高壓快速射流式換向閥設計與研究

, ， ， (上海航天動力技術研究所, 上海 201109)

引言

工業生產領域以及航天領域等常使用各種閥門來實現流體的截止、換向以及流量調節等控制，換向閥就是其中用來改變流體方向的一種控制閥門。但目前市場上換向閥的切換速度大多較慢，且工作壓強較低，而且由于結構設計缺陷而導致內漏、閥芯磨損嚴重等問題，大大影響了換向閥的使用性能，無法滿足一些場合對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域已有技術成果,根據射流控制原理，研制了一種能夠承受較高壓強并能夠實現快速切換的射流式換向閥原理樣機，并進行了試驗驗證。

1 射流式換向閥基本原理

射流控制技術自美國在20世紀50年代提出以來，已經獲得了飛速的發展和廣泛的應用，如石油鉆采使用的射流式沖擊錘[1-3]、導彈姿態控制使用的雙穩換向閥[4，5]以及用于電解鋁溫度控制的射流控制系統[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，主流通道的構型為拉瓦爾噴管。

射流控制技術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方向，換向閥的基本工作過程為主流從入口進入后，在噴管喉部直段通道末端受到控制通道進入的控制流的擾動，在擾動的作用下主流流動切換到控制流對側，通過劈尖從對側排氣通道中排出。兩路控制流的開關各由1個電磁閥控制，兩路控制流交替通閉，即可實現換向閥的換向目的。圖1中劈尖結構的主要作用是限制分流，使主流從同一個排氣通道排出。

1.主流入口 2.控制流入口 3.劈尖 4.排氣通道

2 換向閥參數設計

對于換向閥內部關鍵結構參數主要參照文獻[7-9]進行設計，換向閥內部各參數定義如表1所示，根據文獻所述，當噴管厚度d在2b～3b時，換向閥較易實現切換；b為主流通道寬度，當劈距H小于10b～12b時，內流場容易在劈尖處產生分流；而對于噴喉直線段的長度B，其值越大換向閥越容易實現穩定切換；噴喉擴張徑w越小所需控制流量越小。

根據文獻資料所述并結合流體力學，換向閥內部各結構參數的取值如表1所示。

表1 換向閥關鍵參數取值范圍

換向閥原理樣機外形如圖2所示。

3 換向閥工作過程仿真

為驗證所設計換向閥的切換原理，利用CFD軟件對換向閥內流場進行仿真研究。換向閥物理模型簡化如圖3所示，1個主流入口、2個控制流入口、2個出口。

設置主流入口壓力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，控制流入口關閉，計算穩態流動直至流場收斂，然后其中一個控制流入口打開，計算瞬態過程10 ms。

圖2 換向閥原理樣機外形圖

圖3 計算模型示意圖

采用Gridgen生成六面體結構網格，網格總數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，時間采用隱式時間步。計算介質假設為理想氣體，出入口溫度300 K。

圖4所示為換向閥切換過程中內部速度場變化過程。初始時刻，由于主流自身紊流特性而偏向流場左側，此時開啟左側控制通道；到0.5 ms時刻，主流發生明顯偏轉，即將越過劈尖切換到右側排氣通道；到0.7 ms 時刻，主流基本完成流動切換；到0.9 ms時刻，流場切換全部完成，主流從右側排氣通道排出。

通過流場仿真過程，從原理上驗證了射流式換向閥基本可行。

4 換向閥性能試驗

4.1 承壓能力試驗

為測試換向閥的承壓能力和各處密封的可靠性，進行了換向閥的水壓試驗，試驗共進行了6 MPa、12 MPa、18 MPa、25 MPa四個臺階壓強，每個壓強工況下承壓30 s。

水壓試驗測試結果如圖5所示，結果表明所研制的換向閥完全能夠承受較高壓強，各處密封可靠。

圖4 換向閥切換過程仿真

圖5 換向閥水壓試驗曲線

4.2 換向性能試驗

在完成水壓試驗的基礎上，對換向閥進行性能試驗，主要測試換向閥的換向速度，這是考核換閥性能的一個重要指標。

換向閥試驗系統如圖6所示。換向閥的主氣流和控制氣流分別由2個氮氣瓶提供，兩路氣流通過過濾器和減壓閥后進入換向閥，換向閥主氣流入口和兩控制氣路入口各裝有1個電磁開關閥。對換向閥兩側出口進行壓強測量，通過壓強變化作為換向的判定依據。

圖6 試驗系統框圖

試驗系統的控制策略為：氣瓶打開后，主通道和控制通道的電磁鐵同時打開，兩控制通道電磁鐵交互開關3次。

換向閥換向時兩側出口壓強曲線如圖7所示，圖中試驗工況為主通道壓強6 MPa，控制通道壓強3 MPa。

圖7 換向閥兩側排氣通道壓強試驗曲線

為研究換向閥具體切換過程，選取圖7中虛線框部分進行局部放大，如圖8所示。由圖可知，電磁鐵動作信號在t0時刻發出，此前右控制通道的壓強高于左控制通道壓強，左排氣通道壓強高于右排氣通道壓強。控制信號發出后，經過約12 ms的滯后時間(t1時刻)，右控制通道壓強先開始降低，再經過3.6 ms后左控制通道壓強開始上升(t2)，兩控制通道壓強曲線在控制信號發出18.7 ms后交匯(t4)。噴管兩側壓強在t3時刻開始變化，左排氣通道開始上升，右排氣通道開始下降，在t5時刻交匯。在t6時刻左排氣通道壓強上升至穩定值，此時距控制信號發出時間23.9 ms。

圖8 換向閥單次切換

將換向閥的切換時間定義為從電磁鐵發出控制信號時刻起，到壓強上升側的排氣通道達到穩定時刻止所需要的時間。

從t0時刻至t1時刻的響應時間可以近似看作是兩路控制流中電磁閥的響應時間，其時長約為12 ms。從t0時刻至t6時刻為換向閥一個完整的切換過程時間，其時長為23.9 ms。

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

表2 換向閥切換時間

4.3 控制壓強對切換速度的影響

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

由表中數據可知，主流4 MPa時，控制流的壓強高于2 MPa能較好實現切換，主流6 MPa時，控制流高于3 MPa能較好實現切換；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約為主流壓強一半時，能夠實現較好的切換，當提高控制壓強時，換向閥切換速度變慢，但變化幅值不大，表明控制流壓強的裕度較高。

表3 不同控制壓強對切換速度的影響

5 結論

根據換向閥切換機理研制了高壓快速換向閥，與常規換向閥相比，射流式換向閥除能夠承受較高壓強外，在結構上也具有許多優點，其無內部活動部件，使用壽命長，不存在閥體內部的泄漏問題等，具有廣泛的應用空間。

通過試驗驗證表明該換向閥能夠承受至少25 MPa 的壓強，可在較高的壓強下實現切換，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。

但從試驗數據分析結果來看，在換向閥切換過程中，導閥的響應時間為12 ms，約占換向閥整個切換時間的一半時間，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購買的貨架產品，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換向閥需求研制快速電磁導閥。

參考文獻：

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