球形調(diào)節(jié)閥門流量特性試驗研究

鄭小漪

（航空工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室 江蘇省南京市 211106）

1 引言

球形閥門在各類航空器中使用較多，結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、轉(zhuǎn)換時間較多，密封可靠且維修方便，尤其在飛機(jī)液冷系統(tǒng)中，通過球閥的不同開度開控制冷卻液流量，從而達(dá)到不同調(diào)節(jié)模式的目的。

調(diào)節(jié)球閥是飛機(jī)液冷系統(tǒng)的重要設(shè)備，主要用于根據(jù)電子戰(zhàn)不同的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)管道中冷卻液的切斷、節(jié)流和流量調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)閥流量特性直接影響系統(tǒng)的正常工作和安全運(yùn)行。

前期設(shè)計和研制過程中，多數(shù)采用數(shù)值模擬的方法對閥門調(diào)節(jié)特性進(jìn)行計算和驗證，但這要求建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和邊界條件，即使模擬條件充分接近實物真實參數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性仍需試驗或?qū)嵺`的驗證。

本文通過對一型調(diào)節(jié)球閥的流量特性進(jìn)行試驗研究，得到了不同開度下閥門的“流量——壓力”曲線；同時，通過計算得出流量系數(shù)并分析流量能力，結(jié)果表明，閥門設(shè)計滿足液冷系統(tǒng)使用需求，可用于指導(dǎo)液冷系統(tǒng)根據(jù)工作模式選擇合適的開度，對后期該類型的液冷閥設(shè)計提供指導(dǎo)價值。

2 調(diào)節(jié)球閥簡介

2.1 調(diào)節(jié)閥特性

調(diào)節(jié)閥的主要功能有：調(diào)節(jié)性能、密封性能、耐溫性能、耐壓性能和耐腐蝕性能等。

2.1.1 調(diào)節(jié)性能

調(diào)節(jié)性能包括流量特性和流量系數(shù)。其中，流量特性指調(diào)節(jié)閥的開度與流量之間的對應(yīng)關(guān)系，“開度—流量”曲線作為閥門選型的重要依據(jù)，能夠反映調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)品質(zhì)的好壞。流量系數(shù)與閥門通徑直接相關(guān)，顯示閥門的流通能力，該系數(shù)越大，則代表閥門的調(diào)節(jié)性能越好。

2.1.2 密封性能

密封性能通常包括內(nèi)部泄漏和外部泄漏，是閥門質(zhì)量優(yōu)劣的重要性能指標(biāo)，主要為閥門與連接管道的密封結(jié)構(gòu)、閥門軸部位的密封結(jié)構(gòu)及閥門球體或閥瓣與殼體的密封結(jié)構(gòu)。因此，閥門的密封設(shè)計同樣重要，防止密封失效而導(dǎo)致的泄漏問題。

2.1.3 耐溫性能

滿足不同溫度工況下閥門的靜強(qiáng)度和耐溫性能，溫度的較大時會降低閥體材料的強(qiáng)度，選材方面需滿足閥的介質(zhì)工作溫度變化范圍要求，以滿足閥門在工作溫度下有強(qiáng)度和安全性。

2.1.4 耐壓性能

耐壓性能同樣反映閥門的強(qiáng)度和安全性指標(biāo)，即在規(guī)定工作壓力下介質(zhì)不能通過密封處和閥體處向外泄漏。通常，按照交付時的1.5 倍公稱壓力來作為試驗要求。對有高壓介質(zhì)要求的閥門盡量選擇鍛件結(jié)構(gòu)，如鑄鐵閥的耐壓強(qiáng)度是較低的，可選用鑄鋼閥用于高壓工作環(huán)境。

2.1.5 耐腐蝕性能

耐腐蝕性能即閥門抵抗介質(zhì)腐蝕和沖蝕的能力，以提高閥的使用壽命。在閥門使用過程中，受到高溫高濕、霉菌、鹽霧和酸性大氣等惡劣環(huán)境侵蝕，閥體材料將被腐蝕。選用耐腐蝕材料，并通過表面防護(hù)層（如表面處理、噴耐腐蝕漆層等）來提升材料抵抗腐蝕的性能。解決的途徑是選用耐磨的材料，表面增加鍍層以保護(hù)材料機(jī)體不受環(huán)境因素腐蝕等措施，尤其對高溫、高壓閥和使用環(huán)境較為惡劣的閥門，為保證長期可靠工作，耐腐蝕性設(shè)計尤為重要。

2.2 調(diào)節(jié)閥選型

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)選擇，依據(jù)介質(zhì)工況（如溫度、壓力、流量等）、介質(zhì)屬性（如粘度、腐蝕性、有無毒害等）以及系統(tǒng)對調(diào)節(jié)流量、泄漏量、噪音等要求進(jìn)行選型和設(shè)計。在實際工程應(yīng)用中，蝶式閥門、球體閥門、套筒式閥門等使用最為廣泛。在低流量、小壓差、高泄漏量要求的使用場合下，一般選擇蝶閥即可；而在高流量、大壓差、泄漏量要求不嚴(yán)格的情況下，優(yōu)先選擇球閥；另外，電磁類套閥可在壓差范圍較大、快速響應(yīng)等場合選用。

2.2.2 流量特性的選定

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指工作介質(zhì)通過閥門的相對流量和閥門的相對開度之間的關(guān)系，即：

q/q=f（l/l）

式中，q/q——閥門在一定開度下的流量與全開時流量之比；

l/l——閥門在一定開度下的位置度與全開時位置度的比。

調(diào)節(jié)閥的流量特性分為以下四種：

（1）線性流量特性：

線性流量特性是指相對位置度與相對流量成直線的線性關(guān)系。單位位置度的變化對應(yīng)的流量變化是一定值。流量較大時，流量相對值的變化量較小，流量較小時，則流量相對值的變化量較大。

（2）拋物線流量特性：

拋物線流量特性是指閥門流量與位置度的平方成正比，相當(dāng)于線性特性和等百分比特性的中間范圍。

（3）等百分比流量特性：

等百分比流量特性的相對位置度和相對流量為非線性關(guān)系，在每一點位置度上，單位位置度變化時對應(yīng)流量的變化值與此點的流量成正比關(guān)系，即閥門流量變化的百分比為等值。因此，當(dāng)閥門流量較小時，流量變化范圍較?。欢?dāng)流量較大時，則流量變化也同樣較大。

（4）快開流量特性：

快開流量特性的定義為閥門在小開度時流量較大,隨著開度不斷增加,流量能夠快速調(diào)節(jié)至最大值。在流量快速調(diào)節(jié)和響應(yīng)的場合廣泛應(yīng)用。

綜合上述分析，可以得出以下選型依據(jù)：

（1）相比于線性流量特性和拋物線流量特性，等百分比特。

（2）性的調(diào)節(jié)性能較優(yōu)，且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性能好。

（3）在實際工程中,如壓差變化小、流量調(diào)節(jié)范圍小、開度變化小時，可選擇直線流量特性的調(diào)節(jié)閥。

（4）針對不同使用環(huán)境和工況要求，選擇合適的流量調(diào)節(jié)特性。

2.2.3 調(diào)節(jié)閥通徑的選定

μ 值法做為調(diào)節(jié)閥通徑最常用的選定方法，即流通能力法。已知閥門使用工況和調(diào)節(jié)性能要求，同時考慮閥門的結(jié)構(gòu)型式和流量特性，根據(jù)流量系數(shù)μ 的計算公式，由閥門最大流量可得出調(diào)節(jié)閥的最大流量系數(shù)——μ值；參照標(biāo)準(zhǔn)閥門的額定μ值，選出與μ相近的μ值，即可選取滿足使用要求的調(diào)節(jié)閥通徑值。

初步選定通徑值后，開展閥門流阻和開度的計算與試驗驗證工作,最大流量下調(diào)節(jié)閥開度應(yīng)低于 90%, 最小流量下開度應(yīng)高于15%，從而最終確定閥門通徑值。

2.2.4 調(diào)節(jié)閥材料的選擇

調(diào)節(jié)閥材料的選擇包括：閥門殼體、連桿、軸套、閥芯及閥座等零件的材料選擇；軸、閥芯等密封結(jié)構(gòu)材料的選擇。閥門殼體為耐壓裝置，應(yīng)選用能承受一定溫度、壓力和腐蝕性要求的材料；連桿、軸套、閥芯及閥座等閥內(nèi)零件具有支撐和節(jié)流作用，通常選用耐腐蝕、耐沖刷的材料；閥的軸密封和閥芯密封結(jié)構(gòu)根據(jù)所用介質(zhì)工況（溫度、壓力等），在保證密封要求的同時選擇耐使用工況的材料，以保證使用時的密封性和可靠性要求。

因此，調(diào)節(jié)閥材料選擇遵循的兩個大原則是：

（1）為閥門安全可靠工作，需根據(jù)介質(zhì)要求，選用耐高低溫、耐壓力、耐沖擊以及耐腐蝕的材料；

（2）在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，閥門功能性能、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮也不可或缺。

2.3 結(jié)構(gòu)及工作原理

調(diào)節(jié)球閥主要由電動機(jī)構(gòu)驅(qū)動球閥組件工作，球閥組成圖見圖1，主要由殼體、方軸、密封環(huán)、球體、接頭、波形彈簧及定位螺釘?shù)冉M成。當(dāng)電動作動機(jī)構(gòu)接收到機(jī)電管理計算機(jī)的控制信號后，驅(qū)動球閥轉(zhuǎn)動，改變閥門的流通面積，達(dá)到冷卻液流量調(diào)節(jié)的目的。同時，機(jī)電管理計算機(jī)通過調(diào)節(jié)球閥的位置反饋電位器測量球閥開度，供系統(tǒng)控制使用。

圖1： 球閥組成圖

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

調(diào)節(jié)球閥主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1： 調(diào)節(jié)球閥主要參數(shù)表

3 試驗方案

3.1 試驗系統(tǒng)介紹

調(diào)節(jié)球閥在不同開度下的“流量——流體阻力”試驗條件如下：

（1）環(huán)境溫度：室溫。

（2）工作介質(zhì)：具備不劣于8 級（GJB 420B-2006 規(guī)定）污染度的65 號冷卻液。

（3）試驗設(shè)備：壓力傳感器、壓差變送器、流量調(diào)節(jié)器、泵及流量調(diào)節(jié)閥等，如圖2 所示。

圖2： 試驗原理圖

其中，貯液箱用于儲存符合要求的號65 冷卻液；管道泵提供管道內(nèi)一定壓力的循環(huán)冷卻液；通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入閥門冷卻液的規(guī)定流量；流量計用于計量管道冷卻液流量；壓力傳感器計量閥門進(jìn)口和出口冷卻液壓力；壓力變送器可讀出閥門的流體阻力。

3.2 試驗工況

按閥門開度為11.7°、17.1°、29°及33°，流量為400L/h、500L/h、600L/h、700L/h、800L/h、900L/h、1000L/h、1100L/h 及1200L/h 的工況，對調(diào)節(jié)球閥流體阻力進(jìn)行測量。

3.3 試驗過程

試驗步驟如下：

（1）按照圖2 所示試驗原理，連接試驗儀表、儀器及管道。

（2）將調(diào)節(jié)球閥與液冷系統(tǒng)試驗臺連接，通常溫絕對壓力為1.00MPa 的 65 號冷卻液，將球閥開度調(diào)至11.7°、17.1°、29°及33°，分別測量流量為400L/h、500L/h、600L/h、700L/h、800L/h、900L/h、1000L/h、1100L/h 及1200L/h 的流體阻力。

4 試驗結(jié)果

經(jīng)過上述試驗可知，調(diào)節(jié)球閥在不同開度和流量下的流體阻力如表2 所示，圖3 給出了不同開度下“流量——流體阻力”曲線。

圖3： 調(diào)節(jié)球閥流圖阻力曲線圖

表2： 調(diào)節(jié)球閥流體阻力數(shù)值表

根據(jù)上述試驗曲線分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）相同流量下，調(diào)節(jié)球閥的流體阻力隨開度增大而減小，流量系數(shù)隨開度的增加而增大；

（2）調(diào)節(jié)球閥開度越小，流體阻力變化幅度越大，相差1309kPa；

（3）進(jìn)一步試驗得知，球閥開度為90°時，流體阻力僅為0.75kPa，遠(yuǎn)小于小開度下的流體阻力。

5 流量系數(shù)計算

為進(jìn)一步得到調(diào)節(jié)球閥的流量系數(shù)μ（與流阻系數(shù)k 的平方根成反比），用以衡量閥門的工作流通能力，結(jié)合試驗得到的流體阻力，閥門流阻系數(shù)k為：

因此，按上述公式計算可得，不同流量-開度對應(yīng)的流阻系數(shù)結(jié)果見表3，流量系數(shù)結(jié)果見表4。

表3： 流阻系數(shù)結(jié)果表

表4： 流量系數(shù)結(jié)果表

根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量方程式可得出如下結(jié)論：

（1）在流體密度ρ 和閥門流量L 相同的情況下，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)μ 的大小反映了閥流通能力的大?。?/p>

（2）流量系數(shù)μ 與流通面積F 成正比關(guān)系，當(dāng)流通能力增大時，流量系數(shù)增大；反之，當(dāng)流通能力減小時，流量系數(shù)也同步降低；

（3）流量系數(shù)μ 與閥門的阻力系數(shù)k 的平方根成反比關(guān)系，當(dāng)閥門阻力系數(shù)k 增大時，閥門的流通能力將減?。蝗糸y門通徑相同，不同結(jié)構(gòu)型式閥門的阻力系數(shù)k 和流量系數(shù)μ 也隨之變化。

6 結(jié)論

綜上，在設(shè)計調(diào)節(jié)閥時，應(yīng)考慮調(diào)節(jié)閥的構(gòu)成、型式和特性等方面，并結(jié)合需求的工況和使用條件等因素，以選擇最為合適的閥門。在閥門特性研究中，試驗驗證也不可或缺。根據(jù)本文關(guān)于調(diào)節(jié)球閥的設(shè)計分析、計算與試驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1）調(diào)節(jié)閥門開度由小到大調(diào)節(jié)時，相同流量下，調(diào)節(jié)球閥的流體阻力隨開度增大而減小，流量系數(shù)隨開度的增加而增大；

（2）調(diào)節(jié)球閥開度越小，流體阻力變化幅度越大，相差1309kPa；

（3）進(jìn)一步試驗得知，球閥開度為90°時，流體阻力僅為0.75kPa，遠(yuǎn)小于小開度下的流體阻力；

（4）流量系數(shù)μ 與閥門的阻力系數(shù)k 的平方根成反比關(guān)系，當(dāng)閥門阻力系數(shù)k 增大時，閥門的流通能力將減小；若閥門通徑相同，不同結(jié)構(gòu)型式閥門的阻力系數(shù)k 和流量系數(shù)μ 也隨之變化。