本發(fā)明涉及一種籠式單座閥，尤其涉及一種抗沖蝕籠式單座閥及其優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、單座閥又稱單座調(diào)節(jié)閥，其特點是閥體內(nèi)僅有一個閥芯和一個閥座，只要改變閥芯與閥座的位置關(guān)系就可實現(xiàn)開啟或關(guān)閉動作。單座閥具有泄漏量小的優(yōu)點，但其缺點是介質(zhì)對閥芯的作用力即不平衡力大，允許壓差較小，因此單座閥僅適用于泄漏要求較嚴(yán)、壓差不大的干凈介質(zhì)場合，反之，不干凈介質(zhì)、壓差較大時不適用。單座調(diào)節(jié)閥按結(jié)構(gòu)主要分為單座式、套筒式、雙座式、籠式等四種。

2、單座閥在高壓差、高流速和有固體顆粒的二相流流場工況下，容易造成沖蝕磨損等問題，導(dǎo)致閥內(nèi)件失效。流體在高速運動時會攜帶固體顆粒沖擊閥內(nèi)件表面，造成閥座和閥芯產(chǎn)生明顯的沖蝕磨損，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)失效而失去工作能力，影響工作系統(tǒng)的安全性和可靠性。相比其它結(jié)構(gòu)的單座閥，籠式單座調(diào)節(jié)閥采用多級降壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效減緩流體流速，抑制沖蝕。

3、在自然界，一些生物為了適應(yīng)惡劣環(huán)境不斷的進(jìn)化結(jié)構(gòu)以適應(yīng)環(huán)境，這為工程設(shè)計拓展了思路。在觀察紅柳樹皮時，發(fā)現(xiàn)其表面分布的不規(guī)則的凸包結(jié)構(gòu)對克服極端的沖蝕環(huán)境有明顯的效果。通過研究這種結(jié)構(gòu)的仿生效果設(shè)計出的一種單座閥的閥芯表面結(jié)構(gòu)，可以提高閥內(nèi)件抗固液兩相流的沖蝕能力，提高閥的使用壽命。

4、單座閥內(nèi)流場的流速、壓降以及流線軌跡等因素均影響單座閥的抗沖蝕能力。因此，在流道內(nèi)設(shè)計多級降壓元件和仿生抗沖蝕結(jié)構(gòu)十分必要。而優(yōu)化節(jié)流套筒上節(jié)流孔的數(shù)量和孔徑，以及仿生凸包的數(shù)量、直徑參數(shù)，可以在不影響流量特性的前提下，最大限度地降低閥內(nèi)產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象，對保障工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定的運行具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種抗沖蝕籠式單座閥及其優(yōu)化設(shè)計方法，單座閥的閥體內(nèi)設(shè)置有內(nèi)套筒、外套筒、閥芯和籠套式閥座，在不影響流量特性的條件下，通過對外套筒及籠套式閥座上節(jié)流孔的數(shù)量和孔徑進(jìn)行優(yōu)化，以及對閥芯外側(cè)凸起結(jié)構(gòu)的數(shù)量和直徑進(jìn)行優(yōu)化，有效改善了籠式單座閥的抗沖蝕能力。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種抗沖蝕籠式單座閥，包括閥體、上閥蓋、閥芯及閥桿；還包括內(nèi)套筒、外套筒及籠套式閥座；所述閥芯與閥桿為一體結(jié)構(gòu)；閥體的一側(cè)設(shè)流體入口并形成入口流道，另一側(cè)設(shè)流體出口并形成出口流道，入口流道的頂部與出口流道的底部在閥體中部連通，并且在連通處設(shè)籠套式閥座；籠套式閥座的下部位于入口流道中并沿周向設(shè)多個節(jié)流孔一；籠套式閥座的頂部設(shè)開口與閥芯的下端配合形成主流道；籠套式閥座的上方、閥芯的外圍設(shè)內(nèi)套筒，內(nèi)套筒的下部在對應(yīng)出口流道的高度沿周向設(shè)多個節(jié)流孔二；內(nèi)套筒的下部外側(cè)設(shè)外套筒，外套筒沿周向設(shè)多個節(jié)流孔三；外套筒位于內(nèi)套筒與籠套式閥座之間；通過上閥蓋將內(nèi)套筒、外套筒及籠套式閥座在閥體內(nèi)壓緊固定。

4、所述閥芯的下部與籠套式閥座的配合段為多段變徑結(jié)構(gòu)，多段變徑結(jié)構(gòu)的直徑自上而下逐漸減??；具體的，多段變徑結(jié)構(gòu)依次由大錐度圓錐體、小錐度圓錐體及半球體組成，三者的連接處均圓滑過渡；大錐度圓錐體及半球體的外側(cè)沿周向均勻設(shè)置多個凸起結(jié)構(gòu)。

5、所述外套筒、內(nèi)套筒與籠套式閥座的接觸面處設(shè)墊圈。

6、所述節(jié)流孔一為階梯孔，靠近外側(cè)面的孔徑大于靠近內(nèi)側(cè)面的孔徑。

7、所述節(jié)流孔三與節(jié)流孔二交錯設(shè)置。

8、所述凸起結(jié)構(gòu)為半球狀凸起。

9、一種抗沖蝕籠式單座閥的優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：

10、1)在滿足單座閥流量特性的前提下制定優(yōu)化策略：以閥內(nèi)件沖蝕速率為優(yōu)化目標(biāo)，即使閥內(nèi)件沖蝕速率達(dá)到最??；以節(jié)流孔一及節(jié)流孔三的數(shù)量及孔徑，以及閥芯上凸起結(jié)構(gòu)的數(shù)量、直徑作為設(shè)計參數(shù)變量；

11、2)設(shè)計參數(shù)變量對優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度分析，即分析各個設(shè)計參數(shù)變量對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度：通過調(diào)整各參數(shù)的取值范圍，判定各參數(shù)對優(yōu)化目標(biāo)均有顯著影響；

12、3)利用有限元仿真沖蝕速率試驗提供數(shù)據(jù)樣本：采用design-expert軟件進(jìn)行實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析，采用box-behnken響應(yīng)面優(yōu)化方法建立二次多項式擬合模型即二階設(shè)計模型；

13、4)利用二階設(shè)計模型在設(shè)定考察范圍內(nèi)精確逼近響應(yīng)面的最優(yōu)值，剔除對響應(yīng)值影響不顯著的項，得到最優(yōu)參數(shù)匹配方案。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

15、1)借鑒自然界抗沖蝕能力強的紅柳樹皮的特殊結(jié)構(gòu)，在閥芯外側(cè)仿生設(shè)計凸起結(jié)構(gòu)，使其抑制沖蝕的效果顯著增強；

16、2)在閥座底部增加一個多孔籠式結(jié)構(gòu)的籠套式閥座，在內(nèi)套筒外側(cè)設(shè)置多孔式的外套筒，實現(xiàn)多級降壓、調(diào)速功能；

17、3)閥芯處于具有多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)套筒中，隨著閥芯上移，內(nèi)套筒上的節(jié)流孔二露出的數(shù)量越來越多；對應(yīng)單座閥的各個開度，在滿足流量特性的前提下，能夠最小化內(nèi)套筒的節(jié)流面積，最大限度地實現(xiàn)降壓、調(diào)速；

18、4)本發(fā)明對抗沖蝕籠式單座閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，利用design-expert軟件進(jìn)行實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析，利用box-behnken響應(yīng)面優(yōu)化方法，尋優(yōu)效率高，且能夠精確逼近響應(yīng)面的最優(yōu)值；

19、5)通過對優(yōu)化后的抗沖蝕籠式單座閥進(jìn)行沖蝕特性分析，可以證明設(shè)置籠套式閥座、多孔式外套筒及具有凸起結(jié)構(gòu)的閥芯后，閥內(nèi)件受到的沖蝕明顯改善，沖蝕速率明顯降低；優(yōu)化后的單座閥全開度時，沖蝕速率從8.0×10-2kg/(m2·s)減小到1.52×10-2kg/(m2·s)，抗沖蝕性能良好。

技術(shù)特征：

1.一種抗沖蝕籠式單座閥，包括閥體、上閥蓋、閥芯及閥桿；其特征在于，還包括內(nèi)套筒、外套筒及籠套式閥座；所述閥芯與閥桿為一體結(jié)構(gòu)；閥體的一側(cè)設(shè)流體入口并形成入口流道，另一側(cè)設(shè)流體出口并形成出口流道，入口流道的頂部與出口流道的底部在閥體中部連通，并且在連通處設(shè)籠套式閥座；籠套式閥座的下部位于入口流道中并沿周向設(shè)多個節(jié)流孔一；籠套式閥座的頂部設(shè)開口與閥芯的下端配合形成主流道；籠套式閥座的上方、閥芯的外圍設(shè)內(nèi)套筒，內(nèi)套筒的下部在對應(yīng)出口流道的高度沿周向設(shè)多個節(jié)流孔二；內(nèi)套筒的下部外側(cè)設(shè)外套筒，外套筒沿周向設(shè)多個節(jié)流孔三；外套筒位于內(nèi)套筒與籠套式閥座之間；通過上閥蓋將內(nèi)套筒、外套筒及籠套式閥座在閥體內(nèi)壓緊固定。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗沖蝕籠式單座閥，其特征在于，所述閥芯的下部與籠套式閥座的配合段為多段變徑結(jié)構(gòu)，多段變徑結(jié)構(gòu)的直徑自上而下逐漸減?。痪唧w的，多段變徑結(jié)構(gòu)依次由大錐度圓錐體、小錐度圓錐體及半球體組成，三者的連接處均圓滑過渡；大錐度圓錐體及半球體的外側(cè)沿周向均勻設(shè)置多個凸起結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗沖蝕籠式單座閥，其特征在于，所述外套筒、內(nèi)套筒與籠套式閥座的接觸面處設(shè)墊圈。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗沖蝕籠式單座閥，其特征在于，所述節(jié)流孔一為階梯孔，靠近外側(cè)面的孔徑大于靠近內(nèi)側(cè)面的孔徑。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗沖蝕籠式單座閥，其特征在于，所述節(jié)流孔三與節(jié)流孔二交錯設(shè)置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗沖蝕籠式單座閥，其特征在于，所述凸起結(jié)構(gòu)為半球狀凸起。

7.一種如權(quán)利要求1～6任意一項所述抗沖蝕籠式單座閥的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種抗沖蝕籠式單座閥及其優(yōu)化設(shè)計方法，所述抗沖蝕籠式單座閥包括閥體、上閥蓋、閥芯及閥桿，還包括內(nèi)套筒、外套筒及籠套式閥座；閥體內(nèi)入口流道與出口流道的連通處設(shè)籠套式閥座，其下部設(shè)多個節(jié)流孔一；籠套式閥座與閥芯之間形成主流道；閥芯的外圍設(shè)內(nèi)套筒，內(nèi)套筒設(shè)多個節(jié)流孔二；內(nèi)套筒的外側(cè)設(shè)外套筒，外套筒設(shè)多個節(jié)流孔三；通過上閥蓋將內(nèi)套筒、外套筒及籠套式閥座在閥體內(nèi)壓緊固定。本發(fā)明在不影響流量特性的條件下，通過對外套筒及籠套式閥座上節(jié)流孔的數(shù)量和孔徑進(jìn)行優(yōu)化，以及對閥芯外側(cè)凸起結(jié)構(gòu)的數(shù)量和直徑進(jìn)行優(yōu)化，有效改善了籠式單座閥的抗沖蝕能力。

技術(shù)研發(fā)人員：徐東濤,張興富,劉亞男,黃凱先,王闊鑫,馬赫利,張浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：遼寧科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9