[发明专利]一种具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴

说明书

技术领域

本发明属于流体控制和测量技术领域，具体涉及一种具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴。

背景技术

临界流文丘里喷嘴被广泛应用于流体流量的控制和测量。对于特定流体，流经临界流文丘里喷嘴的流量由喷嘴进口流动参数和喷嘴喉口面积决定，而不受下游压力波动的影响。对于传统的临界流文丘里喷嘴，有着固定的喉口面积，当需要改变临界流量时，只能通过改变喷嘴进口处流体的参数，如滞止压力，温度等。但是当改变进口参数时，背压比会随之发生变化，甚至不能满足临界流条件。另一方面，临界流文丘里喷嘴的流出系数是喉口雷诺数的函数，对于高雷诺数，其流量系数基本为常数，此时利用一维非粘性方程来计算文丘里喷嘴的临界流量是可行；但是对于低雷诺数流体，流量系数随雷诺数变化较明显，这样通过计算得到临界流量就会有较大的误差，甚至在临界压力比以下时其流量也会受到下游压力波动的影响。因此，为了得到较小的临界流控制流量，需要更换具有小喉口直径的临界文丘里喷嘴，其操作费时费力，降低了工作效率。所以本文的主要目的就是设计一种新型的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，扩大临界流流量控制和测量的范围。

常见的改变文丘里喉口面积的方式是在其内部插入一个中间体，该中间体与文丘里的内壁面相配合形成面积可变的环形流道。该中间体可以是圆柱形也可以是圆锥形：对于具有圆柱形中间体的变喉口面积文丘里，需要通过更换不同直径大小的中间体来获得不同的流通面积；而对于具有圆锥形中间体的变喉口面积文丘里，通常需要通过调节装置控制中间体或者文丘里的移动，使两者在轴向上发生相对位移，从而增加或者减小流道流通面积。美国专利US 2552497,US 5880378，US 6405577中介绍了这种类型的变喉口面积文丘里。但是这种结构由于中间体的存在，使得其流道动力学特性较差，同时也会破坏文丘里扩散段的压力恢复作用，导致较大的压力损失和寄生震荡。尤其对于圆柱形中间体，当调节喷嘴喉口面积时需要中断流体流动更换不同尺寸中间体，这不但费时费力，并且还存在许多工艺流程不允许断流的情况，限制了其应用范围。

另外一种改变喉口面积的方式是弹性壁面式，即文丘里喷嘴的壁面或者壁面内层是由弹性材料构成，该弹性壁面通过机械作用或者是第二种控制流体的压力作用发生形变，使得流体流道面积发生变化。美国专利US 4096211和US 4586873中介绍了这种类型的变喉口面积文丘里。这种方式尽管能保持较好的流道动力学特性，但是弹性材料很容易受到流经的气体(或者气液两相流体)的侵蚀作用，尤其是当工作温度较高时，弹性性能变差，在收缩时表面会出现“褶皱”现象，影响流道面积的控制，进而对流量控制也会出现较大误差。

其他改变文丘里喷嘴喉口面积的方式还有活动壁面或活动喉口式。美国专利US 4056583所述的变喉口面积文丘里喷嘴，是在矩形管道的两侧设置扇形凹腔，该凹腔中具有机轴支撑的可活动的文丘里形状的壁面，通过调节杆调节它们的转动可以改变喉口面积。而在美国专利US 8464582中所述的变喉口面积文丘里喷嘴是在喷嘴的喉部安装两个凸轮式的机构，通过控制它们的转动，使其进入喉口部分的体积产生变化，进而调节流道的流通面积。这种活动壁面式活动喉口的变面积文丘里的流道是非圆管道，尤其在非圆形喉部会产生比圆形喉部较多的流动死角，流体流动性能较差。

在工程中还有组合式的变面积文丘里喷嘴，即由多个小型的文丘里喷嘴并联代替一个大的喷嘴，在工作过程中通过调节机构控制小型喷嘴开关和闭合的个数，来改变喷嘴组合的流通面积。由于这种方法会使得装置体积庞大，并且异常复杂，目前在工程中应用较少。

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具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，可以实现临界流量的在线调节，不但能保持良好的流体流通性能，较低的压力损失，并且临界流流量调节范围宽，结构简单，操作方便，安全性能好；该装置用于调节临界流量，不仅适用于常温流体，也适用于高温高压流体。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：