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小型高压燃气阀门降功率方法研究

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杨文成

摘要：小型高压燃气阀门用于连续调节固体姿轨控发动机的燃气喷出流量。由于空间和重量限制，需要降低阀门的驱动力。该设计将问题分为两个部分分别讨论，通过对燃气阀门的结构形式进行重新设计并使用Fluent对阀门流场进行了仿真计算，从阀门结构形式方面降低阀门驱动力，又通过改进阀门的密封件，使得密封件在满足高压密封的同时，减小了高温变形对阀门驱动力的影响，最终达到降低阀门驱动力的目的。

关键词：高压；燃气阀门；降功率

1概述

导弹姿轨控发动机需要控制燃气喷出的流量和喷出位置，燃气阀门作为核心部件安装在固体发动机的不同位置来达到此目的。为了达到相应的质量流量，燃烧室的压强很大，为11MPa-12MPa，同时温度达到800℃，由于结构空间上的要求，阀门需在φ50mm的空间内进行设计，驱动装置也在一个和阀门同等大小的空间内，所以设计中必须考虑高温高压的密封以及阀门小型化和低功率化。

小型高压燃气阀门在设计中针对遇到的难点逐一进行剖析和解决，最终通过小功率的电机驱动阀门完成燃气的连续调节。

2主要问题

导弹姿轨控发动机的燃气阀门需要满足总体的要求，由于弹上电池功率和体积有限，所以配备的阀门驱动电机的功率也不能过大。经分解矛盾，最终问题主要体现在以下两个方面。

2.1燃气阀门的结构形式

通过燃气阀门的最大质量流量不能降低，这使得燃烧室的压强和阀门的口径不能减小。高温燃气夹杂着粉尘，要求阀门的抗粉尘能力强，在选择了抗粉尘能力较强的锥阀形式后，阀门的驱动力很大，同时系统对阀门的快速性有较高要求，導致不能选择大减速比的减速器。这一系列困难使得燃气阀门的结构设计成为了降低阀门驱动力的一个关键点。

2.2高温高压密封形式

通过燃气阀门的介质为高温高压的带粉尘气体，阀芯的动密封是一个设计难点。首先，通常用于动密封的橡胶密封圈和盘根无法用于高温高压的情况，其次，软金属密封要求加工精度很高，且在高温下容易发生粘结等现象，而且过多粉尘进入可能导致密封失效，最后，密封压力不能过大，不能使阀门的驱动力增加太多。这些原因使得阀芯的密封问题成为设计难点。

3解决方案

3.1降低阀门驱动力矩的结构设计

各种条件限制使得降低阀门力矩的方法只能集中在燃气阀门结构本身，该小型燃气阀门仍然采用抗粉尘能力较强的锥阀形式，为了降低阀芯的不平衡力，将燃气导入至阀芯上方，平衡阀芯上下的压力，达到降低阀门驱动力的目的，具体结构如图1所示。

从图1中可以看出，在静压作用下，阀芯下端的力和作用的阀芯上端的力相互平衡，驱动阀芯只需克服密封的摩擦力，当阀芯运动时，阀芯前端的动压和阀芯后端的静压不相等，而具体的压差采用流体仿真进行分析，同时流体仿真还需要计算出阀门的最大质量流量，用于检验新的结构是否能满足总体要求。

设置燃气阀门的入口压强为11.5MPa，出口压强为标准大气压（0.1MPa），气体介质温度为800℃，忽略其中的粉尘，将其作为理想气体考虑，由于气体在阀体内有超声速的部分，故采用密度基隐式解法的求解器。该燃气阀门的两个喷管对称分布，流场分析只选择其中的一个喷管，对单个喷管的流场有限元建模。分析后的流场一个截面的压力云图如图2所示。

流场仿真可以得到阀门的最大质量流量为1.95kg/s，满足要求，阀门开度最大时阀芯前端的动压力最大，此时阀芯前端的压力为4015.43N，而阀芯后端的气体流速很低，可以认为是静压，计算可得阀芯后端的压力为3948.51N，从而得知阀芯前后端的不平衡力最大为66.92N，较原始的4015.43N大幅度降低，从而在满足阀门的质量流量的前提下，大幅度的降低了驱动电机的功率。

3.2高温高压密封的结构设计

阀芯与阀体之间的密封不但涉及到密封气体本身，还涉及到对阀门驱动力的影响。密封结构的设计需同时兼顾高压密封和高温变形对阀门驱动力的影响。

阀芯和阀体直接的密封形式为活塞密封，需要对活塞密封件进行详细设计，如图3所示，其中由两片开口金属环和一片断开的石墨环组成一个密封组件，共用两道密封组件实现阀芯和阀体之间的密封。其密封过程为：两片开口金属环直接接触高压气体向中间挤压，石墨环在断开处做斜面，受到挤压作用后可以向外撑开接触阀体实现密封，同时若阀体受热变形，该石墨环也可以适应阀体的变形。即完成了高压密封，又能经受高温的变形，同时不会使阀门的驱动力大幅度增加。

4结论

通过以上分析，针对小型燃气阀门降功率的需求，设计了新式阀门结构，由仿真计算可知阀芯驱动力大幅度降低，同时对密封形式进行了改进设计，使其适应了高温高压的工况，满足了设计要求。■

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-全文完-