航空气动压力调节蝶阀的设计研究.pdf

阁门年第期 航空气动压力调节蝶阀的设计研究 中国航空工业总公司第厂冉体学 摘要 重点介绍了应用流休力学和自动控 制等理论 , 结合工程设计经验 , 设计航空高温空气压 力调节蝶阀的方 法 。从 拟定工作 原理 、 抽象物理模 型 、 建立数学模型到计葬机数字仿真 , 完成了原理 设计 、 参数设计和容差设计的全部理论设计工作 。 产品的试验结果与理论设计相 吻合 , 满足主机使 用要 求 。 叙词 调节阀蛛阁 一 、 月 日舀 发 动 机引气 系统 、 飞机 环 控系统 、 防冰 系 统 、 应急 动 力 系统 和 电子设备增压 系统等常用 高温空气控制 阀门保证所需的高温空气压力和 流量 。 目前 , 国际 上 广泛使用的高温空气压力 流 量调 节 阀简称高温润门主要 有 两 种类 型 , 一种 是主阀为套筒结构的调节阀简称套 阀另一种是主阀为蝶板结构 的调节 阀 简称 蝶阀 。 我厂为某机环控系统研制不高温空气压 力调节和关断蝶阀 , 经试验其主 要技术指标达 到 了要求 。 二 、 技术要求与特点 技术要求 蝶阀主要控制引 自发动机通往飞机环控 系 统 的高温 空气压力和流量 , 调 节气路通断 和输 出压力恒定 。 蝶阀的主要技术要求如下 空气温度 一 空气流量 进口压力 出口压力 试 开关 流阻 供 电电压 最大 电流 特点 压 ‘ 入绝对 、 。士。 鲍 对 通龟打开 , 断电奚闭 尸 , 为几绝对 时 , 」 , 为绝 对时 , 叮簇 镇 压力调节精度 高 调节阀的调 节精度通常用调压偏 差率表 示 。 一般调压阀的调压偏 差率为巧 , 而新研制蝶阀的调压偏差率只允许 , 表 是 美 国同类 蝶阀与该蝶阀调 节精度的 对比情 况 。 表气动调节蝶阀主要技术要求对比 代号产地 〔 , 。〕、 气 偏差 开启压力 流阻 ‘, ‘门 暇 ︺肉了 ︵又 ︸叮‘以 ‘,‘ 任,矛 六 国国国国美美美美 士 士 士 士 士 偏差率 ‘ 习 厂 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期 流阻小 新研制的蝶阀与美国蝶阀通径相 同 , 流量相同 , 而流阻约 为美国蝶阀的八。 。 开启压力低 在产 品设计 中 , 开启压力是指 阀门开启时 的前后压差 。 表中 新 研 制蝶阀 的开启压力 为绝对 压力 , 实际开启压差 为 , 对应的美国蝶阀开启压 差为 。 开启压差越低 , 力匹配设计越困难 , 摩擦影响越 大 , 工程偏差影响越大 , 越难满足要求 。 三 、 蝶阀设计 根据要求 , 必 须保证蝶阀在调压段 理 论值 包括工程误差影响不超出出口压 力 士 的范围 。 在非调压段 蝶 板全开 , 以求 流阻最小 , 蝶阀工作原理 如 图所示 , 其方框图 如图所示 。 酬酬酬火 火 翻翻翻又 又 口口 图蝶阀原理图 先导阀 、 电磁阀蛛板膜片组件 压力 继电器 二 益住创玻玻玻反应应应,二‘ 曰性万洲 洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲 月月月月月月月月供万叫 叫 图蝶阀原理方框图 衅阀为气动控制结构 , 分为气动控 制通路 和主通路两个气路 卜。 主气路是系统需要的压 力 调节和通断气路 控制气路 是为满 足主气路调 压和关断要求设置的气路 。 控制气路有两个支 路 , 一个是先导压力控制压力调节支路 , 另一 个是压力信号转换支路 。 ‘ 先导压力调节支路可以保证蝶阀的开关和 调压特性当进口压力通过气路到达先导阀 , 先 导阀将其减搏为恒值控制压力通往两位开 关 。 若电磁阀通电 , 控制压力可达控制腔 , 推动膜片 组件与蝶板联动 , 使蝶板达到需要的开启角 。若 电磁阀断电 , 则控制压力不能到达控制腔 , 膜片 组件与蝶板将因复位弹簧的作用而保持关闭 , 主气路被切断 。 压力信号转换支路可以保证蝶阀的流阻特 住 。 进口压力作用在压力继电器上 , 当压力超过 蝶阀的调定压力时 , 压力继电器使电磁阀通 电 , 蝶阀的反馈腔与出口压力接通 , 实现正常的压 力负反馈 , 保证蝶阀正常的调压特性 。进 口压力 低于蝶阀调定 压力时 , 压力继电器不输出电信 号 。 电磁阀不通电 , 两位开关切断出口压力与反 馈腔的通路 , 并使反馈腔通大气 , 以保证进口压 力很低时能推动膜片组件与蝶板到全开位置 , 使蝶阀流阻最小 。 上述设计方案从原理上保证了蝶阀能自动 调节出口压力 , 若在某种干扰作用下 , 蝶阀的出 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 一 年第期 口压力发生 了偏移 , 它会自动调节到 原来的状 态 , 达到恒压力输出的目的 。 其基本作用过程如 下 。 个膜片个蝶板杏 一凡 个 凡告 ‘ 一 宝 只备 膜片奋蝶板个 一凡 令 凡个 四 、 理论设计与数字仿真 在蝶阀调压段 , 根据工作原理 所 确定的物 理模型建立数学模型 。 控制腔压力 氏 , 尸‘二尸术一。十打 ‘ 式中 , 弹簧刚度 、 阀腔面积 ,。一一 预 压缩量 一 先导阀行程 因以上参数 调整后 均为常数 , 故 、 为常 数 。 蝶板流量 。一 二粤 。一、。卜兰了兀万不丁万 一 ’ 一 一 一 一’ 了丁 ’一‘ 、一 一 “ 亚临界 一 汀 一 ,‘一 “ ’ ”’‘一“ 与示 “ 布 反馈腔有效面积 一 一通道直径 叫 。 背压孔径 必 , 连杆长度 摇臂长度 , 先导阀弹簧刚度 反馈腔弹簧刚度 流量系数 , 介质温度 , 气动力矩系数 一 一 蝶板开启角度 ‘ ‘ 一 ‘三一一一一‘ 一,一一一 氏 。 图蝶阀理论计算输出特性曲线 超临界 背压孔节流方程 ‘ ‘ 与 “一 ”” ‘, 于 ‘。 于 , 蝶板气动 力矩方程 。 。 。 讨一 ’ , 一从 气动 力矩 对膜片组件的作用 力 。 与 自一一 , “ ‘” ” , 气, 一一 ”『 下一一 一沪 膜片组件力平衡方程 、刁、 一八志 心 大 蝶板转角 “ 与膜片组件行程的关系式 。 丫 ,, 一一, ”一 一 一了口一〔一。一〕 全 连续方程 一 式中片 一 出口压 力 图蝶阀实际 试验输出特性 曲线 , 一 进 压力上仆时的输出压力位▲ 一进 口压力下降时 的输出压力值 根据数学模型取定有关系数 , 结合结构设 计的参数进行数字仿真 用多组拟定参数进 行 计算 , 可以得到多组匹配参数均可达到要求的 设计性能 。 在充分考虑体积 、 重量和加工工艺等 方面的因素后 , 从中优选出一组结构参数作为 设计的依据 。 这组参数为上膜腔有效作用直径 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 年第期一 、 一必 , 反馈腔有效作用直径 必 的实际输出 , 使其偏离理论 曲线 。 因此在产品设 , 蝶 板关 闭时复位弹簧作用力 ‘一 , 计中适当增大 了反馈腔直径 , 严格控制偏差 蝶阀出口压力控制范围凡一一调压时及最大限度减小摩擦力 。 , 连杆长度 。一 , 摇臂长度 ,一 。 五 、 试验结果分析 反馈腔弹簧刚度 一 , 控 制腔压力 一 新研制蝶阀装机件调 压性能 实 测值如 表 巧 。 根据计算所得数据绘出输出特性曲 , 绘成曲线如图所示 。 线图 , 但在工 程上常有其 他因素影响蝶阀 表装机产品调压性能实测值 进口压力 出口压力 出口压力 出口压力 乐 。 升降升降升降 从图实测 曲线和表数据可以看出 , 三 套蝶阀的调压范围都符合要求 。 试验过程中 、进 口压力逐渐升高时 , 出白压力偏高 。 进口压力逐 渐降低时 , 出口压力偏低 。 这是由于调节元件或 传动元夕卜 运动副之 间的摩擦造成的 。 虽 然在设 计上采取了相应措施 , 但摩擦只能在某种程度 上减小而不能消除 。 调 压曲线的进口低压段比 较 高 , 进口高压段比较低 , 线性度 不太好 , 这 是 由于流体力学方程的非线性原理决定的 。 新研制蝶阀的低流阻 和低压全开 特 性 较 好 , 其流阻实测值均不超过 , 当进口压力 为表压时 , 蝶板能达到全开位置 。 压 力信号 转换气路的设计也很好 , 试验结果完 全 符合设计意图 , 研制工作初步获得成功 。 欢 迎订 灼 真空 杂志简介 真 空杂志创刊于年 , 至今已有年 的历史 , 是中国真空界主要杂志之一 。 由机械工业部 沈阳真空技术研究所主办 , 沈阳真空杂志社编辑和出版 。 自年真空杂志转换经营初制以来 , 由 我国真空企业界实力雄厚 的厂家与杂志社联办成立董事 会并由真空学术 界著 名学者组成编 委会 , 社会效益与经济效 益与日俱增 , 在国内真空界享有盛誉 , 在国外 , 自年公开发行以来 , 被美 国 、 德国 、 日本 、 意大利 、 韩国 以及港澳地区越来越多的海外 学者所关注 , 著名外 商厂家争 先在真空 杂志上发布产品 广告 。 真空杂志是直属于机械工业 邵 主管的 中央级 刊物 , 并列入中文核心期刊要目总览物理学类核 心期刊 。 升多年来以理论 为基础 , 以实用为特 色独具一格 , 密切 结合 国情立足刊物之林是其经久不 衰的生命力所在 。 真空杂志主要报 导专业范围真 空获 得 、 测 量 与检漏 、 真 空热处理 、 辉光离子 氮化 、 真空冶 金与 铸造 、 镀膜与刻蚀 、 真 空干澡与食品保鲜 、 真空压力浸渍 、 树脂浇注 、 真空焊接与铝钎焊 , 真空包装与 输送 、 加速器与核聚变 , 各种真空材料 、 表面科学与仪器 、 纳 米科学与技术等等 。 真空杂志主要栏目设置学术论文 、 新产品开发 、 实验技术 、 综述 、 系列讲座 、 经验介绍 、 设计计 算 、 工艺研究 、 考察报告 、 设 备维修 、 各种 信息及产品 广告等 。 真 空杂志为双月刊 , 开本 , 每期 页 。 激光照排 出版 、 胶版印刷 、 质量精美 。 联系人 沈阳真空杂志社 慈凤云地址沈阳市沈河区万柳塘路号 邮编 一 电话 一 直拨 传真 一组 一 定价元本 , 年定价元 含邮费 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.