高壓快速射流式換向閥設(shè)計(jì)與研究

, ， ， (上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所, 上海 201109)

引言

工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域以及航天領(lǐng)域等常使用各種閥門來實(shí)現(xiàn)流體的截止、換向以及流量調(diào)節(jié)等控制，換向閥就是其中用來改變流體方向的一種控制閥門。但目前市場(chǎng)上換向閥的切換速度大多較慢，且工作壓強(qiáng)較低，而且由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致內(nèi)漏、閥芯磨損嚴(yán)重等問題，大大影響了換向閥的使用性能，無法滿足一些場(chǎng)合對(duì)換向閥切換速度的需求。

本研究基于石油化工以及航天等領(lǐng)域已有技術(shù)成果,根據(jù)射流控制原理，研制了一種能夠承受較高壓強(qiáng)并能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換的射流式換向閥原理樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 射流式換向閥基本原理

射流控制技術(shù)自美國在20世紀(jì)50年代提出以來，已經(jīng)獲得了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，如石油鉆采使用的射流式?jīng)_擊錘[1-3]、導(dǎo)彈姿態(tài)控制使用的雙穩(wěn)換向閥[4，5]以及用于電解鋁溫度控制的射流控制系統(tǒng)[6]等。

如圖1所示，換向閥主要由主流入口、控制通道、劈尖和排氣通道組成，主流通道的構(gòu)型為拉瓦爾噴管。

射流控制技術(shù)的基本原理是通過控制流與主流體間的相互作用來改變主流的流動(dòng)方向，換向閥的基本工作過程為主流從入口進(jìn)入后，在噴管喉部直段通道末端受到控制通道進(jìn)入的控制流的擾動(dòng)，在擾動(dòng)的作用下主流流動(dòng)切換到控制流對(duì)側(cè)，通過劈尖從對(duì)側(cè)排氣通道中排出。兩路控制流的開關(guān)各由1個(gè)電磁閥控制，兩路控制流交替通閉，即可實(shí)現(xiàn)換向閥的換向目的。圖1中劈尖結(jié)構(gòu)的主要作用是限制分流，使主流從同一個(gè)排氣通道排出。

1.主流入口 2.控制流入口 3.劈尖 4.排氣通道

2 換向閥參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于換向閥內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要參照文獻(xiàn)[7-9]進(jìn)行設(shè)計(jì)，換向閥內(nèi)部各參數(shù)定義如表1所示，根據(jù)文獻(xiàn)所述，當(dāng)噴管厚度d在2b～3b時(shí)，換向閥較易實(shí)現(xiàn)切換；b為主流通道寬度，當(dāng)劈距H小于10b～12b時(shí)，內(nèi)流場(chǎng)容易在劈尖處產(chǎn)生分流；而對(duì)于噴喉直線段的長度B，其值越大換向閥越容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切換；噴喉擴(kuò)張徑w越小所需控制流量越小。

根據(jù)文獻(xiàn)資料所述并結(jié)合流體力學(xué)，換向閥內(nèi)部各結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值如表1所示。

表1 換向閥關(guān)鍵參數(shù)取值范圍

換向閥原理樣機(jī)外形如圖2所示。

3 換向閥工作過程仿真

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)換向閥的切換原理，利用CFD軟件對(duì)換向閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究。換向閥物理模型簡化如圖3所示，1個(gè)主流入口、2個(gè)控制流入口、2個(gè)出口。

設(shè)置主流入口壓力10 MPa，控制流入口壓力6 MPa，出口背壓1 atm。首先主流入口打開，控制流入口關(guān)閉，計(jì)算穩(wěn)態(tài)流動(dòng)直至流場(chǎng)收斂，然后其中一個(gè)控制流入口打開，計(jì)算瞬態(tài)過程10 ms。

圖2 換向閥原理樣機(jī)外形圖

圖3 計(jì)算模型示意圖

采用Gridgen生成六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)500萬，湍流模型選擇RSM湍流模型，空間離散采用Roe格式，一階精度，時(shí)間采用隱式時(shí)間步。計(jì)算介質(zhì)假設(shè)為理想氣體，出入口溫度300 K。

圖4所示為換向閥切換過程中內(nèi)部速度場(chǎng)變化過程。初始時(shí)刻，由于主流自身紊流特性而偏向流場(chǎng)左側(cè)，此時(shí)開啟左側(cè)控制通道；到0.5 ms時(shí)刻，主流發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，即將越過劈尖切換到右側(cè)排氣通道；到0.7 ms 時(shí)刻，主流基本完成流動(dòng)切換；到0.9 ms時(shí)刻，流場(chǎng)切換全部完成，主流從右側(cè)排氣通道排出。

通過流場(chǎng)仿真過程，從原理上驗(yàn)證了射流式換向閥基本可行。

4 換向閥性能試驗(yàn)

4.1 承壓能力試驗(yàn)

為測(cè)試換向閥的承壓能力和各處密封的可靠性，進(jìn)行了換向閥的水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行了6 MPa、12 MPa、18 MPa、25 MPa四個(gè)臺(tái)階壓強(qiáng)，每個(gè)壓強(qiáng)工況下承壓30 s。

水壓試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明所研制的換向閥完全能夠承受較高壓強(qiáng)，各處密封可靠。

圖4 換向閥切換過程仿真

圖5 換向閥水壓試驗(yàn)曲線

4.2 換向性能試驗(yàn)

在完成水壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)換向閥進(jìn)行性能試驗(yàn)，主要測(cè)試換向閥的換向速度，這是考核換閥性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

換向閥試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。換向閥的主氣流和控制氣流分別由2個(gè)氮?dú)馄刻峁瑑陕窔饬魍ㄟ^過濾器和減壓閥后進(jìn)入換向閥，換向閥主氣流入口和兩控制氣路入口各裝有1個(gè)電磁開關(guān)閥。對(duì)換向閥兩側(cè)出口進(jìn)行壓強(qiáng)測(cè)量，通過壓強(qiáng)變化作為換向的判定依據(jù)。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)系統(tǒng)的控制策略為：氣瓶打開后，主通道和控制通道的電磁鐵同時(shí)打開，兩控制通道電磁鐵交互開關(guān)3次。

換向閥換向時(shí)兩側(cè)出口壓強(qiáng)曲線如圖7所示，圖中試驗(yàn)工況為主通道壓強(qiáng)6 MPa，控制通道壓強(qiáng)3 MPa。

圖7 換向閥兩側(cè)排氣通道壓強(qiáng)試驗(yàn)曲線

為研究換向閥具體切換過程，選取圖7中虛線框部分進(jìn)行局部放大，如圖8所示。由圖可知，電磁鐵動(dòng)作信號(hào)在t0時(shí)刻發(fā)出，此前右控制通道的壓強(qiáng)高于左控制通道壓強(qiáng)，左排氣通道壓強(qiáng)高于右排氣通道壓強(qiáng)?？刂菩盘?hào)發(fā)出后，經(jīng)過約12 ms的滯后時(shí)間(t1時(shí)刻)，右控制通道壓強(qiáng)先開始降低，再經(jīng)過3.6 ms后左控制通道壓強(qiáng)開始上升(t2)，兩控制通道壓強(qiáng)曲線在控制信號(hào)發(fā)出18.7 ms后交匯(t4)。噴管兩側(cè)壓強(qiáng)在t3時(shí)刻開始變化，左排氣通道開始上升，右排氣通道開始下降，在t5時(shí)刻交匯。在t6時(shí)刻左排氣通道壓強(qiáng)上升至穩(wěn)定值，此時(shí)距控制信號(hào)發(fā)出時(shí)間23.9 ms。

圖8 換向閥單次切換

將換向閥的切換時(shí)間定義為從電磁鐵發(fā)出控制信號(hào)時(shí)刻起，到壓強(qiáng)上升側(cè)的排氣通道達(dá)到穩(wěn)定時(shí)刻止所需要的時(shí)間。

從t0時(shí)刻至t1時(shí)刻的響應(yīng)時(shí)間可以近似看作是兩路控制流中電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，其時(shí)長約為12 ms。從t0時(shí)刻至t6時(shí)刻為換向閥一個(gè)完整的切換過程時(shí)間，其時(shí)長為23.9 ms。

圖7中每個(gè)控制氣路電磁閥各開關(guān)3次，在1 s時(shí)刻和8 s時(shí)刻的壓強(qiáng)變化嚴(yán)格意義上不能稱為切換，因此換向閥共切換5次，表2為每次的切換時(shí)間，5次切換時(shí)間的平均值為23.52 ms。

表2 換向閥切換時(shí)間

4.3 控制壓強(qiáng)對(duì)切換速度的影響

表3為換向閥在不同控制壓強(qiáng)工況下的切換時(shí)間。表中工況“X-X”的含義為：前面的X表示換向閥主流壓強(qiáng)，后面的X表示控制流壓強(qiáng)。

由表中數(shù)據(jù)可知，主流4 MPa時(shí)，控制流的壓強(qiáng)高于2 MPa能較好實(shí)現(xiàn)切換，主流6 MPa時(shí)，控制流高于3 MPa能較好實(shí)現(xiàn)切換；表中6-3工況下的切換速度最快，為23.52 ms。由此可知控制流壓強(qiáng)約為主流壓強(qiáng)一半時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的切換，當(dāng)提高控制壓強(qiáng)時(shí)，換向閥切換速度變慢，但變化幅值不大，表明控制流壓強(qiáng)的裕度較高。

表3 不同控制壓強(qiáng)對(duì)切換速度的影響

5 結(jié)論

根據(jù)換向閥切換機(jī)理研制了高壓快速換向閥，與常規(guī)換向閥相比，射流式換向閥除能夠承受較高壓強(qiáng)外，在結(jié)構(gòu)上也具有許多優(yōu)點(diǎn)，其無內(nèi)部活動(dòng)部件，使用壽命長，不存在閥體內(nèi)部的泄漏問題等，具有廣泛的應(yīng)用空間。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明該換向閥能夠承受至少25 MPa 的壓強(qiáng)，可在較高的壓強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)切換，且切換速度較快，在主流6 MPa、控制流為3 MPa工況下的最快切換速度為23.52 ms。

但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，在換向閥切換過程中，導(dǎo)閥的響應(yīng)時(shí)間為12 ms，約占換向閥整個(gè)切換時(shí)間的一半時(shí)間，切換速度過慢，大大影響了換向閥的切換性能。目前換向閥閥中使用的電磁閥為市場(chǎng)購買的貨架產(chǎn)品，其性能限制了換向閥切換速度的提升，因此在下一步工作中需要根據(jù)換向閥需求研制快速電磁導(dǎo)閥。

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