機載惰化系統流量調節閥結構改進研究

楊昊文, 蔣東升, 胡珊珊

安徽建筑大學 機械與電氣工程學院, 安徽 合肥 230601

流量調節閥主要用于調節介質的流量、壓力等,適用于各種流體控制場合,在石油、冶金、電站等工業領域均有廣泛運用。國外調節閥行業技術水平較高,近年來隨著大型成套裝置技術的發展,國外調節閥逐漸大型化、高參數化、自動化和成套化,且工作性能優秀穩定。國內調節閥起步較晚,技術水平相對較低,近年來調節閥的研發能力及產品質量雖有明顯提高,但還存在很多問題。隨著我國各行各業自動化程度的提高,對流量調節閥的性能提出了更高的要求[1-3]。

在航空領域,流量調節閥也有所應用。隨著近年飛機油箱爆炸事故頻發,飛機油箱防火防爆的惰化技術越來越受到關注。當飛機在地面狀態時,油箱內的燃油中含有溶解的氧氣,隨著飛機的起飛和高度的不斷升高,油箱內壓力不斷減小,溶解于燃油中的氧氣不斷析出,造成燃油箱中氧氣濃度不斷提高,當氧氣濃度超出安全值12%時,會導致燃油箱處于易燃易爆的狀態,最終可能會致使飛機油箱發生爆炸,飛機損毀[4]。如果飛機的燃油箱具備了較好的防火防爆能力,那么飛行的安全性就可以大大提高[5]。對于飛機油箱惰化技術,人們不僅僅對其開展了應用于軍用機上的研究工作[6-8],而且也開展了大量的應用于民用機上的研究工作[9-12]。飛機油箱惰化技術主要有液氮惰化技術、Halon 1301惰化技術、分子篩技術等,而現在則是以膜分離技術為主[13]。膜分離技術是以具有選擇透過性的膜材料為核心,在膜兩側推動力下,實現混合物分離、提純、濃縮的技術[14-15]。采用膜分離技術的機載制氮系統是一種可行的、經濟的、可靠的機載制氮系統[16]。流量調節裝置作為采用膜分離技術的機載惰化系統中的一環,對整個系統有著重要的作用,流量調節裝置設計的優劣將直接影響機載惰化系統的工作性能。

本文首先對一種采用膜分離技術的機載惰化系統的流量調節閥進行結構上的分析,然后結合閥門設計原理進行結構改進,以滿足飛機油箱防火防爆要求。

1 工作原理

流量調節閥是一種用于調節流體介質流量的控制閥門。主要工作原理基于流體動量守恒定律和質量守恒定律,通過改變閥門的開度來調節流體介質的流量,從而實現對流量的精確控制。流量調節閥通常由閥門本體、閥門桿、閥座、閥瓣和執行機構等部分組成。執行機構可以是手動操作的手柄、電動機、液壓或氣動執行器等。當執行機構作用于閥門桿時,閥瓣會相應地移動,從而改變閥門的開度。當閥門開度增大時,流體通過閥門的截面積也增大,流速減小,壓力降低,從而使流量增加。反之,當閥門開度減小時,流量也會隨之減小。此外,流量調節閥還可以根據需要設置流量特性曲線,以實現不同的流量控制要求。通過調整閥門的開度,可以使流量控制在所需的范圍內,并保持穩定。

在機載惰化系統中,流量調節閥主要起連接與分配的作用。通電后,電機驅動閥芯沿其軸線方向進行移動。根據工作需求的不同,閥芯移動的距離也隨之發生變化。當閥芯移動到指定位置后,閥芯與閥體的相對位置隨之變化。閥芯與閥體相對位置的變化又使得流通區域的大小發生變化,進而使油箱內氮氣的流量隨之增大或減小,達到控制氮氣流量的目的,最終使油箱內的氧氣含量處于安全穩定的水平[17]。機載惰化系統流量調節閥工作原理如圖1所示。

圖1 機載惰化系統流量調節閥工作原理圖

2 結構改進

在實際工作過程中,常見的流量調節裝置往往會遇到諸多問題。針對這些問題,并結合閥門設計原理[18-20],及部分結構改進思路[21-24],對某原型號流量調節閥結構進行改進。

原型號流量調節裝置運行中問題及分析后的解決方法見表1。改進后的流量調節閥結構如圖2所示。

表1 原型號流量調節閥運行中問題及分析后的解決方法

圖2 改進后的流量調節閥結構

3 理論計算

依據機載油箱惰化系統流量調節裝置的流量與壓差關系要求(如圖3所示),并參考原流量調節裝置的閥芯行程與壓差關系要求(如圖4所示),得到以下設計要求:壓差ΔP≤0 MPa時,流量Q=(660×(1±10%)) L/min,閥芯行程L=2.37 mm;壓差ΔP≥0.02 MPa時,流量Q=(165×(1±10%)) L/min,閥芯行程L=0.56 mm;當0 MPa<ΔP<0.02 MPa時,流量Q與壓差ΔP關系為單調光滑二次曲線。

將流量調節閥閥芯與閥體處于無間隙狀態的位置定位為起始位置。

圖4中閥芯行程L與壓差ΔP的關系為

L=-90.5ΔP+2.37,

綜上要求,可得流量Q與閥芯行程L的關系為

Q=302.28L-9.47L2。

圖3 流量與壓差關系要求圖4 閥芯行程與壓差關系要求

按照所求關系進行改進,為便于實驗更具有可操作性,將流量調節閥由無級調節改為有級分4檔控制,并相應設置4個考核點以進一步確保實驗準確性,4檔位參數見表2。

表2 檔位設置

4 實驗

根據結構改進思路,對原型流量調節裝置及改進型流量調節裝置進行系列對比實驗。

4.1 實驗步驟

本實驗分為兩個階段進行:

第一階段:在不通氣的情況下進行運行模擬實驗,初步設定電控裝置的控制方案和技術參數,裝置與實驗設備的原理框圖如圖5所示;

圖5 流量調節裝置第一階段模擬實驗原理圖

第二階段:在第一階段模擬實驗的基礎上,進行通氣實驗,在對電控裝置做相應修正調整后進行流量調節裝置的性能實驗及系統聯試,裝置與實驗設備的原理框圖如圖6所示。

圖6 流量調節裝置第二階段性能實驗原理圖

4.2 實驗過程

4.2.1 原型流量調節裝置實驗

實驗中,規定氣體從活門口正面進入流量調節閥并從側面接嘴流出的方向為正向。

原型流量調節裝置先后共需進行總計6次實驗,分兩組進行。

一組的3次實驗在通氣方向為正向的情況下進行。第一次實驗在入口壓力為0.25 MPa、溫度為常溫(25 ℃)的情況下進行;第二次實驗在入口壓力為0.30 MPa、溫度為常溫的情況下進行;第三次實驗在入口壓力為0.25 MPa、溫度為高溫(45 ℃)的情況下進行。通氣實驗結果如圖7(a)所示。

二組的3次實驗在通氣方向為反向的情況下進行,3次實驗通氣條件與一組實驗相同。通氣實驗結果如圖7(b)所示。

(a)正向 (b)反向圖7 原型流量調節裝置通氣實驗

從實驗測得的數據看,當入口壓力為0.25 MPa時,無論氣體流動方向為正向還是反向,各檔流量值基本符合要求;當入口壓力為0.30 MPa時,無論氣體流動方向為正向還是反向,各檔流量值偏離均很大,這是由于運動的閥芯前端支架存在大面積端面,雖然有均勻的圓孔充當氣道,由于起始調節時,閥芯前端支架兩邊存在壓差,壓差大小不同,造成的閥芯運行的距離高于預設值;當所通氣體溫度為45 ℃時,各檔流量值偏離也均較大,高溫環境下,閥芯支架和閥芯尾端存在兩個橡膠密封圈,高溫受熱膨脹,閥芯運動阻力加大,導致原流量調節閥實際流量大于設定段流量值。

進行通電后活門氣密實驗,實驗數據見表3。從活門關閉情況來看,在大流量段原型電控式流量調節裝置復位后會發生微漏。這是因為閥芯支架自身存在重力,影響閥芯自由對中關閉,從而導致發生微漏的情況。此外,也存在阻力以及其他綜合因素影響閥芯的關閉。

表3 活門復位情況

4.2.2 改進型流量調節裝置實驗

改進型流量調節裝置在原型流量調節裝置的實驗項目基礎上進行對比實驗。

改進型流量調節裝置的4檔行程分別為2.75、1.84、0.9、0.4 mm,根據上文中的行程與流量關系式,各檔位所對應流量值也發生相應變化,分別約為700、520、340、160 L/min。

改進型流量調節裝置實驗先后仍需進行總計6次實驗,同樣分兩組進行。

一組的3次實驗在通氣方向為正向的情況下進行。第一次實驗在入口壓力為0.25 MPa、溫度為常溫的情況下進行;第二次實驗在入口壓力為0.30 MPa、溫度為常溫的情況下進行;第三次實驗在入口壓力為0.25 MPa、溫度為高溫的情況下進行。通氣實驗結果如圖8(a)所示。

二組的3次實驗在通氣方向為反向的情況下進行,3次實驗通氣條件與一組實驗相同。通氣實驗結果如圖8(b)所示。

(a)正向 (b)反向圖8 改進型流量調節裝置通氣實驗

從實驗測得的數據看,當入口壓力為0.25 MPa時,無論氣體流動方向為正向還是反向,各檔流量值基本符合要求;當入口壓力為0.30 MPa時,無論氣體流動方向為正向還是反向,各檔流量值雖有小幅度的上升,但仍基本符合要求;當所通氣體溫度為45 ℃時,無論氣體流動方向為正向還是反向,各檔流量值有小幅度的上升,但仍基本符合要求。

對改進型流量調節裝置進行通電后活門氣密實驗,從活門關閉情況來看,改進型電控式流量調節裝置在不同流量段復位后均可正常關閉而不發生漏氣現象。

4.3 結果對比

常溫環境下,入口壓力升高時,原型號流量調節閥與改進型流量調節閥的流量偏差率對比見表4。結構改進后,流量調節閥的流量偏差率由14%降至2.8%,改進效果顯著。

表4 入口壓力升高時流量偏差率對比

高溫環境下,原型號流量調節閥與改進型流量調節閥的流量偏差率對比見表5。結構改進后,流量調節閥的流量偏差率由20%降至6.2%,有一定改進效果,但仍有改進空間。且推測當溫度繼續升高時,流量偏差率可能會繼續上升。

表5 高溫環境下流量偏差率對比

5 結論

本文基于閥門的結構設計原理,并以某型號流量調節閥為對象,對其進行結構改進分析。在初步分析的基礎上,設計出改進型流量調節閥。并將改進型流量調節閥與原型號流量調節閥在溫度、壓力、復位3個方面進行定量對比實驗。主要結論如下:

(1)將原裝置活門結構改為純套筒式活塞結構后,流量調節閥的流量大小受入口壓力的影響減弱,在高壓情況下,能達到預期的工作效果;

(2)將原裝置橡膠密封圈取消,并增加配合精度以及向凹槽內存入潤滑脂后,流量調節閥的流量大小受溫度影響減弱,在高溫情況下,基本能符合預期的工作要求,但仍有一定改進空間;

(3)將原裝置內氣體流通通道改善后,流量調節閥氣體流通能力增強,通電復位后可以正常關閉并不發生漏氣現象。

本文的結構改進方法可以為機載惰化系統中各型號流量調節閥的性能改進及參數優化提供參考,有效提升機載惰化系統流量調節閥的工作效率。