楊文成

摘 要：小型高壓燃?xì)忾y門用于連續(xù)調(diào)節(jié)固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鈬姵隽髁?。由于空間和重量限制，需要降低閥門的驅(qū)動(dòng)力。該設(shè)計(jì)將問(wèn)題分為兩個(gè)部分分別討論，通過(guò)對(duì)燃?xì)忾y門的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并使用Fluent對(duì)閥門流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，從閥門結(jié)構(gòu)形式方面降低閥門驅(qū)動(dòng)力，又通過(guò)改進(jìn)閥門的密封件，使得密封件在滿足高壓密封的同時(shí)，減小了高溫變形對(duì)閥門驅(qū)動(dòng)力的影響，最終達(dá)到降低閥門驅(qū)動(dòng)力的目的。

關(guān)鍵詞： 高壓；燃?xì)忾y門；降功率

1 概述

導(dǎo)彈姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)需要控制燃?xì)鈬姵龅牧髁亢蛧姵鑫恢?，燃?xì)忾y門作為核心部件安裝在固體發(fā)動(dòng)機(jī)的不同位置來(lái)達(dá)到此目的。為了達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量流量，燃燒室的壓強(qiáng)很大，為11MPa-12MPa，同時(shí)溫度達(dá)到800℃，由于結(jié)構(gòu)空間上的要求，閥門需在φ50mm的空間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)裝置也在一個(gè)和閥門同等大小的空間內(nèi)，所以設(shè)計(jì)中必須考慮高溫高壓的密封以及閥門小型化和低功率化。

小型高壓燃?xì)忾y門在設(shè)計(jì)中針對(duì)遇到的難點(diǎn)逐一進(jìn)行剖析和解決，最終通過(guò)小功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門完成燃?xì)獾倪B續(xù)調(diào)節(jié)。

2 主要問(wèn)題

導(dǎo)彈姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)忾y門需要滿足總體的要求，由于彈上電池功率和體積有限，所以配備的閥門驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率也不能過(guò)大。經(jīng)分解矛盾，最終問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.1 燃?xì)忾y門的結(jié)構(gòu)形式

通過(guò)燃?xì)忾y門的最大質(zhì)量流量不能降低，這使得燃燒室的壓強(qiáng)和閥門的口徑不能減小。高溫燃?xì)鈯A雜著粉塵，要求閥門的抗粉塵能力強(qiáng)，在選擇了抗粉塵能力較強(qiáng)的錐閥形式后，閥門的驅(qū)動(dòng)力很大，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)閥門的快速性有較高要求，導(dǎo)致不能選擇大減速比的減速器。這一系列困難使得燃?xì)忾y門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了降低閥門驅(qū)動(dòng)力的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 高溫高壓密封形式

通過(guò)燃?xì)忾y門的介質(zhì)為高溫高壓的帶粉塵氣體，閥芯的動(dòng)密封是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。首先，通常用于動(dòng)密封的橡膠密封圈和盤根無(wú)法用于高溫高壓的情況，其次，軟金屬密封要求加工精度很高，且在高溫下容易發(fā)生粘結(jié)等現(xiàn)象，而且過(guò)多粉塵進(jìn)入可能導(dǎo)致密封失效，最后，密封壓力不能過(guò)大，不能使閥門的驅(qū)動(dòng)力增加太多。這些原因使得閥芯的密封問(wèn)題成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

3 解決方案

3.1 降低閥門驅(qū)動(dòng)力矩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

各種條件限制使得降低閥門力矩的方法只能集中在燃?xì)忾y門結(jié)構(gòu)本身，該小型燃?xì)忾y門仍然采用抗粉塵能力較強(qiáng)的錐閥形式，為了降低閥芯的不平衡力，將燃?xì)鈱?dǎo)入至閥芯上方，平衡閥芯上下的壓力，達(dá)到降低閥門驅(qū)動(dòng)力的目的，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出，在靜壓作用下，閥芯下端的力和作用的閥芯上端的力相互平衡，驅(qū)動(dòng)閥芯只需克服密封的摩擦力，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥芯前端的動(dòng)壓和閥芯后端的靜壓不相等，而具體的壓差采用流體仿真進(jìn)行分析，同時(shí)流體仿真還需要計(jì)算出閥門的最大質(zhì)量流量，用于檢驗(yàn)新的結(jié)構(gòu)是否能滿足總體要求。

設(shè)置燃?xì)忾y門的入口壓強(qiáng)為11.5MPa，出口壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（0.1MPa），氣體介質(zhì)溫度為800℃，忽略其中的粉塵，將其作為理想氣體考慮，由于氣體在閥體內(nèi)有超聲速的部分，故采用密度基隱式解法的求解器。該燃?xì)忾y門的兩個(gè)噴管對(duì)稱分布，流場(chǎng)分析只選擇其中的一個(gè)噴管，對(duì)單個(gè)噴管的流場(chǎng)有限元建模。分析后的流場(chǎng)一個(gè)截面的壓力云圖如圖2所示。

流場(chǎng)仿真可以得到閥門的最大質(zhì)量流量為1.95kg/s，滿足要求，閥門開(kāi)度最大時(shí)閥芯前端的動(dòng)壓力最大，此時(shí)閥芯前端的壓力為4015.43N，而閥芯后端的氣體流速很低，可以認(rèn)為是靜壓，計(jì)算可得閥芯后端的壓力為3948.51N，從而得知閥芯前后端的不平衡力最大為66.92N，較原始的4015.43N大幅度降低，從而在滿足閥門的質(zhì)量流量的前提下，大幅度的降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。

3.2 高溫高壓密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥芯與閥體之間的密封不但涉及到密封氣體本身，還涉及到對(duì)閥門驅(qū)動(dòng)力的影響。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需同時(shí)兼顧高壓密封和高溫變形對(duì)閥門驅(qū)動(dòng)力的影響。

閥芯和閥體直接的密封形式為活塞密封，需要對(duì)活塞密封件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，如圖3所示，其中由兩片開(kāi)口金屬環(huán)和一片斷開(kāi)的石墨環(huán)組成一個(gè)密封組件，共用兩道密封組件實(shí)現(xiàn)閥芯和閥體之間的密封。其密封過(guò)程為：兩片開(kāi)口金屬環(huán)直接接觸高壓氣體向中間擠壓，石墨環(huán)在斷開(kāi)處做斜面，受到擠壓作用后可以向外撐開(kāi)接觸閥體實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)若閥體受熱變形，該石墨環(huán)也可以適應(yīng)閥體的變形。即完成了高壓密封，又能經(jīng)受高溫的變形，同時(shí)不會(huì)使閥門的驅(qū)動(dòng)力大幅度增加。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，針對(duì)小型燃?xì)忾y門降功率的需求，設(shè)計(jì)了新式閥門結(jié)構(gòu)，由仿真計(jì)算可知閥芯驅(qū)動(dòng)力大幅度降低，同時(shí)對(duì)密封形式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其適應(yīng)了高溫高壓的工況，滿足了設(shè)計(jì)要求?！?