滑阀先导式高压气动减压阀结冰特性

针对自主研制的高压气动比例减压阀出现的结冰问题,结合数学仿真和流场计算进行了深入分析结冰出现在先导阀中间腔而非温度最低的主阀排气腔说明温度并非导致结冰的唯一因素.建立了减压阀的数学模型,计算得出先导阀节流口面积比与先导阀中间腔压力以及温度的关系曲线 并得出使用2 级和3级气源时先导阀中间腔结露的临界面积比分别为1170 和1122仿真结果表明,通过小先导阀节流口面积比可以提高先导阀中间腔温度从而减少结冰的可能性。

　第30卷　第5期　2009年　　5月航　空　学　报

ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAVol130No15May　2009

　　文章编号:100026893(2009)0520819206

滑阀先导式高压气动减压阀结冰特性

徐志鹏,王宣银,罗语溪

(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州　310027)

CharacteristicsofIcinginHighPressurePneumaticReliefValvePilot

XuZhipeng,Wang,LYuxi

(TheStateKeyLabofFluidPowerTransmissionandControl　310027,China)

摘　要:。。建立了减压阀的数学模型,,并得出使用2级和3级1170和1122。仿真结果表明,通过减小先导阀节流口面积比。建立了先导阀的网格模型,用Fluent计算出阀内的流场分布,压力流场分布与理论计算符合得较好;速度流场及气流流线图表明出现结冰与气流受阀内结构阻挡有关,通过合理设计流道可有效避免结冰。

关键词:高压气动;减压阀;先导阀;结冰;计算流体力学中图分类号:TH138　　　文献标识码:A

Abstract:Inthisarticle,thecriticalissueoficinginhighpressurepneumaticreliefvalvesisanalyzedwithmathematicalsimulationandflowfieldcalculation.Thefactthaticeisfoundinthecentralcavityofthepilotvalveratherthanintheexhaustcavityofthemainvalvewithmuchlowertemperatureindicatsthattemperatureisnottheonlyfactorwhichcausesicing.First,amathematicalmodelofthepressurereliefvalveisbuilt,andthencurvesofthethrottlearearatioofthepilotvalvevsthepressureofthepilotvalvecavityaswellasitstemperatureareobtainedbysimulation,andthecriticalarearatioofthe2ndand3rdgradeairsourceisfoundtobe1170and1122respectively.Simulationresultsshowthattheprobabilityoficingcanbereducedbyde2creasingthethrottlearearatioofthepilotvalve.Agridmodelofthepilotvalveisbuilt,andthentheflowfielddistributioninsidethepilotvalveiscalculatedwithFluent,andthepressuredistributioncorrespondswellwiththeresultoftheoreticalcalculation.Velocitycontourandstreamlineindicatethatwhethericingwilloccurisconcernedwiththestructureofthevalve.Icingcanbeavoidedbydesigningtheflowpassageproperly.Keywords:highpressurepneumatic;pressurereliefvalve;pilotvalve;icing;computationalfluiddynamics

　　高压气动技术在航空航天领域有广泛的应

用,飞机、火箭发动机以及风洞试验等广泛使用10～60MPa的高压气体[123]。高压气动减压阀是高压气动系统中的核心元件之一,自行研制的一种滑阀先导式高压气动减压阀,设计最高工作压力为3115MPa,输出压力为8～25MPa[4]。试验中发现先导阀出现结冰而导致减压阀失控,对于高压气动系统具有较大的危险性,应设法避免。

目前国内外对航空航天以及低温制冷领域的结冰现象有较多研究[526],对于气动系统的结露现象也有一定的研究[729],但对气动系统的结冰现象

收稿日期:2008202228;修订日期:2008206212基金项目:国家自然科学基金(50575202)

通讯作者:王宣银E2mail:xywang@http://doc.guandang.net

尚无相关研究报道。

结冰现象在高压气动技术中比较常见,多是由于气体在减压膨胀时急剧降温使水分析出并迅速凝结所致。本文中的结冰现象出现在先导阀进气节流口后的先导阀中间腔而非温度最低的主阀排气腔,说明温度并非导致结冰的唯一因素。现有技术对气动元件内部的流动状况无法进行快速精确的测量监控,仿真软件则较好地弥补了这些不足,为此,本文结合数学仿真以及流场计算对结冰特性进行深入分析。

1　减压阀结构介绍

设计的高压气动减压阀结构如图1所示,主要由主阀和先导阀构成。主阀为活塞式结构,按压力区可划分为进气腔i、排气腔o、调压腔r和反

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针对自主研制的高压气动比例减压阀出现的结冰问题,结合数学仿真和流场计算进行了深入分析结冰出现在先导阀中间腔而非温度最低的主阀排气腔说明温度并非导致结冰的唯一因素.建立了减压阀的数学模型,计算得出先导阀节流口面积比与先导阀中间腔压力以及温度的关系曲线 并得出使用2 级和3级气源时先导阀中间腔结露的临界面积比分别为1170 和1122仿真结果表明,通过小先导阀节流口面积比可以提高先导阀中间腔温度从而减少结冰的可能性。

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航　空　学　报第30卷

馈腔f。先导阀的进气引自主阀的进气腔,其排气端与主阀调压腔相连,减压阀输出压力的调节通过控制先导阀实现:增大先导阀开度x0,则经先导阀进入调压腔的气体多于由调压腔进入排气腔的气体,调压腔气体压力上升,主阀芯开度x1增大,输出压力升高;反之减小先导阀开度x0,输出压力下降。减压阀工作过程中,主阀芯处于动态平衡。

①工作介质为理想气体;②各节流口的流动为绝热等熵流动;③温度场和压力场在各容腔分布均匀;④忽略管路中流动的压力损失;⑤忽略重力的影响。

气体通过各阀口时为绝热等熵流动,有αSp1

qtk-1)R1

k

-

p1

k

>015283p1

αSp1

T1

k+k-1

≤015283p1

(1)

式中:qt为节流流量;α为缩流系数;S为节流口面积;p为压力;k为比热容比;R为气体常数;T为热力学温度;脚标1表示上游参数,2表示下游参数。适用式(1)的流动有:主阀进气腔至先导阀中间腔、先导阀中间腔至主阀调压腔、主阀进气腔

图1　高压气动减压阀结构示意图

Fig11　Schematicdiagramofhighpressurepneumatic

reliefvalve

k

至主阀排气腔以及主阀调压腔至主阀排气腔。

气体在容腔内的状态变化为绝热过程,有

pV=const,结合气体状态方程pV=mRT,可得

T2=T1

p1

k

滑阀式先导阀结构如图2所示,主要由阀芯、阀套、阀体及密封元件等构成,为使先导阀具有良好的线性控制特性,在阀套上开有对称布置的长方形节流窗口。先导阀的开度控制通过调节比例电磁铁的控制电流实现。

(2)(3)(4)

q-=k

VVdtdt

-=

dtdtVp

式中:V为容腔体积;q=dm/dt。

主阀芯运动方程为

2ms=prSr-poSo-piSi-pfSf-dt2

Kx1-C0-sgn

Fdt

(5)

式中:ms为主阀芯与活塞组件的质量和;x1为主阀芯位移;pj为j腔气体压力(j=r,o,i,f);Sj为

j腔气体在阀芯组件上的作用面积;K为弹簧的

刚度;C0为弹簧的预紧力;F为摩擦力。

图2　滑阀式先导阀结构示意图

Fig12　Schematicdiagramofslidepilotvalve

先导阀中间腔容积Vp恒定,主阀调压腔及主阀排气腔容积为

Vr=Vr0+S′rx1Vo=Vo0-S′ox1

(6)(7)

2　数学模型

结冰现象出现在先导阀,但由于先导阀的工作状态 …… 此处隐藏：9581字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……