一种套筒阀开孔设计方法以及套筒阀

1.本技术涉及套筒阀技术领域，特别是涉及一种套筒阀开孔设计方法以及套筒阀。


背景技术：

2.套筒阀是一种特殊的调节阀，主要由阀座、套筒、阀芯、阀杆和阀盖等组成，节流套筒作为调节导向元件，当阀杆带动阀芯沿着节流套筒上下移动时，套筒的过流面积随之改变，形成特定的流量特性，从而实现流量的控制调节。套筒阀是调节阀中的一种，针对套筒阀的节流孔进行合理结构设计是获得特定流量特性的关键。
3.当前技术中在设计套筒阀的节流孔时，往往是通过多次实验找出符合流量特性的节流孔分布，但是由于节流孔的离散分布，该方法比较费时费力，且设计结果精度难以保证。
4.由此可见，如何更快捷的实现套筒阀节流孔的设计是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种套筒阀开孔设计方法以及套筒阀，用于在对套筒阀进行开孔设计时，避免需要多次实验才能获取满足对应的流量特性的节流孔布局，造成了人力物力资源浪费。
6.为解决上述技术问题，本技术提供一种套筒阀开孔设计方法，包括：
7.确认套筒阀的流量方程和流量特性；
8.根据所述流量方程和所述流量特性，调用对应的数学模型；所述数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型；
9.确认套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积；
10.根据所述数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。
11.优选的，在所述根据所述数学模型确认的每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距的步骤之后，还包括：
12.根据所述数学模型确认出的套筒阀的各参数信息建立流体域模型以对所述套筒阀进行仿真；
13.根据仿真得到的套筒阀的流量计算相对出口流量；
14.根据所述数学模型计算得出的套筒阀的理想过流面积计算相对过流面积；
15.判断所述相对出口流量和所述相对过流面积之间的误差是否超出阈值；
16.若不超出，则确认通过所述数学模型得出的节流孔的布局符合需求；
17.若超出，则根据所述误差调整所述节流孔的布局。
18.优选的，所述根据所述误差调整所述节流孔的布局包括：
19.根据所述误差增大或减小节流孔的面积；
20.或，根据所述误差增加或减少节流孔数量；
21.或，根据所述误差上移或下移节流孔。
22.优选的，在建立所述流体域模型之后，还包括：
23.对所述流体域模型进行拉伸切除处理，以得到不同开度下的流体域模型；
24.对应的，判断所述相对出口流量和所述相对过流面积之间的误差是否超出阈值包括：判断所述套筒阀在不同开度下，所述相对出口流量和所述相对过流面积之间的误差是否超出对应的阈值。
25.优选的，所述根据所述数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距包括：
26.根据所述数学模型，使用遗传算法求解每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，以使套筒阀的实际过流面积符合理想过流面积。
27.优选的，所述节流孔的形状为圆形。
28.优选的，所述流量特性为等百分比流量特性；
29.对应的，所述数学模型为：
[0030][0031]
其中，δs为实际过流面积与理想过流面积的误差，s1为实际过流面积，r为可调比，l为行程；s
max
为理想过流面积，n为节流孔层数。
[0032]
优选的，相邻两层之间的节流孔的圆心距离满足：0≤δh＜2r；
[0033]
r为节流孔的半径，δh为相邻两层之间的节流孔的圆心距离。
[0034]
优选的，对所述套筒阀进行仿真包括：
[0035]
建立流体域模型；
[0036]
对所述流体域模型进行网格划分；
[0037]
设置边界条件以使仿真准确地描述流体的实际流动过程。
[0038]
为解决上述技术问题，本技术还提供一种套筒阀，所述套筒阀的开孔为由上述的套筒阀开孔设计方法所产生的孔。
[0039]
本技术所提供的套筒阀开孔设计方法，确认套筒阀的流量方程和流量特性；根据流量方程和流量特性，调用对应的数学模型；数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型；确认套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积；根据数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。相对于当前技术中，需要多次实验才能实现针对不同流量特性的节流孔的布局设计，采用本技术方案，为了满足不同流量特性的套筒阀节流孔的设计，根据需要的流量方程和流量特性选用对应的数学模型，根据需求的节流孔的开孔层数以及各节流孔的面积，通过数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，由此实现节流孔的布局设计，相对于当前技术，本技术方案无需多次反复实验即可实现套筒阀的开孔设计。由于数学模型是根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型，所以针对不同流量特性会产生不同的布局设计，满足套筒阀的不同流量需求。本技术方案在实现针对套筒阀不同流量特性时的节流孔设计时，能够避免多次实验造成的人力物力资源浪费。
[0040]
此外，本技术所提供的套筒阀与上述的套筒阀开孔设计方法相对应，效果同上。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本技术实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本技术实施例提供的一种套筒阀的结构图；
[0043]
图2为本技术实施例提供的一种多孔型节流套筒的结构图；
[0044]
图3为本技术实施例提供的一种窗口型节流套筒的结构图；
[0045]
图4为本技术实施例提供的一种套筒阀开孔设计方法的流程图；
[0046]
图5为本技术实施例提供的一种节流孔示意图；
[0047]
图6为本技术实施例提供的一种节流孔布局的示意图；
[0048]
图7为本技术实施例提供的一种节流孔过流面积示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护范围。
[0050]
为了便于理解，本技术首先对套筒阀的结构进行说明，图1为本技术实施例提供的一种套筒阀的结构图，如图1所示，套筒阀是一种特殊的调节阀，主要由阀座1、套筒2、阀芯3、阀杆4和阀盖5等组成，节流套筒作为调节导向元件，当阀杆带动阀芯沿着节流套筒上下移动时，套筒的过流面积随之改变，形成特定的流量特性，从而实现流量的控制调节，因此可以通过更换节流套筒以实现同一套筒阀的流量特性改变。节流套筒采用独特的平衡式结构设计，在大压差和大流量的工况下，抑制空化和减振降噪效果良好，且阀前后压差对阀芯产生的不平衡液动力较小，不易引起阀芯的振动，对执行机构的输出操作力要求低。
[0051]
套筒阀按节流套筒的开孔形式可分为多孔型和窗口型，图2为本技术实施例提供的一种多孔型节流套筒的结构图，图3为本技术实施例提供的一种窗口型节流套筒的结构图，其中，多孔型套筒阀的降噪减振效果更好。对于从超高压到低压的调节过程，通常采用多级套筒进行连续降压。本技术中主要针对的是节流套筒的多孔型设计。
[0052]
套筒阀中节流套筒的结构对套筒阀的流量特性有着重要影响，为了设计出满足技术人员需求的流量特性的套筒阀，就需要对节流套筒上各节流孔的大小、数量、层数等进行对应布局。当前技术中在设计套筒阀的节流孔时，往往是通过多次实验找出符合流量特性的节流孔分布，但是由于节流孔的离散分布，该方法比较费时费力，且设计结果精度难以保证。
[0053]
由此可见，如何更快捷的实现套筒阀节流孔的设计是本领域技术人员亟待解决的问题。
[0054]
本技术的核心是提供一种套筒阀开孔设计方法以及套筒阀，用于在对套筒阀进行开孔设计时，避免需要多次实验才能获取满足对应的流量特性的节流孔布局，造成了人力物力资源浪费。
[0055]
图4为本技术实施例提供的一种套筒阀开孔设计方法的流程图，如图4所示，该方
法包括：
[0056]
s10：确认套筒阀的流量方程和流量特性；
[0057]
s11：根据流量方程和流量特性，调用对应的数学模型；数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型；
[0058]
s12：确认套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积；
[0059]
s13：根据数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。
[0060]
在本技术中，针对不同结构的调节阀，其流量方程和流量特性也会不同，因此，本技术中首先需要确认调节阀的流量方程和流量特性。
[0061]
在具体实施中，当流体通过调节阀时，阀杆控制阀芯沿套筒上下移动，由于阀芯的阻碍作用，导致过流面积的增大或减小，进而实现流量控制的功能。应用实际流体伯努利方程式，可得到流体流过调节阀的流量公式。
[0062]
实际流量伯努利方程式为：
[0063][0064]
式中，z1，z2为调节阀进、出口端的高度，p1、p2为调节阀进、出口端的压力，为调节阀进、出口端截面的平均速度，α1、α2为调节阀进、出口端截面的动能修正系数，hf为能量损失，g为重力加速度。
[0065]
对于不可压缩流体，阀前后管径一致，流速相同，可得：
[0066][0067]
同样式中能量损失hf可以用阀门的阻力系数ξ和速度能的乘积来表示，即：
[0068][0069]
而平均流速为：
[0070][0071]
式中，q为出口流量，s为节流孔过流面积。
[0072]
综上，可得到调节阀的流量方程为：
[0073][0074]
s为调节阀的过流面积，单位为cm2；ξ为调节阀开度为i％时的阻力系数；δp为调节阀进出口压差，单位为100kpa；δp为流体密度，单位为g/cm3；q为体积流量，单位为m3/h。
[0075]
调节阀的流量特性，是指在假设阀门进出口两端压差保持不变的条件下，介质流经调节阀的相对流量与阀门开度之间的关系，单位时间内通过的流量值通常是用流量系数c评价，调节阀流量特性表达式为：
[0076]
[0077]
式中，c/c
max
—当前开度流量系数/满开度流量系数，即相对流量系数；
[0078]
q/q
max
—当前开度流量/满开度流量，即相对流量；
[0079]
l/l—当前开度阀杆行程/满开度阀杆行程，即相对行程。
[0080]
调节阀主要有直线型、快开型、等百分比型、抛物线型四种典型流量特性。直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对位移呈正比例关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数；快开流量特性是指当调节阀开度较小时，阀杆位移的细微变化可引起较大的流量改变，但随着开度不断增加，阀杆的移动对流量的影响越来越小；等百分比流量特性是指调节阀相对行程引起的相对流量变化率，与该行程下的相对流量呈正比；抛物线型流量特性是指调节阀相对行程引起的相对流量变化率，与该行程下的相对流量的平方根呈正比。
[0081]
在确认了调节阀的流量方程和流量特性后，即可根据流量方程和流量特性，调用对应的数学模型；其中，数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型。在本技术中，建立合理的数学模型是对套筒阀中节流孔布局设计的基础。在具体实施中，阀门的流量能力与节流套筒的过流面积有对应的关系，即阀门的开度决定阀门的过流面积，对于不同结构，例如为了获得阀门的等百分比流量特性，希望设计的阀门的通流面积与开度呈等百分比关系，因此对节流孔进行合理布局设计是获得等百分比流量特性的关键。对于一个结构确定的套筒阀，其流量特性主要取决于节流套筒与阀芯作用下的过流面积，所以本技术中节流套筒布局设计主要依据流量和过流面积之间的对应关系，并以理想过流面积为目标设计节流套筒。通过上述对流量特性的介绍可以看出，针对不同流量特性，套筒阀流量、过流面积和行程之间存在对应关系，因此通过套筒阀流量、过流面积和行程即可建立数学模型，在确认数学模型中的其他未知数，例如套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积后，即可确认节流套筒每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。例如，以节流孔为圆形节流孔进行设计时，节流孔的面积即可根据圆孔半径确认，选择确认套筒阀的开孔层数后，通过算法求解，即可输出尽可能满足等百分比流量特性的节流布局，输出参数有每层的节流孔个数，以及相邻的节流孔间距大小。当节流孔为圆形时，节流孔的间距大小即为两层之间圆心的间距。在具体实施中，可以以第一层节流孔建立一个参考坐标系，第一层与底部的间距即为圆形节流孔半径，第一层与第二层之间的间距为相应的节流孔圆心坐标之间的间距。
[0082]
在通过数学模型进行求解时，由于数学模型涉及因素较多，采用传统的计算手段很难获得准确的可行解，因此在本技术中，可以采用遗传算法进行求解。具体的，根据数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距包括：根据数学模型，使用遗传算法求解每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，以使套筒阀的实际过流面积符合理想过流面积。
[0083]
优化算法是一种以数学模型为基础，在规定的约束条件下进行各类问题优化求解的应用技术。
[0084]
遗传算法是计算数学中用于解决最佳化的搜索算法，是进化算法的一种。进化算法最初是借鉴了进化生物学中的一些现象而发展起来的，这些现象包括遗传、突变、自然选择以及杂交等。遗传算法通常实现方式为一种计算机模拟。对于一个最优化问题，一定数量的候选解(称为个体)的抽象表示(称为染色体)的种群向更好的解进化。传统上，解用二进制表示(即0和1的串)，但也可以用其他表示方法。进化从完全随机个体的种群开始，之后一
代一代发生。在每一代中，整个种群的适应度被评价，从当前种群中随机地选择多个个体(基于它们的适应度)，通过自然选择和突变产生新的生命种群，该种群在算法的下一次迭代中成为当前种群。
[0085]
遗传算法的基本运算过程大致为：
[0086]
初始化：设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数t，随机生成m个个体作为初始群体p(0)。
[0087]
个体评价：计算群体p(t)中各个个体的适应度。
[0088]
选择运算：将选择算子作用于群体。选择的目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的。
[0089]
交叉运算：将交叉算子作用于群体。遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。
[0090]
变异运算：将变异算子作用于群体。即是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。
[0091]
群体p(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体p(t+1)。
[0092]
终止条件判断：若t＝t,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。
[0093]
本技术所提供的套筒阀开孔设计方法，确认套筒阀的流量方程和流量特性；根据流量方程和流量特性，调用对应的数学模型；数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型；确认套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积；根据数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。相对于当前技术中，需要多次实验才能实现针对不同流量特性的节流孔的布局设计，采用本技术方案，为了满足不同流量特性的套筒阀节流孔的设计，根据需要的流量方程和流量特性选用对应的数学模型，根据需求的节流孔的开孔层数以及各节流孔的面积，通过数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，由此实现节流孔的布局设计，相对于当前技术，本技术方案无需多次反复实验即可实现套筒阀的开孔设计。由于数学模型是根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型，所以针对不同流量特性会产生不同的布局设计，满足套筒阀的不同流量需求。本技术方案在实现针对套筒阀不同流量特性时的节流孔设计时，能够避免多次实验造成的人力物力资源浪费。
[0094]
在具体实施中，在完成节流孔的布局设计后，为了验证通过数学模型确认出的节流孔的布局设计是否满足需求，还可以通过仿真的形式进行验证。
[0095]
具体的，可以采用三维软件进行套筒阀建模，套筒阀开孔设计方法还包括：
[0096]
在根据数学模型确认的每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距的步骤之后，还包括：
[0097]
根据数学模型确认出的套筒阀的各参数信息建立流体域模型以对套筒阀进行仿真；
[0098]
根据仿真得到的套筒阀的流量计算相对出口流量；
[0099]
根据数学模型计算得出的套筒阀的理想过流面积计算相对过流面积；
[0100]
判断相对出口流量和相对过流面积之间的误差是否超出阈值；
[0101]
若不超出，则确认通过数学模型得出的节流孔的布局符合需求；
[0102]
若超出，则根据误差调整节流孔的布局。
[0103]
具体的，根据误差调整节流孔的布局包括：根据误差增大或减小节流孔的面积；或，根据误差增加或减少节流孔数量；或，根据误差上移或下移节流孔。
[0104]
在本实施例中，在通过数学模型完成节流孔的布局设计之后，根据其中的参数信息例如，每层节流孔的个数、节流孔的层数、节流孔的直径、间距等信息，建立流体域模型以对套筒阀进行仿真。在进行仿真时，由于流量特性与套筒阀的开度相关，因此，在建立流体域模型之后，还包括：对流体域模型进行拉伸切除处理，以得到不同开度下的流体域模型；对应的，判断相对出口流量和相对过流面积之间的误差是否超出阈值包括：判断套筒阀在不同开度下，相对出口流量和相对过流面积之间的误差是否超出对应的阈值。
[0105]
在本实施例中，在对套筒阀建模时，在根据数学模型得到套筒阀的各参数信息建立得到三维套筒阀模型后，可以将流体域模型在ansys中的dm模型或scdm模型中利用拉伸切除命令进行处理，以得到不同开度下的流体域模型；
[0106]
或，将流体域模型在solidworks或catia软件中利用拉伸切除命令进行处理，以得到不同开度下的流体域模型。
[0107]
在进行模拟时，可以依次进行边界条件命令、网格划分、边界条件设置、求解器选择，并监测出口流量值，然后进行设置迭代步，进行数值模拟。套筒阀的不同开度可为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
[0108]
在具体实施中，在对套筒阀仿真后，还需要进行相关参数的设置，具体的，在得到套筒阀的流体域模型后，需对流体域模型进行网格划分，ansys fluent中的网格类型有结构化网格和非结构化网格。结构化网格主要有三角网格、四面体网格和六面体网格，三角网格最为简单，是全部由三角形构成的多边形网格，由于任何多边形网格都可转化为三角网格，故有较强的通用性；四面体网格对复杂模型有更好的贴合度，这是因为四面体网格的边可以更直接地与模型特征边进行对齐；六面体网格可以在模型的不同区域根据具体要求而改变，具体较大的纵横比。相比于结构化网格，非结构化网格对网格尺寸和节点密度的控制度更高，可以对不同形状和连通区域的网格做划分，适用于结构复杂的流场分析。因此，本实施例中可采用非结构化网格进行划分，为了保证计算结果的精度，在细长流道处进行网格细化，并在近壁面处划分边界层网格。
[0109]
此外，还需要设置合理的边界条件，可以使得流体仿真更加准确地描述流体的实际流动过程。在本实施例中，将流体域左侧边界设为压力入口，其值为1000kpa，下侧边界设为压力出口，其值为900kpa；阀内流体域介质为常温水，其密度为998.2kg/m3，设置温度为300k，环境压力设定为大气压，并考虑重力加速度对流体流动的影响；壁面为无滑移边界条件，近壁面采用标准壁面函数；选用标准k-ε湍流模型；收敛条件为连续性方程、动量方程以及湍流方程的最大残差值均小于1
×
10-5
，能量方程的最大残差值小于1
×
10-6
；以阀门入口参考作为初始条件，采用标准初始化；采用simple算法和二阶迎风格式进行分别对不同开度下的套筒阀进行数值模拟迭代计算。在数值模拟过程中，实时监测套筒阀出口流量，当出口流量稳定且残差收敛值符合要求时，认为数值模拟结果稳定收敛，准确可靠，迭代中止。
[0110]
流量数值计算精度的高低取决于网格质量的优劣，目前主要通过正交质量系数、偏斜系数、翘曲系数和雅克比率等参数进行网格质量的评估。通常情况下，网格尺寸越小，计算精度越高，但在提高计算精度的同时难免引起网格数目的增加，造成设计周期过长且
过多占用计算资源。为了实现计算精度和计算效率之间的平衡，在正式数值计算开始前，有必要进行网格无关性检验。
[0111]
综上，将不同开度下的流体域模型导入ansys fluent中进行数值模拟，依次进行边界条件命令、网格划分、边界条件设置、求解器选择，并监测出口流量值，然后进行设置迭代步，进行数值模拟。从而将模拟结果与理想结果进行比较，判断节流孔设计是否符合需求。
[0112]
具体的，为明确过流面积—开度曲线和出口流量—开度曲线的相关性，根据特定开度下过流面积和出口流量列表，将数据进行归一化处理。
[0113]
优选的，归一化方案为，
[0114][0115]
式中，λi代表流量占比，qi代表在特定开度下流量值，q
max
代表在最大开度下流量值，ηi代表面积占比，si代表在特定开度下面积值，s
max
代表在最大开度下面积值。
[0116]
在本实施例中，根据仿真得到的套筒阀的流量计算相对出口流量；根据数学模型计算得出的套筒阀的理想过流面积计算相对过流面积；判断相对出口流量和相对过流面积之间的误差是否超出阈值；若不超出，则确认通过数学模型得出的节流孔的布局符合需求；若超出，则根据误差调整节流孔的布局。表1为仿真结果验证图，可以看出，相对出口流量曲线与通过算法求解得到的相对过流面积曲线的趋势一致，均呈等百分比特性。在相对开度0～100％的范围内，对照特定开度下相对出口流量和相对过流面积数据，可得到两者最大误差为3.45％，满足设计目标流量误差低于5％的要求，可见误差在可接受范围内，通过数学模型得出的节流孔的布局符合需求。
[0117]
表1
[0118][0119][0120]
上述实施例中介绍了不同结构的调节阀具有多种流量特性，本实施例中以流量特
性为等百分比流量特性为例进行进一步说明。相较于其他流量特性，等百分比流量特性在小开度流量变化缓慢，大开度时流量调节快速，敏感度高，即相对流量的变化值稳定，能够实现更广行程的高精度调节，其数学表达式如下：
[0121][0122]
边界条件：
[0123]
l＝0时，q＝q
min
[0124]
l＝l时，q＝q
max
；
[0125]
则有，
[0126][0127]
式中，为可调比，其体现了调节阀调节能力的强弱。
[0128]
即，
[0129][0130]
上式中，q/q
max
与l/l之间呈对数关系，在同样的行程变化值下，流量小时，流量变化小；流量大时，流量变化大。也就是说，在小开度时，调节阀的流量系数小，调节平稳缓和；在大开度时，流量系数大，调节灵敏有效，这样有利于自动调节系统的工作。
[0131]
套筒阀在工作时，其流体通过节流孔的区域面积称为过流面积。通常情况下，过流面积越大，流量也就越大，因此，套筒阀中节流孔的布局方式直接影响着其流量特性。套筒阀是通过阀杆的移动以实现节流套筒过流面积的改变，从而达到流量调节的目的。图5为本技术实施例提供的一种节流孔示意图，如图5所示，当阀芯位于位移l时，阴影部分表示节流孔的过流面积，根据几何关系，单个节流孔的过流面积s(l)如下：
[0132][0133]
在上述实施例的基础上，在对整个节流套筒的节流孔布局进行分析时，情况较为复杂，故采用逐层分析、分类讨论的方法进行研究。图6为本技术实施例提供的一种节流孔布局的示意图。
[0134]
当i＝1时，作如下分类讨论
[0135]
(1)当0≤l＜δh(i)时，
[0136]
s(l)＝n(i)
·
s(l)；
[0137]
(2)当δh(i)≤l＜2r时，
[0138]
s(l)＝n(i)
·
s(l)+n(i+1)
·
s(l-δh(i))；
[0139]
(3)当2r≤l＜r+δh(i)时，
[0140]
s(l)＝n(i)
·
π
·
r2+n(i+1)
·
s(l-δh(i))；
[0141]
当2≤i≤n-1时，作如下分类讨论
[0142][0143]
当i＝n时，做如下分类讨论，
[0144][0145][0146]
式中，l为当前的阀芯位移；s(l)为阀芯位移为l时的节流套筒过流面积；r为节流孔半径；δh(i)为第i层与第i+1层节流孔圆心之间的间距；n(i)为第i层节流孔数量。
[0147]
在上述理论的支撑下，将调节阀的流量公式与等百分流量特性相结合，得到套筒阀流量、过流面积和行程之间的函数关系，
[0148][0149]
式中，为行程为l时的阀阻系数，为行程为l时的阀阻系数。
[0150]
对于一个结构确定的套筒阀，其流量特性主要取决于节流套筒与阀芯作用下的过流面积，若阀体流阻系数ξ已测定且保持不变，那么流量q和过流面积s是呈线性关系，即可得所以本技术中节流套筒布局设计主要依据流量和过流面积之间的对应关系，并以理想过流面积为目标设计节流套筒。
[0151]
具体的，s
max
取400，可调比r取10，行程l取30。
[0152]
需要说明的是，本技术所提供的套筒阀开孔设计方法，可以为节流孔设置不同形状，例如圆形、方形、三角形、椭圆形。当节流孔形状为圆形时，既方便加工，又避免了应力集中，本实施例中以圆形作为阀套节流孔形状，取节流孔半径r为2mm，节流套筒中节流孔总层数为13，为逼近理想函数式。图7为本技术实施例提供的一种节流孔过流面积示意图，本技术中基于遗传算法建立数学模型，该模型将实际过流面积s1(行程为l时s1如图7阴影部分所示)与理想过流面积s之间的误差δs设置为模型目标函数式，该值越小表明求解结果越理想，即
[0153][0154]
其中，δs为实际过流面积与理想过流面积的误差，s1为实际过流面积，r为可调比，l为行程；s
max
为理想过流面积，n为总行程的等距离散份数，取1200。
[0155]
为保证流量调节连续，相邻两层之间圆形节流孔的圆心距离应满足
[0156]
0≤δh＜2r，
[0157]
r为节流孔的半径，δh为相邻两层之间的节流孔的圆心距离。
[0158]
此外，本技术还提供一种套筒阀，套筒阀的开孔为由上述套筒阀开孔设计方法所产生的孔。
[0159]
本技术所提供的套筒阀，套筒阀的开孔为由上述套筒阀开孔设计方法所产生的孔，套筒阀开孔设计方法通过确认套筒阀的流量方程和流量特性；根据流量方程和流量特性，调用对应的数学模型；数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型；确认套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积；根据数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。相对于当前技术中，需要多次实验才能实现针对不同流量特性的节流孔的布局设计，采用本技术方案，为了满足不同流量特性的套筒阀节流孔的设计，根据需要的流量方程和流量特性选用对应的数学模型，根据需求的节流孔的开孔层数以及各节流孔的面积，通过数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，由此实现节流孔的布局设计，相对于当前技术，本技术方案无需多次反复实验即可实现套筒阀的开孔设计。由于数学模型是根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型，所以针对不同流量特性会产生不同的布局设计，满足套筒阀的不同流量需求。本技术方案在实现针对套筒阀不同流量特性时的节流孔设计时，能够避免多次实验造成的人力物力资源浪费。
[0160]
以上对本技术所提供的套筒阀开孔设计方法以及套筒阀进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
[0161]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术特征：
1.一种套筒阀开孔设计方法，其特征在于，包括：确认套筒阀的流量方程和流量特性；根据所述流量方程和所述流量特性，调用对应的数学模型；所述数学模型为根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型；确认套筒阀的开孔层数以及各节流孔的面积；根据所述数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距。2.根据权利要求1所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，在所述根据所述数学模型确认的每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距的步骤之后，还包括：根据所述数学模型确认出的套筒阀的各参数信息建立流体域模型以对所述套筒阀进行仿真；根据仿真得到的套筒阀的流量计算相对出口流量；根据所述数学模型计算得出的套筒阀的理想过流面积计算相对过流面积；判断所述相对出口流量和所述相对过流面积之间的误差是否超出阈值；若不超出，则确认通过所述数学模型得出的节流孔的布局符合需求；若超出，则根据所述误差调整所述节流孔的布局。3.根据权利要求2所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，所述根据所述误差调整所述节流孔的布局包括：根据所述误差增大或减小节流孔的面积；或，根据所述误差增加或减少节流孔数量；或，根据所述误差上移或下移节流孔。4.根据权利要求2所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，在建立所述流体域模型之后，还包括：对所述流体域模型进行拉伸切除处理，以得到不同开度下的流体域模型；对应的，判断所述相对出口流量和所述相对过流面积之间的误差是否超出阈值包括：判断所述套筒阀在不同开度下，所述相对出口流量和所述相对过流面积之间的误差是否超出对应的阈值。5.根据权利要求1所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，所述根据所述数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距包括：根据所述数学模型，使用遗传算法求解每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，以使套筒阀的实际过流面积符合理想过流面积。6.根据权利要求1所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，所述节流孔的形状为圆形。7.根据权利要求6所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，所述流量特性为等百分比流量特性；对应的，所述数学模型为：其中，δs为实际过流面积与理想过流面积的误差，s1为实际过流面积，r为可调比，l为
行程；s
max
为理想过流面积，n为节流孔层数。8.根据权利要求7所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，相邻两层之间的节流孔的圆心距离满足：0≤δh＜2r；r为节流孔的半径，δh为相邻两层之间的节流孔的圆心距离。9.根据权利要求2所述的套筒阀开孔设计方法，其特征在于，对所述套筒阀进行仿真包括：建立流体域模型；对所述流体域模型进行网格划分；设置边界条件以使仿真准确地描述流体的实际流动过程。10.一种套筒阀，其特征在于，所述套筒阀的开孔为由权利要求1-9任意一项所述的套筒阀开孔设计方法所产生的孔。

技术总结
本申请涉及套筒阀技术领域，公开了一种套筒阀开孔设计方法以及套筒阀，相对于当前技术中，需要多次实验才能实现针对不同流量特性的节流孔的布局设计，采用本技术方案，为了满足不同流量特性的套筒阀节流孔的设计，根据需要的流量方程和流量特性选用对应的数学模型，通过数学模型确认每层中节流孔的个数以及每相邻两层之间节流孔的间距，由此实现节流孔的布局设计。由于数学模型是根据套筒阀流量、过流面积和行程的对应关系建立的模型，所以针对不同流量特性会产生不同的布局设计，满足套筒阀的不同流量需求。本技术方案在实现针对你套筒阀不同流量特性时的节流孔设计时，能够避免多次实验造成的人力物力资源浪费。次实验造成的人力物力资源浪费。次实验造成的人力物力资源浪费。


技术研发人员：王懿 李燕彬 王庆松 侯振 顾雨晨 肖思成 陈柏江
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/9