CN113251204A - 多级套筒式高压差控制阀套筒结构及设计优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级套筒式高压差控制阀套筒结构及设计优化方法，套筒结构包括控制阀阀体和阀盖内的套筒组件，能充分起到减振降噪的作用。本发明提出的多级套筒式高压差控制阀套筒设计方法，包括多级套筒的级数、厚度和间隙设计；以及多级套筒上小孔设计方法能使套筒控制阀实现特定的流量特性，包括线性、快开和等百分比特性曲线。本发明的多级套筒的级数、厚度设计方法基于套筒面临径向外压的工况条件，以及套筒受到的轴向压力；线性、快开和等百分比特性曲线开孔设计方法基于计算流体力学软件及其迭代计算。本发明设计方便，节约成本，能快速准确地得到多级多孔套筒，具有一定的工程应用价值。

Description

多级套筒式高压差控制阀套筒结构及设计优化方法

技术领域

本发明涉及套筒式高压差阀门领域，具体涉及一种工质为液体的节流套筒组件的结构以及设计优化方法。

背景技术

套筒式控制阀具有抑制空化、振动，降低噪声的功能，且通过更换套筒组件可实现改变调节特性，因此，广泛用作减压阀、蒸汽调节阀、高压疏水阀等阀门，也作为控制阀的重要结构类型之一。对于复杂的工况条件下，单层套筒往往降噪能力以及降低空化能力显著不足，往往需要设计多层套筒。此外，作为重要的控制阀类型之一，套筒控制阀的调节关键在于流量特性的准确调节，以及在复杂工况下的可靠性，对于套筒式控制阀来说，套筒式套筒组件往往决定阀门内的流通能力，以及流量特性。综上，多级套筒阀的套筒设计研究对于套筒阀的应用具有非常重要的指导意义。

经调研，多级降压套筒优化设计方法(CN 104214416 A)，提出了降压级数、套筒厚度以及套筒间隙的设计及计算，但没有描述套筒结构及具体流通面积的计算，且对套筒厚度的设计公式属于套筒内压计算，没有考虑承受外压套筒的屈曲失效。高压差的多级套筒式控制阀的多层套筒通常承受外压，然而，套筒承受外压与承受内压的变形与应力情况不同，承受内压将会导致壳体产生塑性变形，直至发生塑型垮塌破坏；承受外压，除了可能出现与承受内压壳体类似的破坏现象之外，还会在外压载荷增大到某一值时，壳体出现压扁或波折等屈曲现象，而屈曲现象为外压壳体破坏的常见形式之一。套筒式控制阀需要准确的调节特性，但是，控制阀往往应用于高参数工况下，从节约经济以及降低设计难度的角度，套筒阀门的数值模拟流量设计逐渐显现其优点。

综上所以，目前亟需考虑多重因素对套筒结构的影响，提供一种降低空化、噪声的套筒结构及其快速准确的设计计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压差的多级套筒阀的套筒结构及设计方法，达到适应高压差，具有良好的降压、稳流效果，达到良好的调节流量性能。

本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种多级套筒式高压差控制阀套筒结构，为设置于阀盖和阀体间的套筒组件，所述的套筒组件包括上套筒、若干层开孔的套筒和套筒下底；若干层套筒同轴嵌套，且顶部均连接于上套筒底部，底部均由套筒下底封堵；所述阀盖设置于阀体和套筒组件上，且阀盖对阀体和套筒组件有向下压紧的力。

第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化方法，其包括以下步骤：

S1、根据每级套筒的压降均需要小于阻塞流压差的原则，确定多级套筒式高压差控制阀套筒的套筒级数n，n的取值区间为[2,4]；

S2、同时考虑套筒受到的外部介质径向压力和阀盖施加的轴向压力，计算其满足径向压力的第一套筒初始厚度t₀以及满足轴向压力的第二套筒初始厚度t₁，选择t₀和t₁最大值作为每一级套筒的厚度t；

所述第一套筒初始厚度t₀的求解公式为：

式中：修正系数α取1.3～1.6；P_cr为径向临界压力，MPa；L为套筒的长度，mm；D为最外层套筒的外直径，mm；E为套筒材料的杨氏弹性模量，MPa；

所述第二套筒初始厚度t₁的求解公式为：

式中：F_N为套筒在阀体内受到来自阀盖的轴向压力，N；μ为套筒材料的泊松比；

S3、根据确定的每一级套筒的厚度t，确定相邻两级套筒之间的最大允许间隙，作为相邻两级套筒之间的间隙值；

S4、根据套筒的目标流量特性曲线确定套筒全开时的全流通流量系数，在假设套筒满足线性流量特性的条件下，通过计算流体力学软件进行第一次迭代，得到套筒的全开流量系数等于所述全流通流量系数所需的每级套筒总流通面积S_总；然后在每级套筒总流通面积始终为S_总的前提下，通过计算流体力学软件对每级套筒中开孔的设计层数、孔径大小和开孔数量进行第二次迭代，使套筒的最终流量特性曲线符合目标流量特性曲线时，停止迭代得到每级套筒中孔的设计层数、孔径大小和数量，完成多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化。

作为上述第二方面的优选，所述S1中，每级套筒的阻塞流压差计算公式为：

p_1(i+1)＝p_1i-Δp_chokedi

式中：Δp_chokedi为第i级套筒的阻塞流压差，kPa；i＝1,2,…,n，n为套筒总级数；F_L为压力恢复系数；F_F为液体临界压力比系数；p_1i为第i级套筒前压力，kPa；当i＝1时，p_1i＝p_in；p_in为阀门入口压力，kPa；p_v为入口温度下液体蒸汽的绝对压力，kPa；p_c为绝对热力学临界压力，kPa；

作为上述第二方面的优选，所述S1中，每级套筒的压降计算公式为：

式中：Δp为阀门前后压差，Δp＝p_in-p_out，kPa；p_out为阀门出口压力，kPa；Δp_2i为预估的第i级套筒压降，kPa。

作为上述第二方面的优选，所述套筒上的开孔列数为偶数列。

作为上述第二方面的优选，所述套筒中上下两层开孔之间不存在空行程，每一层开孔的孔径为该层开孔的高度，所有层的总长度为阀门行程。

作为上述第二方面的优选，所述S4中，套筒的目标流量特性曲线为线性流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意上下两层开孔的孔径均相同。

作为上述第二方面的优选，所述S4中，套筒的目标流量特性曲线为快开流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意相邻两层开孔中，下一层开孔的孔径不小于上一层开孔的孔径。

作为上述第二方面的优选，所述S4中，套筒的目标流量特性曲线为等百分比流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意相邻两层开孔中，下一层开孔的孔径不大于上一层开孔的孔径。

第三方面，本发明提供了一种一种如第二方面中任意方案所述的方法设计优化得到的多级套筒式高压差控制阀套筒结构。

本发明的有益效果：

本发明结构的高压差的多级套筒阀的套筒结构根据开孔方式的不同可设计不同流量特性曲线，阀门的流量特性曲线分为快开、线性、等百分比等等。本发明的套筒厚度设计方法可保证在套筒承受径向外压以及轴向外压下保持稳定的状态，且计算方便。本发明设计得到的多级套筒具有较好地降噪以及稳流效果。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为套筒阀几何截面结构图。

图2为套筒组件的局部细节图。

图3为实施例中的线性流量特性套筒平面展开图。

图4为实施例中的快开流量特性套筒平面展开图。

图5为实施例中的等百分比流量特性套筒平面展开图。

图6为实施例中设计结构A等百分比流量特性数值模拟验证图。

图7为实施例中改进结构B等百分比流量特性数值模拟验证图。

图8为实施例中改进结构C等百分比流量特性数值模拟验证图。

图中附图标记为：

1、阀盖；2、阀体；3、套筒组件；31、上套筒；32、第一层开孔套筒；33、第二层开孔套筒；34、第三层开孔套筒；35、套筒下底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，为多级套筒式高压差控制阀结构，主要包括阀盖1、阀体2和套筒组件3。而本发明的多级套筒式高压差控制阀套筒结构即设置于阀盖1和阀体2间的套筒组件3。套筒组件3整***于阀体2内，包括上套筒31、开孔的套筒和套筒下底35。其中套筒具有多层，总的套筒层数即为套筒级数。多层套筒同轴嵌套，且顶部均连接于上套筒31底部，底部均由套筒下底35封堵。另外，阀盖1设置于阀体2和套筒组件3上，且阀盖1对阀体2和套筒组件3有向下压紧的力。

如图2所示，为具有3层套筒的多级套筒式高压差控制阀套筒结构的一种形式，该套筒结构中包括上套筒31、第一层开孔套筒32、第二层开孔套筒33、第三层开孔套筒34、套筒下底35。第一层开孔套筒32、第二层开孔套筒33、第三层开孔套筒34均通过焊接与上套筒31与套筒下底35连接。

当然，多级套筒式高压差控制阀套筒结构中具体的套筒层数需要根据本发明后续的设计方法进行优化，上述3层套筒的形式仅仅是其中一种。下面本发明提供了一种多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化方法，其过程如下：

S1：套筒级数计算

根据标准GB/T 17213.2-2017，当控制阀和附接管件尺寸一致时，(F_LP/F_P)²简化为(F_L)²，因此计算每级套筒阻塞流压差如下：

每级套筒阻塞流压差计算公式如下：

p_1(i+1)＝p_1i-Δp_chokedi

每级套筒压差预估公式如下：

Δp_chokedi——第i级套筒的阻塞流压差，kPa；

Δp——阀门前后压差，Δp＝p_in-p_out,kPa；

p_in——阀门入口压力,kPa；

p_out——阀门出口压力,kPa；

Δp_2i——第i级套筒的预估压降，kPa；

p_1i——第i级套筒的前压力，kPa；当i＝1时，p_1i＝p_in；

p_v——入口温度下液体蒸汽的绝对压力，kPa；

p_c——绝对热力学临界压力，kPa；

n——套筒总级数；

i——代表第几级套筒；

F_L——压力恢复系数，根据标准GB/T 17213.2-2017可确定；

F_F——液体临界压力比系数，阻塞流明显“缩流断面”压力与入口温度下液体的蒸汽压力之比，当蒸汽压力接近零时这个系数为0.96。

根据前述公式可计算每级套筒的阻塞流压差以及估计每级压降，根据每级压降小于每级阻塞流压差的原则，即Δp_2i≤Δp_chokedi，可选择合适的套筒级数n，套筒级数n不超过四层，因此n选择区间为2，3，4。

S2：套筒厚度设计

当确定套筒级数n后，即可设计套筒厚度和相邻两层套筒之间的间隙，本实施例中任意相邻两层套筒之间的间隙均相等。

现有技术中对套筒厚度的设计公式均基于套筒受内压情况，但事实上高压差的多级套筒式控制阀的多层套筒通常承受外压。套筒承受外压与承受内压的变形与应力情况不同，承受内压将会导致壳体产生塑性变形，直至发生塑型垮塌破坏，失效表现形式为套筒壁上出现轴向裂纹；而承受外压的套筒，会在外压载荷增大到某一值时，壳体出现压扁或波折等屈曲现象，而屈曲现象为外压壳体破坏的常见形式之一。因此，本发明基于套筒受外压情况出发，主要校核屈曲失效形式，使设计的套筒更具科学性。

具体的，本发明中需要同时考虑套筒受到的外部介质径向压力和阀盖施加的轴向压力，计算其满足径向压力的第一套筒初始厚度t₀以及满足轴向压力的第二套筒初始厚度t₁，以较大者作为最终的套筒厚度。

一方面，该套筒结构的套筒为对称周向受压，外部介质对套筒产生径向压力，可根据下式计算满足径向压力的初始厚度t₀：

α取1.3-1.6

另一方面，由于套筒在阀体内会受到来自阀盖压力F_N，此压力为工程预估，由压力可计算第二套筒初始厚度t₁。

套筒承受轴向压力的应力σ₁近似计算公式为：

套筒承受轴向压力的临界应力近似计算公式为：

σ_cr＝σ₁

式中：

F_N——估算轴向压力，N；

E——套筒材料的杨氏弹性模量，MPa；

D——最外层套筒的外直径，mm；

L——套筒的长度，mm；

t——套筒的壁厚，mm；

μ——套筒材料的泊松比；

σ_cr——轴向临界应力，MPa；

P_cr——径向临界压力，MPa；此处取值为每级套筒内外压差。

因此，通过联立上述方程就可以解出第二套筒初始厚度t₁。为工程处理简化方便，取t₀和t₁中的最大值作为套筒厚度t，可以保证套筒厚度满足相应要求。

每一级套筒均可以按照上述方法计算套筒厚度t，各级套筒的厚度可以是一致的也可以不一致。本实施例中各级套筒的厚度均一致，因此仅需选择各级套筒中套筒厚度t的最大值，即可作为所有套筒的厚度。

本发明中的修正系数α可修正径向临界压力p_cr，因此本发明同时考虑套筒受到轴向压力F_N以及介质外压的影响，根据上述各公式求解t，即为抗压以及屈曲变形的综合考虑结果，能够更好地保证套筒的结构强度满足使用要求。

S3：套筒间隙设计

套筒的间隙越大越有利于降压与稳流。当套筒厚度t确定后，对于套筒间隙的选取，即可在保证套筒厚度满足要求的情况下尽量选择最大值。本实施例中，任意相邻两级套筒之间的间隙值保持一致。

S4：套筒开孔设计

套筒开孔会直接影响流通面积和流量特性曲线。本发明中，流通面积的设计计算原则如下：

(1)针对线性、快开、等百分比设计开孔方式主要采用“上下均布”、“下密上疏”、“下疏上密”。

(2)开孔可选择的列数分为4列、6列、8列、10列……24列……(偶数列)，参数选择为——每层孔数为x_k，每层开孔大小r_k，从上到下的层数为K。

(3)选取特定流量特性曲线的曲线，提取开度下的流量系数，为避免空行程及每个开度都存在孔或者与孔相切，上下两层开孔之间不会出现空行程。而且每一层开孔的孔径即为该层开孔的高度，所有层开孔沿高度方向的总长度即为阀门行程。

因此，本发明的套筒开孔设计方法如下：

首先，根据设计要求获取套筒最终期望得到的目标流量特性曲线，根据套筒的目标流量特性曲线确定套筒全开时的全流通流量系数；然后在假设套筒满足线性流量特性的条件下，通过计算流体力学软件进行第一次迭代，得到套筒的全开流量系数等于全流通流量系数所需的每级套筒总流通面积S_总；最后在每级套筒总流通面积始终为S_总的前提下，通过计算流体力学软件对每级套筒中开孔的设计层数、孔径大小和开孔数量进行第二次迭代，使套筒的最终流量特性曲线符合目标流量特性曲线时，停止迭代得到每级套筒中孔的设计层数、孔径大小和数量，完成多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化。

本实施例采用的计算流体力学软件为Fluent软件，当然也可以采用其他软件实现。

需注意的是，上述第一次迭代仅仅是为了获得每级套筒总流通面积S_总，使得套筒的全开流量系数等于全流通流量系数，但是在其他非全开的开度下其流量特性曲线并不一定符合目标流量特性曲线。基于流量系数随开度的变化等于截面积随开度的变化的原理，通过第一次迭代就可以获得每级套筒总流通面积S_总，而且不论目标流量特性曲线是否为线性流量特性曲线，都可以先假设为线性流量特性曲线。也就是说，快开流量特性曲线以及等百分比特性曲线开孔方式也可以基于计算全开线性特性曲线的开孔方式进行设计，确定每级套筒总流通面积S_总，再通过第二次迭代通过调整设计层数、孔径大小和开孔数量来进一步使其他开度下的流量系数满足目标流量特性曲线。

下面针对目标流量特性曲线的三种形式(线性、快开、等百分比)，分别说明其开孔设计的规则：

若套筒的目标流量特性曲线为线性流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意上下两层开孔的孔径均相同。

若套筒的目标流量特性曲线为快开流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意相邻两层开孔中，下一层开孔的孔径不小于上一层开孔的孔径。

若套筒的目标流量特性曲线为等百分比流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意相邻两层开孔中，下一层开孔的孔径不大于上一层开孔的孔径。

每一级套筒上开孔的总设计层数K可预先设定，一般在10～15层范围内。

本实施例中，三种形式套筒的具体设计方法如下：

(1)线性流量特性曲线开孔设计

线性特性曲线的开孔方式如图3，一层之间开孔的大小一致，孔大小分布“上下一致”，每条虚线之间不会有空行程，即每段小行程都会有流体流过。初步预估小孔直径r₀，此值为经验预估，并通过计算流体力学软件进行迭代试算，直至模拟的全开流量系数等于线性全开流量系数即满足C_v线性＝C_v模拟，并且根据每级总流通面积进行设计，得到每一层开孔的数量、孔径：

从下到上开孔层数记为1到K层，每层依次排布，所有层的总长度为阀门行程。且对于任意第k层，孔径分布满足：

r_k＝r_k+1

记调节强度为F，流量系数随开度的变化等于截面积随开度的变化，根据此假设可推导公式为

根据上式，设计层数、每层小孔的大小和数量，采用计算流体力学软件迭代计算初步设计套筒流量特性。在迭代过程中，设计层数、每层小孔的大小可保持不变，仅针对曲线中偏差大的区域，改变偏差层的小孔数量，迭代计算直到精度满足要求。即套筒的最终流量特性曲线符合目标流量特性曲线时，停止迭代得到每级套筒中孔的设计层数、孔径大小和数量，结合前述的套筒厚度、间隙等参数，即可完成多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化(2)快开流量特性曲线开孔设计

快开流量特性曲线的开孔方式如图4，一层之间开孔的大小一致，孔大小分布“上小下大”，每条虚线之间不会有空行程，即每段小行程都会有流体流过。根据S6设计全开线性特性开孔下的全流通流量系数，根据全开线性流量系数等于全开快开流量系数，并且根据每级总流通面积进行如下设计。

C_v线性＝C_v快开

从下到上开孔层数记为1到K层，每层依次排布，所有层的总长度为阀门行程。且对于任意第k层，孔径分布满足：

r_k≥r_k+1

记调节强度为F，流量系数随开度的变化等于截面积随开度的变化，根据此假设可推导公式为

根据上式，设计层数、每层小孔的大小和数量，采用计算流体力学软件计算初步设计套筒流量特性。在迭代过程中，设计层数、每层小孔的大小可保持不变，仅针对曲线中偏差大的区域，改变偏差层的小孔数量，迭代计算直到精度满足要求。即套筒的最终流量特性曲线符合目标流量特性曲线时，停止迭代得到每级套筒中孔的设计层数、孔径大小和数量，结合前述的套筒厚度、间隙等参数，即可完成多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化

(3)等百分比特性曲线流量设计

快开流量特性曲线的开孔方式如图5，一层之间开孔的大小一致，孔大小分布“上大下小”，每条虚线之间不会有空行程，即每段小行程都会有流体流过。根据S6设计全开线性特性开孔下的全流通流量系数，根据全开线性流量系数等于全开等百分比流量系数，并且根据每级总流通面积进行如下设计。

C_v线性＝C_v等百分比

从下到上开孔层数记为1到K层，每层依次排布，所有层的总长度为阀门行程。且对于任意第k层，孔径分布满足：

r_k≤r_k+1

记调节强度为F，流量系数随开度的变化等于截面积随开度的变化，根据此假设可推导公式为

根据上式，设计层数、每层小孔的大小和数量，采用计算流体力学软件迭代计算初步设计套筒流量特性。在迭代过程中，设计层数、每层小孔的大小可保持不变，仅针对曲线中偏差大的区域，改变偏差层的小孔数量，迭代计算直到精度满足要求。即套筒的最终流量特性曲线符合目标流量特性曲线时，停止迭代得到每级套筒中孔的设计层数、孔径大小和数量，结合前述的套筒厚度、间隙等参数，即可完成多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化

为进一步说明本方法的技术效果，下面针对等百分比特性曲线流量给出其具体的设计实例和结果。

设计目标：口径为100mm，行程为38mm，流量为54Kg/s，最外套筒直径D为144，筒级数n为3，套筒厚度t为2mm，进出口压差Δp为10MPa，设计可调比R＝50：1的流量特性曲线。

经过S4的初步试算，初始孔径r₀为4mm，孔数为60时，流量最为接近54Kg/s，因此，以此为基础，小孔孔径r取值范围为(r₀/2—r₀)＝(2—4mm)，S_总＝752mm²。经过调节强度F换算设计结构A，由于小开度不可调，不在高度(0-2mm)套筒上开孔，将高度(2-4mm)套筒上作为第一层孔。

表1设计结构A参数图

层数	孔高度	孔径	h/h<sub>max</sub>	q/q<sub>max</sub>	S<sub>k</sub>/S<sub>总</sub>	各层孔数	圆整
								1	4mm	2mm	0.105263	0.01671	0.01671	4.6788	4
2	6mm	2mm	0.157895	0.02081	0.0041	1.148	4
								3	8mm	2mm	0.210526	0.029	0.00819	2.2932	2
4	10mm	2mm	0.263158	0.03925	0.01025	2.87	4
								5	12mm	2mm	0.315789	0.05348	0.01423	3.9844	4
6	14mm	2mm	0.368421	0.06996	0.01648	4.6144	4
								7	16mm	2mm	0.421053	0.09244	0.02248	6.2944	6
8	18mm	2mm	0.473684	0.11093	0.01849	5.1772	8
								9	20mm	2mm	0.526316	0.13541	0.02448	6.8544	8
10	22mm	2mm	0.578947	0.16828	0.03287	9.2036	8
								11	25mm	3mm	0.657895	0.23382	0.06554	8.1560	8
12	28mm	3mm	0.736842	0.34032	0.1065	13.253	14
								13	31mm	3mm	0.815789	0.46692	0.1266	15.754	16
14	34mm	3mm	0.894737	0.67658	0.20966	26.091	24
								15	38mm	4mm	1	1	0.32342	24	24

通过建模，试算流量特性曲线，计算结果如图6所示，发现不同开度下与标准特性曲线存在偏差。因此，基于设计结构A调整偏差开度下(即偏差层)的孔数，再次试算，得到改进的设计结构B，结果如图7所示，发现有较大改进。再次调整偏差开度下(即偏差层)的孔数，再次试算，得到进一步改进的设计结构C，结果如图8所示，发现最终的流量特性曲线达到了精度要求。

综上，本发明的多级套筒的级数、厚度的设计方法基于套筒面临径向外压的工况条件，以及套筒受到的轴向压力，针对线性、快开和等百分比特性曲线开孔设计，该方法利用计算流体力学软件进行迭代计算，可实现快速稳定的计算。因此，本发明设计方便，节约成本，能快速准确地得到多级多孔套筒，具有一定的工程应用价值。

Claims (10)

1.一种多级套筒式高压差控制阀套筒结构，其特征在于，为设置于阀盖(1)和阀体(2)间的套筒组件(3)，所述的套筒组件(3)包括上套筒(31)、若干层开孔的套筒和套筒下底(35)；若干层套筒同轴嵌套，且顶部均连接于上套筒(31)底部，底部均由套筒下底(35)封堵；所述阀盖(1)设置于阀体(2)和套筒组件(3)上，且阀盖(1)对阀体(2)和套筒组件(3)有向下压紧的力。

2.一种如权利要求1所述多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据每级套筒的压降均需要小于阻塞流压差的原则，确定多级套筒式高压差控制阀套筒的套筒级数n，n的取值区间为[2,4]；

S2、同时考虑套筒受到的外部介质径向压力和阀盖施加的轴向压力，计算其满足径向压力的第一套筒初始厚度t₀以及满足轴向压力的第二套筒初始厚度t₁，选择t₀和t₁最大值作为每一级套筒的厚度t；

所述第一套筒初始厚度t₀的求解公式为：

式中：修正系数α取1.3～1.6；P_cr为径向临界压力，MPa；L为套筒的长度，mm；D为最外层套筒的外直径，mm；E为套筒材料的杨氏弹性模量，MPa；

所述第二套筒初始厚度t₁的求解公式为：

式中：F_N为套筒在阀体内受到来自阀盖的轴向压力，N；μ为套筒材料的泊松比；

S3、根据确定的每一级套筒的厚度t，确定相邻两级套筒之间的最大允许间隙，作为相邻两级套筒之间的间隙值；

S4、根据套筒的目标流量特性曲线确定套筒全开时的全流通流量系数，在假设套筒满足线性流量特性的条件下，通过计算流体力学软件进行第一次迭代，得到套筒的全开流量系数等于所述全流通流量系数所需的每级套筒总流通面积S_总；然后在每级套筒总流通面积始终为S_总的前提下，通过计算流体力学软件对每级套筒中开孔的设计层数、孔径大小和开孔数量进行第二次迭代，使套筒的最终流量特性曲线符合目标流量特性曲线时，停止迭代得到每级套筒中孔的设计层数、孔径大小和数量，完成多级套筒式高压差控制阀套筒结构的设计优化。

3.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述S1中，每级套筒的阻塞流压差计算公式为：

p_1(i+1)＝p_1i-Δp_chokedi

式中：Δp_chokedi为第i级套筒的阻塞流压差，kPa；i＝1,2,…,n，n为套筒总级数；F_L为压力恢复系数；F_F为液体临界压力比系数；p_1i为第i级套筒前压力，kPa；当i＝1时，p_1i＝p_in；p_in为阀门入口压力，kPa；p_v为入口温度下液体蒸汽的绝对压力，kPa；p_c为绝对热力学临界压力，kPa。

4.如权利要求3所述的设计优化方法，其特征在于，所述S1中，每级套筒的压降计算公式为：

式中：Δp为阀门前后压差，Δp＝p_in-p_out，kPa；p_out为阀门出口压力，kPa；Δp_2i为预估的第i级套筒压降，kPa。

5.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述套筒上的开孔列数为偶数列。

6.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述套筒中上下两层开孔之间不存在空行程，每一层开孔的孔径为该层开孔的高度，所有层的总长度为阀门行程。

7.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述S4中，套筒的目标流量特性曲线为线性流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意上下两层开孔的孔径均相同。

8.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述S4中，套筒的目标流量特性曲线为快开流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意相邻两层开孔中，下一层开孔的孔径不小于上一层开孔的孔径。

9.如权利要求1所述的设计优化方法，其特征在于，所述S4中，套筒的目标流量特性曲线为等百分比流量特性曲线，在进行第二次迭代时应满足任意相邻两层开孔中，下一层开孔的孔径不大于上一层开孔的孔径。

10.一种如权利要求2～9任一所述方法设计优化得到的多级套筒式高压差控制阀套筒结构。

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