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航空航天領(lǐng)域用三超截止閥的技術(shù)研究
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概述●
隨著科技的高速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域的某些特種試驗(yàn)裝置對(duì)控制閥門的技術(shù)參數(shù)越來(lái)越高，達(dá)到三超：即超高溫（900℃~2000℃）、超高壓（12 MPa~45 MPa）、超快開啟（0.02 s~0.5 s）。本文介紹了三超截止閥的基礎(chǔ)理論研究，包括材料的高溫蠕變性能研究，超聲速振動(dòng)噪聲發(fā)生機(jī)理及控制方法研究，流體動(dòng)力學(xué)分析及多物理量耦合關(guān)鍵技術(shù)研究。又介紹了三超截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)件選材、隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及液態(tài)耐高溫涂層的施工工藝。第三方面介紹超快開啟的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是為高壓閥門設(shè)計(jì)的高低壓雙氣缸雙排放結(jié)構(gòu)。為了克服超快開啟而產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，設(shè)計(jì)了液壓阻尼和彈簧、節(jié)流錐三項(xiàng)并用的特種阻尼結(jié)構(gòu)。第四方面利用有限元對(duì)產(chǎn)品的主要部件和閥座紅套特殊工藝進(jìn)行物理量耦合數(shù)值分析，為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，還對(duì)流道的壓力、速度、溫度等參數(shù)進(jìn)行云圖分析，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。
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基礎(chǔ)理論研究●
2.1 高溫蠕變性能的研究
2.1.1 簡(jiǎn)介
所謂蠕變，就是指金屬材料在恒溫、恒載荷的長(zhǎng)期作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。在高溫條件下，蠕變對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的影響十分顯著。
2.1.2 分類
由于施加應(yīng)力方式的不同，可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫彎曲蠕變和高溫扭轉(zhuǎn)蠕變。高溫蠕變比高溫強(qiáng)度能更有效地預(yù)示材料在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)的應(yīng)變趨勢(shì)和斷裂壽命，是材料的重要力學(xué)性能之一，它與材料的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。
2.1.3 理論研究
金屬材料在溫度和應(yīng)力的共同作用下，一方面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖會(huì)引起應(yīng)變及強(qiáng)化；另一方面原子的擴(kuò)散和移動(dòng)則會(huì)產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象，使滑移帶上的位錯(cuò)通過(guò)交錯(cuò)滑移和攀移的方式逐漸消失，導(dǎo)致應(yīng)變強(qiáng)化消失。金屬材料的蠕變便是在這種矛盾的過(guò)程中進(jìn)行的。而在高溫下，由于溫度的升高加速了原子的擴(kuò)散和移動(dòng)，使回復(fù)過(guò)程容易進(jìn)行。因此，蠕變現(xiàn)象會(huì)隨著溫度的升高而越發(fā)明顯。
2.2 超聲速振動(dòng)噪聲發(fā)生機(jī)理及控制方法研究
2.2.1 產(chǎn)生原因
閥門振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因主要有下列三點(diǎn)[15]：（1）機(jī)械噪聲，一般是由于閥體內(nèi)不規(guī)則的壓力波動(dòng)和流體沖擊閥體內(nèi)活動(dòng)零部件，如閥瓣等所引起的。（2）液體動(dòng)力噪聲，一般是由于液體流動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的氣蝕或空化現(xiàn)象引起的。（3）氣體動(dòng)力噪聲，是氣體流過(guò)節(jié)流孔而產(chǎn)生的。氣體是可壓縮流體，當(dāng)氣體流速比聲速低時(shí)，噪聲是由于強(qiáng)烈的擾流產(chǎn)生的；當(dāng)氣體的流速大于聲速時(shí)，使流體中產(chǎn)生沖擊波致使噪聲劇增。本閥門安裝于試驗(yàn)段前端，通過(guò)氣流的速度低于聲速。氣體動(dòng)力噪聲的主要來(lái)源是紊流流動(dòng)時(shí)所引成的巨大沖擊力。本閥門是角式結(jié)構(gòu)，閥門開啟后，氣流轉(zhuǎn)彎，容易造成紊流現(xiàn)象。
由此可見(jiàn)，本閥門產(chǎn)生的噪聲主要是機(jī)械噪聲和氣體動(dòng)力噪聲。
2.2.2 控制方法
減少噪聲的控制方法主要有主動(dòng)抑制和被動(dòng)抑制兩種，主動(dòng)抑制就是通過(guò)電子設(shè)備主動(dòng)發(fā)出與噪聲相反的聲波，以抵消噪聲的影響。被動(dòng)抑制通常使用隔音材料或隔音工具，如耳塞、耳機(jī)等。本產(chǎn)品不采用主動(dòng)抑制方法，而是采用隔音結(jié)構(gòu)和隔音材料。在閥瓣設(shè)計(jì)上采用雙節(jié)流雙導(dǎo)向設(shè)計(jì)，減少流體沖擊和紊流，閥瓣的下端設(shè)計(jì)蓋板和纖維隔熱隔音材料。在進(jìn)出口流道孔周圍設(shè)計(jì)多層硅酸鋁纖維布、纖維氈、纖維棉，既隔熱又隔音，防振降噪。
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產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)●
三超截止閥根據(jù)產(chǎn)品的壓力、溫度和快開時(shí)間的不同，有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，其核心技術(shù)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①內(nèi)件（閥座、閥芯、閥桿）及隔熱套管的選材及處理工藝；②隔熱結(jié)構(gòu)及冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③執(zhí)行機(jī)構(gòu)（氣動(dòng)、電液）的設(shè)計(jì)及選擇；④阻尼緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。
三超截止閥結(jié)構(gòu)示意圖
3.1 內(nèi)件及套管材料選擇
對(duì)工作溫度在800℃~1000℃范圍的閥門，內(nèi)件一般選用高溫合金鋼或高鎳合金；對(duì)工作溫度1000℃~2000℃范圍的閥門，內(nèi)件一般選用鉭鎢合金、鉭鈮合金或鎢銅合金，為防止高溫氧化，對(duì)鉭鎢合金或鉭鈮合金部件，在裝配前要進(jìn)行表面真空鍍銥。
3.2 隔熱及冷卻機(jī)構(gòu)
為防止閥體表面溫度過(guò)高，影響操作安全，同時(shí)節(jié)約熱能，所以要在閥體流道及內(nèi)腔設(shè)計(jì)保溫隔熱結(jié)構(gòu)。對(duì)工作溫度在800℃~1000℃的閥門，隔熱材料宜采用硅酸鋁纖維，一般在隔熱套管外包裹3層纖維布、3層纖維氈，最外面塞緊纖維棉，既要保證透氣性，又要保證纖維絲不被高速氣流抽走。對(duì)工作溫度1000℃以上的閥門，內(nèi)隔熱一般設(shè)計(jì)液態(tài)隔熱層（ZS-1），固化后厚度小于6 mm，既要透氣，又要防止崩裂。對(duì)閥座、閥芯、閥桿等直接接觸高溫介質(zhì)的部件，應(yīng)設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)，滿足硬度、強(qiáng)度要求。
3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)閥門快開功能的關(guān)鍵，主要采用氣動(dòng)和電液動(dòng)兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)適用于開啟時(shí)間0.5 s至0.01 s，推力不超過(guò)200 kN；電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)適用于開啟時(shí)間2 s至0.2 s，推力一般不超過(guò)2000 kN。圖5所示為新型氣動(dòng)快開執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)為J644Y-450P，DN50，要求快開20 ms，快關(guān)1 s。由于介質(zhì)壓力太高，如果設(shè)計(jì)高壓氣缸，則無(wú)法解決氣動(dòng)換向電磁閥問(wèn)題，如果設(shè)計(jì)低壓氣缸，則氣缸內(nèi)徑達(dá)1 m以上，無(wú)法解決氣缸活塞的背壓氣體快排問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)了高低壓雙氣缸加副閥，通過(guò)高壓主氣缸來(lái)控制主閥體內(nèi)高溫高壓氣體的通斷，再通過(guò)低壓輔助缸體的輔助活塞再帶動(dòng)副閥瓣上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主氣缸的排氣工作，當(dāng)副閥瓣封堵第一通道時(shí)，主缸體可以從高壓球閥通道充高壓氣源，使主活塞快速向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)副閥瓣打開第一通道時(shí)，主缸體的氣體可以從第一通道和副閥體兩側(cè)快速排出。低壓氣缸出口并聯(lián)多只快速排氣閥，可在0.01 s內(nèi)排出輔助缸體內(nèi)的氣體。
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阻尼緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)●
高溫高壓快開閥，由于閥桿和閥瓣的快速移動(dòng)，會(huì)對(duì)閥座產(chǎn)生撞擊，損壞密封面，同時(shí)引起系統(tǒng)振動(dòng)，危及安全，所以無(wú)論選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都要設(shè)計(jì)阻尼緩沖結(jié)構(gòu)。該閥同時(shí)采用三種不同的阻尼方式：液壓阻尼、彈簧阻尼和閥桿節(jié)流錐阻尼，后兩種是常見(jiàn)的阻尼結(jié)構(gòu)，第1種液壓阻尼，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非常少見(jiàn)。具體結(jié)構(gòu)是在主氣缸體和主缸蓋之間插入一個(gè)環(huán)形凸臺(tái)，該環(huán)形凸臺(tái)是和主活塞連為一體的延伸部分，在凸臺(tái)的上方環(huán)形腔室內(nèi)充滿液態(tài)油品。環(huán)形腔室的外側(cè)連接有可調(diào)節(jié)油品高低位置的油箱。當(dāng)活塞環(huán)形凸臺(tái)上升，將油壓入油箱后，因油品具有不可壓縮特性，所以就阻止了主活塞上升的趨勢(shì)，起到液壓緩閉的效果。
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閥座紅套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)●
超高溫閥門的閥座一般選用耐高溫材料，閥體由于采用隔熱措施，一般選用耐較高溫度（800℃）的奧氏體不銹鋼材料，閥座和閥體一般采用焊接連接，由于二者的熱脹系數(shù)不同，焊接應(yīng)力難以消除，在產(chǎn)品使用中溫度冷熱交變幅度較大，經(jīng)常出現(xiàn)裂紋。為此，在閥座的外圓紅套一圈與閥體材質(zhì)相同的鋼圈，該鋼圈和閥體焊接后，不再出現(xiàn)焊縫開裂等弊端。該成功經(jīng)驗(yàn)也適用于閥瓣和閥桿等件的連接。
