專利名稱：雙工況階躍式流量控制閥及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
雙工況階躍式流量控制閥及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙工況階躍式流量控制閥裝置及其控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，屬于液體火 箭發(fā)動機或固液火箭發(fā)動機的推進劑流量控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在變推力液體火箭發(fā)動機或固液火箭發(fā)動機工作過程中，推力調(diào)節(jié)是發(fā)動機的基 本特征，調(diào)節(jié)推進劑流量供應(yīng)是實現(xiàn)推力調(diào)節(jié)的主要方法。目前擠壓式火箭發(fā)動機輸送系統(tǒng)中，一般都是通過調(diào)節(jié)儲箱壓力或液路流量控制 元件的型面連續(xù)改變推進劑流量達到預(yù)定值。張育林在《變推力液體火箭發(fā)動機及其控制 技術(shù)》(2001，北京國防工業(yè)出版社)中介紹的喉部可調(diào)文氏管流量控制方案是流量調(diào)節(jié) 的常用方案，但是采用此種方案時流量的改變是連續(xù)的，從設(shè)計狀態(tài)一到設(shè)計狀態(tài)二需要 一定的調(diào)整時間，且流量調(diào)節(jié)范圍有限。目前，地面發(fā)射的火箭、導(dǎo)彈等航天飛行器很多需 要有兩種工作狀態(tài)以維持設(shè)計的飛行軌道，如常見的起飛階段工況和巡航階段工況。這就 需要對應(yīng)兩種不同的、變化較大的推力水平，并且要求不同工況間推力調(diào)整快速完成。因 此，對推進劑流量的快速階躍式、大范圍的調(diào)節(jié)是實現(xiàn)推力調(diào)節(jié)的重要條件，有著切實的需 求。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供雙工況階躍式流量控制閥及控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，具體設(shè)計 了三種不同結(jié)構(gòu)形式的流量控制閥實現(xiàn)其功能。本發(fā)明要解決的問題是，利用閥門上游壓 力改變閥門工作狀態(tài)，從而快速實現(xiàn)兩種工況推進劑流量大范圍、階躍式改變。此閥門設(shè) 計實現(xiàn)了輸送系統(tǒng)啟動、流量供應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的功能，能簡化輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而減輕火箭重 量，降低成本。該設(shè)計方法也同樣適用于多工況流量控制閥。雙工況階躍式流量控制閥的主要結(jié)構(gòu)包括閥體、襯套、閥芯、彈簧、氣體壓力感應(yīng) 腔、文氏管、閥蓋及相應(yīng)的密封圈等?？刂平Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方法為計算彈簧力與行程的關(guān)系，設(shè) 計氣體壓力感應(yīng)腔的面積大小從而控制閥腔內(nèi)氣體壓力、大氣壓力及相關(guān)摩擦力，最后利 用上述力的合力使閥體、閥芯、襯套在不同工況時處于不同的相對位置，進而改變閥芯狀態(tài) 或改變閥門入口和出口的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，達到雙工況階躍式流量調(diào)節(jié)的目的。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于(1)采用該方法設(shè)計的流量調(diào)節(jié)控制閥可以快速 實現(xiàn)流量大范圍階躍式改變；(2)運用此流量控制閥可以簡化火箭發(fā)動機輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 減輕輸送系統(tǒng)質(zhì)量，從而降低系統(tǒng)的成本提高發(fā)動機的性能。

圖1是控制結(jié)構(gòu)形式A的閥門及原理2是控制結(jié)構(gòu)形式B的閥門及原理3是控制結(jié)構(gòu)形式C的閥門及原理圖
具體實施方式首先對雙工況階躍式流量控制閥及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行概述。閥門的主要結(jié)構(gòu)包括閥體、襯套、閥芯、氣體壓力感受腔、彈簧、閥門的入口和出 口，其中入口和出口的個數(shù)將由控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計決定數(shù)量和位置。閥門的主要原理是通過 氣體壓力感受腔內(nèi)敏感元件感受上游壓力配合彈簧調(diào)節(jié)閥體、襯套和閥芯的相對位置，從 而選用不同的流量控制文氏管或?qū)崿F(xiàn)不同出口的開閉狀態(tài)，實現(xiàn)雙工況階躍式流量調(diào)節(jié)。閥門控制結(jié)構(gòu)具體設(shè)計方法如下1、確定閥門階躍式流量的調(diào)整控制形式使用閥芯上的文氏管控制流量或通過開 啟、關(guān)閉閥門出口控制流量；2、根據(jù)閥門上游壓力、閥門尺寸限制，結(jié)合流量控制形式分別確定初始狀態(tài)、第一 工況狀態(tài)、第二工況狀態(tài)條件下對應(yīng)閥體、襯套、閥芯所處的三個不同相對位置；3、根據(jù)三個不同的相對位置，可以確定閥芯和襯套的行程，即可設(shè)計彈簧相應(yīng)的 變形量。同時結(jié)合閥門上游氣體壓力，可以設(shè)計氣體壓力腔中氣體敏感元件的面積大小。進 而根據(jù)不同狀態(tài)下氣體敏感元件所受到的壓力，設(shè)計彈簧剛度和自由長度，完成敏感元件 的設(shè)計；4、在以上結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，進行閥門入口、出口位置的設(shè)計和閥芯、襯套詳細結(jié)構(gòu) 設(shè)計；5、對閥門進行功能校核計算，檢查閥芯、襯套、閥體的相對位置在合力作用下是否 處于各個工況下的設(shè)計值，然后進行強度校核和整體結(jié)構(gòu)驗證；6、加工閥門，通過實驗檢驗閥門的功能，根據(jù)閥門表現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)彈簧墊片的厚度 補償加工誤差，完成設(shè)計。下面結(jié)合附圖，用三個雙工況階躍式流量控制閥具體實例來進一步說明本發(fā)明的 原理和控制結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。1、如圖1所示為控制結(jié)構(gòu)形式A的閥門，實現(xiàn)該雙工況流量控制的裝置主要包括 閥體1、襯套2、閥芯3、閥蓋A4、彈簧A 5、彈簧B6、流量控制文氏管7、閥蓋B8、堵頭9、輔助 墊塊10。閥門有一個入口和一個出口，內(nèi)部有三個獨立的上游氣體壓力感應(yīng)腔A、B、C，通過 計算，調(diào)整襯套和閥芯承壓面積和兩個彈簧的剛度和變形量，通過使用閥芯不同喉徑文氏 管實現(xiàn)閥門的雙工況階躍式流量控制功能?？刂平Y(jié)構(gòu)形式A的閥門具體工作原理如下初始狀態(tài)如圖1A，此時氣體腔A充滿上游高壓氣體，氣體腔B和C為大氣壓力，在 三個氣體腔壓力和彈簧力的共同作用下，襯套和閥芯處于圖中位置，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。工況一狀態(tài)如圖1B，在開閥控制信號給出后，上游高壓氣體同時由氣體入口流入 氣體腔B。此時氣體腔A和B為高壓氣，氣體腔C為大氣壓力，在三個氣體腔壓力和彈簧力 的共同作用下，推動襯套帶著閥芯一起向右運動，閥門中右側(cè)文氏管對液體流量進行控制， 使輸送系統(tǒng)工作在第一階段的流量狀態(tài)下。工況二狀態(tài)如圖1C，在工況轉(zhuǎn)換控制信號給出后，上游高壓氣體流入氣體腔C。此 時氣體腔A、B和C都是高壓氣體，在三個氣體腔壓力和彈簧力的共同作用下，推動閥芯單獨 向右運動，閥門中左側(cè)文氏管開始對液體流量進行控制，使輸送系統(tǒng)工作在第二階段的流量狀態(tài)下。從以上原理可以看出，閥門能有效地進行流量的雙工況階躍式調(diào)節(jié)，關(guān)鍵設(shè)計在 于閥門控制襯套、閥芯，氣體壓力敏感元件和彈簧力的設(shè)計。2、如圖2所示為控制結(jié)構(gòu)形式B的閥門，實現(xiàn)該雙工況流量控制的裝置主要包括 閥體1、襯套2、閥芯3、墊片A4、彈簧A5、閥蓋A6、彈簧B7、墊片A8、輔助墊塊9、閥蓋B10、堵 頭11。閥門有一個入口 RK和兩個出口 CKl、CK2，其中CK2出口在閥門的右側(cè)垂直于紙面向 里，具體位置用虛線的X標出，內(nèi)部有三個獨立的上游氣體壓力感應(yīng)腔A、B、C。通過計算， 調(diào)整襯套和閥芯承壓面積和兩個彈簧的剛度和變形量，實現(xiàn)閥門的雙工況階躍式流量控制 功能?？刂平Y(jié)構(gòu)形式B的閥門具體工作原理如下初始狀態(tài)如圖2A，此時氣體腔A充滿上游高壓氣體，氣體腔B和C為大氣壓力，在 三個氣體腔壓力和彈簧力的共同作用下，襯套和閥芯處于圖中位置，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。工況一狀態(tài)如圖2B，在開閥控制信號給出后，上游高壓氣體同時由氣體入口流入 氣體腔B。此時氣體腔A和B為高壓氣，氣體腔C為大氣壓力，在三個氣體腔壓力和彈簧力 的共同作用下，推動襯套帶著閥芯一起向右運動。液體在閥門內(nèi)部的流動狀態(tài)由圖中的箭 頭表示出液體將由入口 RK進入，并同時從出口 CK1、CK2流出，配合上游壓力和兩個出口管 路中的文氏管，控制液體處于大流量工況下工作。工況二狀態(tài)如圖2C，在工況轉(zhuǎn)換控制信號給出后，上游高壓氣體同時由氣體入口 流入氣體腔C，此時氣體腔A、B和C都是高壓氣體。在三個氣體腔壓力和彈簧力的共同作 用下，推動閥芯單獨向右運動。液體在閥門內(nèi)部的流動狀態(tài)由圖中的箭頭表示出液體將由 入口 RK進入，但只從出口 CKl流出，這樣配合上游壓力和出口 CKl管路中的文氏管，控制液 體處于小流量工況下工作，完成流量工況階躍式調(diào)整。從以上原理可以看出，合理設(shè)計高壓氣體對襯套、閥芯的壓力和彈簧力與行程的 大小，閥門能有效地進行流量的雙工況階躍式調(diào)節(jié)。3、如圖3所示為控制結(jié)構(gòu)形式C的閥門，實現(xiàn)該雙工況流量控制的裝置主要包括 閥體1、襯套2、閥芯3、閥蓋4、墊片5、彈簧6、螺栓組件7和8、螺釘9。閥門有一個入口 RK 和兩個出口 CK1、CK2，其中CK2出口在閥門的左側(cè)垂直于紙面向里，具體位置用向上的虛線 示意性畫出，內(nèi)部有一個上游氣體壓力感應(yīng)腔。通過計算，調(diào)整閥芯承壓面積和彈簧的剛度 與變形量，當閥門氣體腔感受到不同的上游氣體壓力時，閥芯的相對位置發(fā)生改變，從而改 變閥門兩個出口的開閉狀態(tài)，實現(xiàn)閥門的雙工況階躍式流量控制功能。控制結(jié)構(gòu)形式C的閥門具體工作原理如下輸送系統(tǒng)初始設(shè)計要求為上游儲箱壓力處于Pl = 6. 3MPa和P2 = 2. 5MPa兩個 工況下，閥門根據(jù)儲箱的兩種壓力工況調(diào)節(jié)液體過氧化氫流量分別為4. 5kg/s和2kg/s。其 中，閥芯與端蓋配合面決定為壓力敏感元件的面積，作用于閥芯上的壓力合力方向向右，受
力面積A = 560mm2,為dl = 20讓，d2 = 33. 36mm的兩圓面積之差。合力K = P2 *~{ 22- λ2)。
設(shè)計的彈簧自由高度為90mm，最小工作載荷Fl = 504，最大工作載荷F2 = 2240N,剛度系數(shù) K = 56N/mm,彈簧合力 Fb = K*h。初始狀態(tài)如圖3A 此時氣體腔為環(huán)境壓力，彈簧預(yù)壓縮9mm，彈簧力Fb = 504N方
5向左，在氣體腔壓力和彈簧力的共同作用下，合力向左。襯套和閥芯處于圖中位置，閥門處 于關(guān)閉狀態(tài)。工況一狀態(tài)如圖3B 0秒時，閥門氣體腔開啟，敏感元件感受儲箱6. 3MPa的壓力。 根據(jù)設(shè)計值，當儲箱壓力大于4MPa，閥門就能正常開啟，閥芯向右移動距離為31mm，F(xiàn)b = 2240N。此時，因為氣體壓力向右遠大于設(shè)計值Fb，同時由于閥蓋的限位作用，在工況一狀態(tài) 下，閥芯向右運動31mm，兩個出口同時打開。工況二狀態(tài)如圖3C 4秒后，輸送系統(tǒng)轉(zhuǎn)換工況，儲箱壓力開始減小降至2. 5MPa, 氣體增壓系統(tǒng)供氣量和液體流出量處于動態(tài)平衡狀態(tài)，能維持壓力穩(wěn)定。此時，在氣體壓力 和彈簧力的共同作用下閥芯左移，3. 5MPa時閥芯向右距離為26mm，開始關(guān)閉一個出口 CK2。 隨著壓力繼續(xù)降低，閥芯繼續(xù)左移，直至平衡在儲箱壓力2. 5MPa時，此刻為工況二，閥芯距 離左邊極限位置的距離為16mm，F(xiàn)b = 1400N。閥門左邊的出口 CK2關(guān)閉，中間出口 CKl打 開，配合下游流量控制元件，完成工況轉(zhuǎn)換。此種類型閥門配合上游不同工況下的氣體壓力，完成了大流量范圍的雙工況調(diào) 節(jié)。
權(quán)利要求
雙工況階躍式流量控制閥，主要結(jié)構(gòu)包括閥體、襯套、閥芯、彈簧、氣體壓力感應(yīng)腔、文氏管、閥蓋及相應(yīng)的密封圈等。其特征在于閥門控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法為計算彈簧力與行程的關(guān)系、設(shè)計氣體壓力感應(yīng)腔的面積大小從而控制閥腔內(nèi)氣體壓力、大氣壓力及相關(guān)摩擦力，利用上述力的合力使閥體、閥芯、襯套在不同工況時處于不同的相對位置，進而改變閥芯流量控制元件狀態(tài)或改變閥門入口和出口的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，達到雙工況階躍式流量調(diào)節(jié)的目的。
2.如權(quán)利要求1所述方法設(shè)計的具體控制結(jié)構(gòu)形式A的雙工況階躍式流量控制調(diào)節(jié) 閥，其特征在于存在三個獨立的氣體壓力感受腔，利用不同狀態(tài)下閥體內(nèi)所受控制力的不 同，使閥體、閥芯、襯套處于不同的相對位置，通過使用閥芯內(nèi)兩個不同喉徑文氏管實現(xiàn)閥 門的雙工況階躍式流量控制功能。
3.如權(quán)利要求1所述方法設(shè)計的具體控制結(jié)構(gòu)形式B的雙工況階躍式流量控制調(diào)節(jié) 閥，其特征在于存在三個獨立的氣體壓力感受腔，利用不同狀態(tài)下閥體三個氣體腔內(nèi)所受 控制力的不同，使閥體、閥芯、襯套處于不同的相對位置，通過控制兩個閥門出口的開、閉狀 態(tài)實現(xiàn)閥門的雙工況階躍式流量控制功能。
4.如權(quán)利要求1所述方法設(shè)計的具體控制結(jié)構(gòu)形式C的雙工況階躍式流量控制調(diào)節(jié) 閥，其特征在于只存在一個氣體壓力感受腔，利用不同狀態(tài)下不同大小的氣體壓力，使閥 芯移動到不同相對位置，控制兩個閥門出口的開、閉狀態(tài)實現(xiàn)閥門的雙工況階躍式流量控 制功能。
全文摘要
雙工況階躍式流量控制閥及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，屬于液體火箭發(fā)動機或固液火箭發(fā)動機的推進劑流量控制領(lǐng)域。該裝置主要結(jié)構(gòu)包括閥體、襯套、閥芯、彈簧、氣體壓力感應(yīng)腔、文氏管、閥蓋及相應(yīng)的密封圈等。閥門的控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法為計算彈簧力與行程的關(guān)系，設(shè)計氣體壓力感應(yīng)腔的面積大小從而控制閥腔內(nèi)氣體壓力、大氣壓力及相關(guān)摩擦力，利用上述力的合力使閥體、閥芯、襯套在不同工況時處于不同的相對位置，進而改變閥芯流量控制元件狀態(tài)或改變閥門入口和出口的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，達到雙工況階躍式流量調(diào)節(jié)的目的。
文檔編號F02K9/72GK101915183SQ20101022375
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者俞南嘉, 曾鵬, 李君海, 蔡國飆, 陳濤 申請人:北京航空航天大學(xué)