CN104535121B - 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 - Google Patents

Abstract

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，包括上游收缩段、下游扩散段以及在两者之间包裹的喉口转轮；喉口转轮上具有不同直径的喉口孔，上游收缩段的收缩形流道和下游扩散段的扩散形流道以及喉口转轮上的喉口孔构成了临界流文丘里喷嘴；喉口转轮通过调节手轮进行转动，从而选取不同的喉口孔来与收缩形流道与扩散形流道相配合，进而改变临界流喷嘴喉口面积；调节手轮结合弹簧定位销的共同作用，能精确确定喉口位置进而确定喉口面积大小；该装置可以方便实现临界流流量的在线调节，无须断流，具有流量调节范围宽、流体流通性能好、流量控制精度高、结构简单、性能可靠、可适用于高温高压流体等优点。

Description

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

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US2552497,US5880378，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US4056583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：

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，包括通过螺栓6相连接的上游收缩段1和下游扩散段2，以及在上游收缩段1和下游扩散段2之间包裹的具有多个不同直径喉口孔31的喉口转轮3；上游收缩段1上的收缩形流道11和下游扩散段2上的扩散形流道21以及喉口转轮3上的喉口孔31构成了一个临界流文丘里喷嘴；喉口转轮3能够通过调节手轮4进行转动，选取直径不同的喉口孔31与收缩形流道11和扩散形流道12相配合，来改变临界流文丘里喷嘴喉口面积；弹簧定位销5能在转动过程中精确确定喉口转轮3的位置，并且在喷嘴工作过程中对喉口转轮3进行固定。

所述上游收缩段1呈圆盘状，在其收缩形流道11的下游开有第一喉口转轮凹槽12，在第一喉口转轮凹槽12中开有贯穿的定位销孔13，在上游收缩段1的出口端面具有与所述下游扩散段2相连接的上游收缩段法兰14，进口端面具有与管道连接的进口法兰15，所述收缩形流道11的出口112周围具有第一O型密封圈槽111，其中嵌有第一O型密封圈72；在所述第一喉口转轮凹槽12下游端面周围具有两道第二O型密封圈槽121，其中嵌有第二O型密封圈71；

所述下游扩散段2呈圆盘状，在其扩散形流道21的上游开有第二喉口转轮凹槽22，在第二喉口转轮凹槽22中开有贯穿的喉口转轮轴孔23，在下游扩散段2的进口端面具有与所述上游收缩段法兰14相对应的下游扩散段法兰24，出口端面具有与管道连接的出口法兰25，所述扩散形流道21的进口212周围具有第三O型密封圈槽211，其中嵌有第三O型密封圈73；在下游扩散段2的出口方向下端面具有指示针26；

所述喉口转轮3，其尺寸与第一喉口转轮凹槽12和第二喉口转轮凹槽22相适配并能在二者组成的腔室中自由转动，在喉口转轮3周向上布置有多个不同形状尺寸的贯穿的喉口孔31，在喉口转轮3两端面中部都有凹槽32以减小转动摩擦阻力，凹槽32中心位置具有轴33，轴33插入所述第二喉口转轮凹槽22中开有贯穿的喉口转轮轴孔23中，再通过安装在轴33上的调节手轮4使喉口转轮3转动；在喉口孔31和轴33之间的周向上布置有与各个喉口孔31相对应的定位孔34，通过转动喉口转轮3使定位孔34与所述第一喉口转轮凹槽12中开有贯穿的定位销孔13对中，再通过弹簧定位销5与定位销孔13相配合对喉口转轮3进行固定；所述轴33上具有两道第四O型密封圈槽，并嵌有第四O型密封圈74。

所述各个喉口孔31在喉口转轮3周向上均匀分布或非均匀分布，但两相邻喉口孔31之间的距离要小于所述收缩形流道11的出口112的直径，也小于所述扩散形流道21的进口212的直径。

所述喉口孔31也为收缩结构，其由位于收缩形流道11一端的喉部收缩段311、位于扩散形流道21一端的喉部扩散段312以及喉部平直段313组成；所述各个喉口孔31的喉部收缩段311的进口直径D_ti相等并且都等于收缩形流道11的出口112的直径；所述各个喉口孔31的喉部扩散段312的出口直径D_to相等并且都等于扩散形流道21的进口212的直径；所述各个喉口孔31的喉部平直段313的直径D_t各不相同。

所述各个喉口孔31的进出口端面分别设置有进口O型密封圈槽314和出口O型密封圈槽315，并嵌有O型密封圈，在这种情况下，所述收缩形流道11的出口112周围的第一O型密封圈槽111和所述扩散形流道21的进口212周围的第三O型密封圈槽211则省去。

所述调节手轮4表面具有指示相对应喉口孔31的刻度，在调节文丘里喉口面积时结合指示针26以及弹簧定位销5的共同作用，精确确定喉口面积大小及位置；调节手轮4也能够通过微机控制的电机进行控制；所述弹簧定位销5表面具有第五O型密封圈槽，并嵌有第五O型密封圈75，在文丘里喷嘴工作过程中，其末端与定位孔34相配合。

本发明利用在上游收缩段1和下游扩散段2中间放置一个可以转动的喉口转轮3，喉口转轮3上具有多个不同直径的喉口孔31，这样收缩形流道11和扩散形流道21以及喉口孔31,构成了一个临界流文丘里喷嘴。通过调节手轮4配合弹簧定位销5的作用，转动喉口转轮3可以选择不同的喉口孔，进而改变临界流喷嘴的喉口面积，得到不同的临界流量。与现有技术相比，具有如下优点：

(1)临界流量调节方便。要想调节临界流量，无须改变喷嘴上游的流体参数，也无须中断流体流动，只需要转动喉口转轮，使得对应直径的喉口孔对齐收缩形和扩散形流道即可。这种调节方式避免了调节喷嘴上游流体参数时由于背压比的升高出现亚临界流状态的情况，并且应用不同尺寸的喉口孔可以大大提高临界流流量调节的范围。

(2)流体流通性能优良。所述喉口面积可调节临界流喷嘴的流道与传统固定喉口面积临界流文丘里喷嘴相似，为圆形管道，尤其没有中间体或者活动壁面的存在，喉口截面依然为圆形，文丘里喷嘴内部流场不会被破坏，避免了寄生震荡和流动死角，具有良好的流体流通性能，这也同时降低了压力损失。

(3)流量控制精确。由于每个喉口孔的直径事先确定，这样在临界流文丘里喷嘴工作过程中就能精确的得到喉口的面积，无需像现有变喉口面积技术那样经过复杂的测量计算，也不会出现如弹性壁面式变面积文丘里喷嘴那样，由于弹性壁面受自身流体压力而发生形变导致喉口面积难以确定的情况，大大提高了临界流控制和测量的精度。

(4)应用范围广。所述喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，具有良好的密封方式，不但能应用于常温流体，也能应用于高温高压流体。同时，也不会存在如弹性壁面式变面积文丘里喷嘴那种在高温高压流体经过时弹性材料失效的问题，其结构坚固，工作性能可靠。

附图说明

图1为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴剖视图。

图2为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴外观立体图。

图3为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴爆炸视图。

图4为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴的上游收缩段结构示意图。

图5为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴的下游扩散段结构示意图。

图6a为所述喉口转轮结构示意图，图6b为图6a沿A-A向的剖视图。

图7为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴的另一种喉口密封方式示意图。

图8为所述具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴的调节手轮结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步的详细描述。

如图1，图2，图3所示，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，包括上游收缩段1，下游扩散段2，和在两者之间包裹的具有多个不同直径喉口孔31的喉口转轮3。上游收缩段1上的收缩形流道11和下游扩散段2上的扩散形流道21以及喉口转轮3上的喉口孔31构成了一个临界流文丘里喷嘴。通过调节手轮4，并配合指示针26与弹簧定位销5，可以转动喉口转轮3选取不同的喉口孔31与收缩形流道11和扩散形流道21相配合，以得到不同喉口面积的临界流喷嘴。弹簧定位销5能在转动过程中精确确定喉口转轮3的位置，并且在喷嘴工作过程中对喉口转轮3进行固定。上游收缩段1和下游扩散段2通过螺栓6相连接，而临界流文丘里喷嘴分别通过法兰15和法兰25与上下游管道相连。第二O型密封圈71可以在螺栓的作用下实现临界流喷嘴内部与外界环境的静密封；第一O型密封圈72可以防止流体从喉口转轮凹槽12与喉口转轮3之间的夹缝流出，保证在临界流喷嘴工作过程中流体全部从喉口孔31流过；第三O型密封圈73可以防止流体从喉口转轮凹槽22与喉口转轮3之间的夹缝流出；第四O型密封圈74可以实现轴33与轴孔23之间的转动密封，防止流体从喷嘴内部溢出；第五O型密封圈75可以实现弹簧定位销5与定位销孔13之间的滑动密封。

如图4所示，上游收缩段1呈圆盘状，具有收缩形流道11，在收缩形流道11的下游开有第一喉口转轮凹槽12，在第一喉口转轮凹槽12中开有贯穿的定位销孔13。在收缩段1的下游端面具有与所述下游扩散段2相连接的上游收缩段法兰14，上游端面具有与管道连接的进口法兰15。所述收缩形流道11的出口112周围具有第一O型密封圈槽111，其中嵌有第一O型密封圈72。在所述述第一喉口转轮凹槽12下游端面周围具有两道第二O型密封圈槽121，其中嵌有第二O型密封圈71。

如图5所示，下游扩散段2呈圆盘状，具有扩散形流道21，在扩散形流道21的上游开有第二喉口转轮凹槽22，在第二喉口转轮凹槽22中开有贯穿的喉口转轮轴孔23。在扩散段2的进口端面具有与所述上游收缩段法兰14相配套的下游扩散段法兰24，出口端面具有与管道连接的出口法兰25。所述扩散形流道21的进口212周围具有第三O型密封圈槽211，其中嵌有第三O型密封圈73。在下游扩散段2的出口方向下端面具有指示针26。

如图6a和图6b所示，所述喉口转轮3，其尺寸与第一喉口转轮凹槽12和第二喉口转轮凹槽22相适配并能在二者组成的腔室中自由转动，周向上布置有不同形状尺寸的贯穿的喉口孔31，在喉口转轮3两端面中部都有凹槽32以减小转动摩擦阻力，凹槽32中心位置具有轴33，轴33插入所述第二喉口转轮凹槽22中开有贯穿的喉口转轮轴孔23中，再通过安装在轴33上的调节手轮4使喉口转轮3转动；在上游端面凹槽32中，喉口孔31和轴33之间的布置有与各个喉口孔31相对应的定位孔34，通过转动喉口转轮3使定位孔34与所述第一喉口转轮凹槽12中开有贯穿的定位销孔13对中，再通过弹簧定位销5与定位销孔13相配合对喉口转轮3进行固定。两相邻喉口孔31之间的距离小于所述收缩形流道11的出口112的直径，也小于所述扩散形流道21的进口212的直径，防止在流量调节过程中出现堵死现象。所述轴33上具有两道第四O型密封圈槽，并嵌有第四O型密封圈74。所述喉口孔31也为收缩结构，其由喉部收缩段311，喉部扩散段312和喉部平直段313组成。所述各个喉口孔31的喉部收缩段311的进口直径D_ti相等并且都等于收缩形流道11的出口112的直径。所述各个喉口孔31的喉部扩散段312的出口直径D_to相等并且都等于扩散形流道21的进口212的直径。所述各个喉口孔31的喉部平直段直径D_t各不相同。喉口孔31的喉部收缩段311的进口与收缩形流道11的出口112相配合，喉部扩散段312的出口与扩散形流道21的进口212相配合。

如图7所示，各个喉口孔31的进出口端面也可以分别设置有进口O型密封圈槽314和出口O型密封圈槽315，并嵌有O型密封圈，在这种情况下，收缩形流道11的出口112周围的第一O型密封圈槽111和所述扩散形流道21的进口212周围的第三O型密封圈槽211都可以省去。

如图8所示，调节手轮4表面具有指示相对应喉口孔的刻度。在调节文丘里喉口面积时结合指示针26以及弹簧定位销5的共同作用，精确确定喉口面积大小及位置。调节手轮4也可以通过微机控制的电机进行控制图中未标示。

在临界流文丘里喷嘴工作过程中，收缩形流道11加上喉口孔31的喉部收缩段311共同构成了文丘里喷嘴的收缩部分，而扩散形流道21加上喉口孔31的喉部扩散段312共同构成了文丘里喷嘴的扩散部分，而喉口孔31的喉部平直段313为实际有效的文丘里喉部。当需要调节临界流量，更换有效喉口面积时，其操作步骤为：向外侧拔出弹簧定位销5，转动喉口转轮，根据调节手轮4和指示针26的指示作用，在接近目标位置附近松开弹簧定位销5，在弹簧力的作用下，弹簧定位销5能够实现对喉口转轮3位置的精确确定。

本发明所涉及的新型喉口面积可调节临界流文丘里喷嘴，根据流量控制及调节的要求，将常用的临界流量对应的喉口尺寸集中到喉口转轮3上，可以在临界流喷嘴进口流体参数不变的情况下，通过转动喉口转轮3更换不同的喉口孔与收缩形流道11和扩散形流道21相配合，实现临界流量在无须中断流体流动的情况下的在线调节。其流量调节范围宽，结构简单，性能可靠稳定，操作方便，并且适用于高温高压流体，在工程应用领域是一种临界流量调节和控制的有效实用装置。例如，作为一种特例，在石油工程领域稠油热采的分层注汽中，结合中国专利CN201110398076.0或者中国专利CN 200810232020.6，应用本发明中所论述的临界流喷嘴可以控制各分配支路蒸汽的流量，可以方便的对各支路流量进行调节，不会出现各支路之间流量调节时相互干扰的情况。

Claims (7)

1.一种具有喉口转轮的喉口面积可调节的临界流文丘里喷嘴，其特征在于：包括通过螺栓(6)相连接的上游收缩段(1)和下游扩散段(2)，以及在上游收缩段(1)和下游扩散段(2)之间包裹的具有多个不同直径喉口孔(31)的喉口转轮(3)；上游收缩段(1)上的收缩形流道(11)和下游扩散段(2)上的扩散形流道(21)以及喉口转轮(3)上的喉口孔(31)构成了一个临界流文丘里喷嘴；喉口转轮(3)能够通过调节手轮(4)进行转动，选取直径不同的喉口孔(31)与收缩形流道(11)和扩散形流道(12)相配合，来改变临界流文丘里喷嘴喉口面积；弹簧定位销(5)能在转动过程中精确确定喉口转轮(3)的位置，并且在喷嘴工作过程中对喉口转轮(3)进行固定。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述上游收缩段(1)呈圆盘状，在其收缩形流道(11)的下游开有第一喉口转轮凹槽(12)，在第一喉口转轮凹槽(12)中开有贯穿的定位销孔(13)，在上游收缩段(1)的出口端面具有与所述下游扩散段(2)相连接的上游收缩段法兰(14)，进口端面具有与管道连接的进口法兰(15)，所述收缩形流道(11)的出口(112)周围具有第一O型密封圈槽(111)，其中嵌有第一O型密封圈(72)；在所述第一喉口转轮凹槽(12)下游端面周围具有两道第二O型密封圈槽(121)，其中嵌有第二O型密封圈(71)；

所述下游扩散段(2)呈圆盘状，在其扩散形流道(21)的上游开有第二喉口转轮凹槽(22)，在第二喉口转轮凹槽(22)中开有贯穿的喉口转轮轴孔(23)，在下游扩散段(2)的进口端面具有与所述上游收缩段法兰(14)相对应的下游扩散段法兰(24)，出口端面具有与管道连接的出口法兰(25)，所述扩散形流道(21)的进口(212)周围具有第三O型密封圈槽(211)，其中嵌有第三O 型密封圈(73)；在下游扩散段(2)的出口方向下端面具有指示针(26)；

所述喉口转轮(3)，其尺寸与第一喉口转轮凹槽(12)和第二喉口转轮凹槽(22)相适配并能在二者组成的腔室中自由转动，在喉口转轮(3)周向上布置有多个不同形状尺寸的贯穿的喉口孔(31)，在喉口转轮(3)两端面中部都有凹槽(32)以减小转动摩擦阻力，凹槽(32)中心位置具有轴(33)，轴(33)插入所述第二喉口转轮凹槽(22)中开有贯穿的喉口转轮轴孔(23)中，再通过安装在轴(33)上的调节手轮(4)使喉口转轮(3)转动；在喉口孔(31)和轴(33)之间的周向上布置有与各个喉口孔(31)相对应的定位孔(34)，通过转动喉口转轮(3)使定位孔(34)与所述第一喉口转轮凹槽(12)中开有贯穿的定位销孔(13)对中，再通过弹簧定位销(5)与定位销孔(13)相配合对喉口转轮(3)进行固定；所述轴(33)上具有两道第四O型密封圈槽，并嵌有第四O型密封圈(74)。

3.根据权利要求2所述的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，其特征在于：所述各个喉口孔(31)在喉口转轮(3)周向上均匀分布或非均匀分布，但两相邻喉口孔(31)之间的距离要小于所述收缩形流道(11)的出口(112)的直径，也小于所述扩散形流道(21)的进口(212)的直径。

4.根据权利要求2所述的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，其特征在于：所述喉口孔(31)也为收缩结构，其由位于收缩形流道(11)一端的喉部收缩段(311)、位于扩散形流道(21)一端的喉部扩散段(312)以及喉部平直段(313)组成；所述各个喉口孔(31)的喉部收缩段(311)的进口直径D_ti相等并且都等于收缩形流道(11)的出口(112)的直径；所述各个喉口孔(31)的喉部扩散段(312)的出口直径D_to相等并且都等于扩散形流道(21)的进口(212)的直径；所述各个喉口孔(31)的喉部平直段(313) 的直径D_t各不相同。

5.根据权利要求2所述的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，其特征在于：所述各个喉口孔(31)的进出口端面分别设置有进口O型密封圈槽(314)和出口O型密封圈槽(315)，并嵌有O型密封圈，在这种情况下，所述收缩形流道(11)的出口(112)周围的第一O型密封圈槽(111)和所述扩散形流道(21)的进口(212)周围的第三O型密封圈槽(211)则省去。

6.根据权利要求2所述的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，其特征在于：所述调节手轮(4)表面具有指示相对应喉口孔(31)的刻度，在调节文丘里喉口面积时结合指示针(26)以及弹簧定位销(5)的共同作用，精确确定喉口面积大小及位置；调节手轮(4)也能够通过微机控制的电机进行控制。

7.根据权利要求2所述的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，其特征在于：所述弹簧定位销(5)表面具有第五O型密封圈槽，并嵌有第五O型密封圈(75)，在文丘里喷嘴工作过程中，其末端与定位孔(34)相配合。