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航空航天領域用三超截止閥的技術研究
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概述●
隨著科技的高速發(fā)展，航空航天領域的某些特種試驗裝置對控制閥門的技術參數(shù)越來越高，達到三超：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理論研究，包括材料的高溫蠕變性能研究，超聲速振動噪聲發(fā)生機理及控制方法研究，流體動力學分析及多物理量耦合關鍵技術研究。又介紹了三超截止閥的結構設計、內(nèi)件選材、隔熱結構設計及液態(tài)耐高溫涂層的施工工藝。第三方面介紹超快開啟的氣動執(zhí)行機構設計，特別是為高壓閥門設計的高低壓雙氣缸雙排放結構。為了克服超快開啟而產(chǎn)生的沖擊振動，設計了液壓阻尼和彈簧、節(jié)流錐三項并用的特種阻尼結構。第四方面利用有限元對產(chǎn)品的主要部件和閥座紅套特殊工藝進行物理量耦合數(shù)值分析，為產(chǎn)品優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，還對流道的壓力、速度、溫度等參數(shù)進行云圖分析，提高產(chǎn)品設計水平。
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基礎理論研究●
2.1 高溫蠕變性能的研究
2.1.1 簡介
所謂蠕變，就是指金屬材料在恒溫、恒載荷的長期作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。在高溫條件下，蠕變對構件產(chǎn)生的影響十分顯著。
2.1.2 分類
由于施加應力方式的不同，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。高溫蠕變比高溫強度能更有效地預示材料在高溫下長期使用時的應變趨勢和斷裂壽命，是材料的重要力學性能之一，它與材料的材質(zhì)及結構特征有關。
2.1.3 理論研究
金屬材料在溫度和應力的共同作用下，一方面位錯的運動和增殖會引起應變及強化；另一方面原子的擴散和移動則會產(chǎn)生回復現(xiàn)象，使滑移帶上的位錯通過交錯滑移和攀移的方式逐漸消失，導致應變強化消失。金屬材料的蠕變便是在這種矛盾的過程中進行的。而在高溫下，由于溫度的升高加速了原子的擴散和移動，使回復過程容易進行。因此，蠕變現(xiàn)象會隨著溫度的升高而越發(fā)明顯。
2.2 超聲速振動噪聲發(fā)生機理及控制方法研究
2.2.1 產(chǎn)生原因
閥門振動噪聲產(chǎn)生的原因主要有下列三點[15]：（1）機械噪聲，一般是由于閥體內(nèi)不規(guī)則的壓力波動和流體沖擊閥體內(nèi)活動零部件，如閥瓣等所引起的。（2）液體動力噪聲，一般是由于液體流動過程中所產(chǎn)生的氣蝕或空化現(xiàn)象引起的。（3）氣體動力噪聲，是氣體流過節(jié)流孔而產(chǎn)生的。氣體是可壓縮流體，當氣體流速比聲速低時，噪聲是由于強烈的擾流產(chǎn)生的；當氣體的流速大于聲速時，使流體中產(chǎn)生沖擊波致使噪聲劇增。本閥門安裝于試驗段前端，通過氣流的速度低于聲速。氣體動力噪聲的主要來源是紊流流動時所引成的巨大沖擊力。本閥門是角式結構，閥門開啟后，氣流轉(zhuǎn)彎，容易造成紊流現(xiàn)象。
由此可見，本閥門產(chǎn)生的噪聲主要是機械噪聲和氣體動力噪聲。
2.2.2 控制方法
減少噪聲的控制方法主要有主動抑制和被動抑制兩種，主動抑制就是通過電子設備主動發(fā)出與噪聲相反的聲波，以抵消噪聲的影響。被動抑制通常使用隔音材料或隔音工具，如耳塞、耳機等。本產(chǎn)品不采用主動抑制方法，而是采用隔音結構和隔音材料。在閥瓣設計上采用雙節(jié)流雙導向設計，減少流體沖擊和紊流，閥瓣的下端設計蓋板和纖維隔熱隔音材料。在進出口流道孔周圍設計多層硅酸鋁纖維布、纖維氈、纖維棉，既隔熱又隔音，防振降噪。
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產(chǎn)品結構設計●
三超截止閥根據(jù)產(chǎn)品的壓力、溫度和快開時間的不同，有多種不同的結構形式，其核心技術主要體現(xiàn)在以下4個方面：①內(nèi)件（閥座、閥芯、閥桿）及隔熱套管的選材及處理工藝；②隔熱結構及冷卻結構設計；③執(zhí)行機構（氣動、電液）的設計及選擇；④阻尼緩沖機構的設計。典型結構見下圖。
三超截止閥結構示意圖
3.1 內(nèi)件及套管材料選擇
對工作溫度在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，對鉭鎢合金或鉭鈮合金部件，在裝配前要進行表面真空鍍銥。
3.2 隔熱及冷卻機構
為防止閥體表面溫度過高，影響操作安全，同時節(jié)約熱能，所以要在閥體流道及內(nèi)腔設計保溫隔熱結構。對工作溫度在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。對工作溫度1000℃以上的閥門，內(nèi)隔熱一般設計液態(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。對閥座、閥芯、閥桿等直接接觸高溫介質(zhì)的部件，應設計水冷結構，滿足硬度、強度要求。
3.3 執(zhí)行機構的設計與選擇
執(zhí)行機構是實現(xiàn)閥門快開功能的關鍵，主要采用氣動和電液動兩種執(zhí)行機構。氣動執(zhí)行機構適用于開啟時間0.5 s至0.01 s，推力不超過200 kN；電液執(zhí)行機構適用于開啟時間2 s至0.2 s，推力一般不超過2000 kN。圖5所示為新型氣動快開執(zhí)行機構，產(chǎn)品規(guī)格型號為J644Y-450P，DN50，要求快開20 ms，快關1 s。由于介質(zhì)壓力太高，如果設計高壓氣缸，則無法解決氣動換向電磁閥問題，如果設計低壓氣缸，則氣缸內(nèi)徑達1 m以上，無法解決氣缸活塞的背壓氣體快排問題，所以設計了高低壓雙氣缸加副閥，通過高壓主氣缸來控制主閥體內(nèi)高溫高壓氣體的通斷，再通過低壓輔助缸體的輔助活塞再帶動副閥瓣上下運動實現(xiàn)主氣缸的排氣工作，當副閥瓣封堵第一通道時，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動。當副閥瓣打開第一通道時，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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阻尼緩沖機構的設計●
高溫高壓快開閥，由于閥桿和閥瓣的快速移動，會對閥座產(chǎn)生撞擊，損壞密封面，同時引起系統(tǒng)振動，危及安全，所以無論選擇氣動執(zhí)行機構或電液動執(zhí)行機構，都要設計阻尼緩沖結構。該閥同時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，后兩種是常見的阻尼結構，第1種液壓阻尼，結構復雜，非常少見。具體結構是在主氣缸體和主缸蓋之間插入一個環(huán)形凸臺，該環(huán)形凸臺是和主活塞連為一體的延伸部分，在凸臺的上方環(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。當活塞環(huán)形凸臺上升，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，起到液壓緩閉的效果。
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閥座紅套結構設計●
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)驗也適用于閥瓣和閥桿等件的連接。
