面上。所述阀套150与所述三阶孔123相匹配。所述阀套150开设有依次相连通的上孔151、中孔152及下孔153，所述上孔151的中心轴、所述中孔152的中心轴及所述下孔153的中心轴重合，且均与所述阀套150的中心轴重合。所述上孔151及所述下孔153分别贯穿所述阀套150相背的两端。本实施方式中，所述上孔151的直径小于所述中孔152的直径，所述中孔152的直径小于所述下孔153的直径；所述上孔151的直径与所述阀芯140的外径相匹配。所述上孔151的内壁上开设有孔壁环形凹槽154，所述孔壁环形凹槽154用于内嵌组合密封圈，以与所述阀芯140形成密封配合。

所述阀套150的外周上还间隔设置有第一环形凸台及第二环形凸台，所述第二环形凸台的位置与所述下孔153的位置相对应。所述第一环形凸台开设有上环形密封槽155，所述第二环形凸台开设有下环形密封槽156。所述上环形密封槽155及所述下环形密封槽156均用于嵌装O形密封圈和密封圈挡圈，以与阀体的三阶孔123密封配合。所述第一环形凸台的外径、所述第二环形凸台的外径与所述三阶孔123的直径相对应。

所述中孔152与所述下孔153交界处的孔壁上开设有一圈沿圆周均匀分布的上气孔157A，所述下孔153远离所述中孔152的一端的内壁开设有一圈沿圆周均匀分布的下气孔157B。所述上气孔157A及所述下气孔157B分别与所述下孔153相连通。

请参阅图5，所述阀座130设置在所述一阶孔121内，其一端抵靠在所述一阶孔121与所述二阶孔122所形成的台阶面上。所述阀座130为旋转体，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133，所述第三轴向孔用于为所述阀芯140的移动提供空间。所述阀座130远离所述二阶孔122的端面开设有上端面环形密封凹槽131，所述上端面环形密封凹槽131内嵌装有O形密封圈，以与所述上端盖110的下端面形成密封配合。所述阀座130的侧壁开设有侧壁环形密封凹槽132，所述侧壁环形密封凹槽132内嵌装有O型密封圈和密封圈挡圈，以与所述阀体的一阶孔121形成密封配合。

请参阅图6，所述阀芯140为一端封闭的筒状体，其包括前端及圆柱段143，所述前端连接于所述圆柱段143。所述前端基本呈锥状，其外表面为二次多项式型面141，对应的型面公式为y＝-0.004038x

所述阀芯140的外周上设置有环形凸台145，所述环形凸台145位于所述阀套150的下孔153内。所述圆柱段143的一端穿过所述上孔151，并与所述上孔151之间形成密封。所述环形凸台145开设有第一环形密封凹槽144，所述第一环形密封凹槽144用于内嵌组合密封圈，以与所述下孔153形成密封。所述环形凸台145将所述下孔153分为位于所述环形凸台145上方的背压腔和位于所述环形凸台145下方的控制腔，所述背压腔通过所述第二孔道124B与所述泄压平衡阀310的出口及所述截止阀410的入口相连通，所述控制腔通过所述第三孔道124C与所述泄压平衡阀310的入口相连通，并通过所述第四孔道124D与所述电动直驱减压阀210的出口相连通。

所述控制弹簧160位于所述环形凸台145上方，其套设在所述阀芯140上。所述控制弹簧160的一端抵靠在所述环形凸台145上，另一端抵靠在所述中孔152与所述上孔151所形成的台阶上。所述阀芯140的中心轴与所述阀座130的中心轴重合，所述阀芯140能够沿所述阀座130的中心轴移动，以改变所述圆弧收敛状内型面133的最小通流面积。

请参阅图7，所述下端盖180为带圆柱凸台的方体，其开设有第二轴向孔181，所述第二轴向孔181的中心轴与所述下端盖180的中心轴重合。所述下端盖180为阶梯状，其外周还开设有侧面环形密封凹槽182。所述第二导向孔用于为所述阀芯140的移动提供导向，以保持所述阀芯140的位置。所述侧面环形密封凹槽182用于嵌装O形密封圈，以与所述阀体的三阶孔123之间形成密封配合。

装配时，所述上端盖110通过螺钉固定在所述阀体的上端面上，并以O形密封圈与所述阀座130之间形成轴向密封，所述阀座130的下端面与所述阀体的一阶孔121和二阶孔122所形成的台阶形成抵接，并通过O形密封圈和密封圈挡圈与所述阀体的一阶孔121之间形成密封。

所述流量控制阀入口的高压气体通过所述阀体上的流道进入所述电动直驱减压阀210，减压后的高压空气通过所述阀体上的流道进入所述控制腔，阀芯140在气压力的作用下推动所述控制弹簧160向下运动，在某一位置平衡，进而控制阀口开度。通过设置阀芯140前端型面与阀座130的内型面实现阀芯140位移和阀口最小过流面积呈线性关系，同时通过设置圆弧收敛状阀座130内型面以及阀体的入口扩张段，使得阀口高压气体流动状态达到公式(2)中所述的壅塞流状态，进而实现阀口质量流量和阀口最小过流面积呈线性关系，最终实现流量大范围线性可调。

请参阅图8，本发明所提供的一种流量线性可调高压气体控制装置的优化设计方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一，根据流量线性可调高压气体控制装置的模型，采用计算软件Solidworks建立流量线性可调高压气体控制装置主流道1/2三维仿真模型，通过对参数进行特定命名方式，进行结构参数化，设定结构参数：入口扩张角、收敛段入口直径、收敛段半径、喉部长度、扩张段长度和扩张段扩张角，由计算软件Solidworks通过特定插件导入计算软件Ansys，在Design Modeler中对结构参数进行选定。

步骤二，将步骤1建立的流量线性可调高压气体控制装置主流道1/2三维仿真模型传递到计算软件Ansys的Fluent Meshing模块，在Fluent Meshing模块中设定网格尺寸，建立局部加密区，给定加密区网格尺寸，绘制表面网格，对进出口、壁面、对称面进行定义，给定流体类型，采用Poly-Hexcore网格进行体网格划分，检查并降低网格质量评价指标最大歪斜率至小于0.6。

步骤三，将步骤2划分好网格的流量线性可调高压气体控制装置主流道1/2三维仿真模型传递到计算软件Ansys的Fluent计算模块并进行设计，选用压力基求解器，设置湍流模型为k-ε模型，设置流体介质类型为理想气体，设置进出口压力、壁面条件，以及Coupled求解算法，设置收敛精度为1×10

步骤四，给定迭代次数，运行步骤3的计算模块以得到仿真结果，设置输出参数：进出口质量流量之和、进出口质量流量之差。

步骤五，进行实验设计，对步骤1所述结构参数设定优化范围，并采用拉丁超立方采样法设计样本空间，对每组参数由计算软件Ansys自动重复步骤1-4。

步骤六，根据进出口质量流量之差与进出口质量流量之和的1/2的比值，对每组结果进行收敛判定，对不收敛结果单独进行计算。

步骤7，根据步骤5、6的结果，以进出口质量流量之和为优化目标，以步骤1所述结构参数为优化参数，采用Kriging模型，通过响应面法对结构参数优化设计，确定最优的几何参数。响应面优化方法是利用合理的试验设计方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优参数，解决多变量问题的一种统计方法，可以有效的解决传统优化方法的缺陷。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。