小型高壓燃氣閥門降功率方法研究

楊文成

摘 要：小型高壓燃氣閥門用于連續調節固體姿軌控發動機的燃氣噴出流量。由于空間和重量限制，需要降低閥門的驅動力。該設計將問題分為兩個部分分別討論，通過對燃氣閥門的結構形式進行重新設計并使用Fluent對閥門流場進行了仿真計算，從閥門結構形式方面降低閥門驅動力，又通過改進閥門的密封件，使得密封件在滿足高壓密封的同時，減小了高溫變形對閥門驅動力的影響，最終達到降低閥門驅動力的目的。

關鍵詞： 高壓；燃氣閥門；降功率

1 概述

導彈姿軌控發動機需要控制燃氣噴出的流量和噴出位置，燃氣閥門作為核心部件安裝在固體發動機的不同位置來達到此目的。為了達到相應的質量流量，燃燒室的壓強很大，為11MPa-12MPa，同時溫度達到800℃，由于結構空間上的要求，閥門需在φ50mm的空間內進行設計，驅動裝置也在一個和閥門同等大小的空間內，所以設計中必須考慮高溫高壓的密封以及閥門小型化和低功率化。

小型高壓燃氣閥門在設計中針對遇到的難點逐一進行剖析和解決，最終通過小功率的電機驅動閥門完成燃氣的連續調節。

2 主要問題

導彈姿軌控發動機的燃氣閥門需要滿足總體的要求，由于彈上電池功率和體積有限，所以配備的閥門驅動電機的功率也不能過大。經分解矛盾，最終問題主要體現在以下兩個方面。

2.1 燃氣閥門的結構形式

通過燃氣閥門的最大質量流量不能降低，這使得燃燒室的壓強和閥門的口徑不能減小。高溫燃氣夾雜著粉塵，要求閥門的抗粉塵能力強，在選擇了抗粉塵能力較強的錐閥形式后，閥門的驅動力很大，同時系統對閥門的快速性有較高要求，導致不能選擇大減速比的減速器。這一系列困難使得燃氣閥門的結構設計成為了降低閥門驅動力的一個關鍵點。

2.2 高溫高壓密封形式

通過燃氣閥門的介質為高溫高壓的帶粉塵氣體，閥芯的動密封是一個設計難點。首先，通常用于動密封的橡膠密封圈和盤根無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，且在高溫下容易發生粘結等現象，而且過多粉塵進入可能導致密封失效，最后，密封壓力不能過大，不能使閥門的驅動力增加太多。這些原因使得閥芯的密封問題成為設計難點。

3 解決方案

3.1 降低閥門驅動力矩的結構設計

各種條件限制使得降低閥門力矩的方法只能集中在燃氣閥門結構本身，該小型燃氣閥門仍然采用抗粉塵能力較強的錐閥形式，為了降低閥芯的不平衡力，將燃氣導入至閥芯上方，平衡閥芯上下的壓力，達到降低閥門驅動力的目的，具體結構如圖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，驅動閥芯只需克服密封的摩擦力，當閥芯運動時，閥芯前端的動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行分析，同時流體仿真還需要計算出閥門的最大質量流量，用于檢驗新的結構是否能滿足總體要求。

設置燃氣閥門的入口壓強為11.5MPa，出口壓強為標準大氣壓（0.1MPa），氣體介質溫度為800℃，忽略其中的粉塵，將其作為理想氣體考慮，由于氣體在閥體內有超聲速的部分，故采用密度基隱式解法的求解器。該燃氣閥門的兩個噴管對稱分布，流場分析只選擇其中的一個噴管，對單個噴管的流場有限元建模。分析后的流場一個截面的壓力云圖如圖2所示。

流場仿真可以得到閥門的最大質量流量為1.95kg/s，滿足要求，閥門開度最大時閥芯前端的動壓力最大，此時閥芯前端的壓力為4015.43N，而閥芯后端的氣體流速很低，可以認為是靜壓，計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量流量的前提下，大幅度的降低了驅動電機的功率。

3.2 高溫高壓密封的結構設計

閥芯與閥體之間的密封不但涉及到密封氣體本身，還涉及到對閥門驅動力的影響。密封結構的設計需同時兼顧高壓密封和高溫變形對閥門驅動力的影響。

閥芯和閥體直接的密封形式為活塞密封，需要對活塞密封件進行詳細設計，如圖3所示，其中由兩片開口金屬環和一片斷開的石墨環組成一個密封組件，共用兩道密封組件實現閥芯和閥體之間的密封。其密封過程為：兩片開口金屬環直接接觸高壓氣體向中間擠壓，石墨環在斷開處做斜面，受到擠壓作用后可以向外撐開接觸閥體實現密封，同時若閥體受熱變形，該石墨環也可以適應閥體的變形。即完成了高壓密封，又能經受高溫的變形，同時不會使閥門的驅動力大幅度增加。

4 結論

通過以上分析，針對小型燃氣閥門降功率的需求，設計了新式閥門結構，由仿真計算可知閥芯驅動力大幅度降低，同時對密封形式進行了改進設計，使其適應了高溫高壓的工況，滿足了設計要求。■