高压快速射流式换向阀设计与研究

, ， ， (上海航天动力技术研究所, 上海 201109)

引言

工业生产领域以及航天领域等常使用各种阀门来实现流体的截止、换向以及流量调节等控制，换向阀就是其中用来改变流体方向的一种控制阀门。但目前市场上换向阀的切换速度大多较慢，且工作压强较低，而且由于结构设计缺陷而导致内漏、阀芯磨损严重等问题，大大影响了换向阀的使用性能，无法满足一些场合对换向阀切换速度的需求。

本研究基于石油化工以及航天等领域已有技术成果,根据射流控制原理，研制了一种能够承受较高压强并能够实现快速切换的射流式换向阀原理样机，并进行了试验验证。

1 射流式换向阀基本原理

射流控制技术自美国在20世纪50年代提出以来，已经获得了飞速的发展和广泛的应用，如石油钻采使用的射流式冲击锤[1-3]、导弹姿态控制使用的双稳换向阀[4，5]以及用于电解铝温度控制的射流控制系统[6]等。

如图1所示，换向阀主要由主流入口、控制通道、劈尖和排气通道组成，主流通道的构型为拉瓦尔喷管。

射流控制技术的基本原理是通过控制流与主流体间的相互作用来改变主流的流动方向，换向阀的基本工作过程为主流从入口进入后，在喷管喉部直段通道末端受到控制通道进入的控制流的扰动，在扰动的作用下主流流动切换到控制流对侧，通过劈尖从对侧排气通道中排出。两路控制流的开关各由1个电磁阀控制，两路控制流交替通闭，即可实现换向阀的换向目的。图1中劈尖结构的主要作用是限制分流，使主流从同一个排气通道排出。

1.主流入口 2.控制流入口 3.劈尖 4.排气通道

2 换向阀参数设计

对于换向阀内部关键结构参数主要参照文献[7-9]进行设计，换向阀内部各参数定义如表1所示，根据文献所述，当喷管厚度d在2b～3b时，换向阀较易实现切换；b为主流通道宽度，当劈距H小于10b～12b时，内流场容易在劈尖处产生分流；而对于喷喉直线段的长度B，其值越大换向阀越容易实现稳定切换；喷喉扩张径w越小所需控制流量越小。

根据文献资料所述并结合流体力学，换向阀内部各结构参数的取值如表1所示。

表1 换向阀关键参数取值范围

换向阀原理样机外形如图2所示。

3 换向阀工作过程仿真

为验证所设计换向阀的切换原理，利用CFD软件对换向阀内流场进行仿真研究。换向阀物理模型简化如图3所示，1个主流入口、2个控制流入口、2个出口。

设置主流入口压力10 MPa，控制流入口压力6 MPa，出口背压1 atm。首先主流入口打开，控制流入口关闭，计算稳态流动直至流场收敛，然后其中一个控制流入口打开，计算瞬态过程10 ms。

图2 换向阀原理样机外形图

图3 计算模型示意图

采用Gridgen生成六面体结构网格，网格总数500万，湍流模型选择RSM湍流模型，空间离散采用Roe格式，一阶精度，时间采用隐式时间步。计算介质假设为理想气体，出入口温度300 K。

图4所示为换向阀切换过程中内部速度场变化过程。初始时刻，由于主流自身紊流特性而偏向流场左侧，此时开启左侧控制通道；到0.5 ms时刻，主流发生明显偏转，即将越过劈尖切换到右侧排气通道；到0.7 ms 时刻，主流基本完成流动切换；到0.9 ms时刻，流场切换全部完成，主流从右侧排气通道排出。

通过流场仿真过程，从原理上验证了射流式换向阀基本可行。

4 换向阀性能试验

4.1 承压能力试验

为测试换向阀的承压能力和各处密封的可靠性，进行了换向阀的水压试验，试验共进行了6 MPa、12 MPa、18 MPa、25 MPa四个台阶压强，每个压强工况下承压30 s。

水压试验测试结果如图5所示，结果表明所研制的换向阀完全能够承受较高压强，各处密封可靠。

图4 换向阀切换过程仿真

图5 换向阀水压试验曲线

4.2 换向性能试验

在完成水压试验的基础上，对换向阀进行性能试验，主要测试换向阀的换向速度，这是考核换阀性能的一个重要指标。

换向阀试验系统如图6所示。换向阀的主气流和控制气流分别由2个氮气瓶提供，两路气流通过过滤器和减压阀后进入换向阀，换向阀主气流入口和两控制气路入口各装有1个电磁开关阀。对换向阀两侧出口进行压强测量，通过压强变化作为换向的判定依据。

图6 试验系统框图

试验系统的控制策略为：气瓶打开后，主通道和控制通道的电磁铁同时打开，两控制通道电磁铁交互开关3次。

换向阀换向时两侧出口压强曲线如图7所示，图中试验工况为主通道压强6 MPa，控制通道压强3 MPa。

图7 换向阀两侧排气通道压强试验曲线

为研究换向阀具体切换过程，选取图7中虚线框部分进行局部放大，如图8所示。由图可知，电磁铁动作信号在t0时刻发出，此前右控制通道的压强高于左控制通道压强，左排气通道压强高于右排气通道压强。控制信号发出后，经过约12 ms的滞后时间(t1时刻)，右控制通道压强先开始降低，再经过3.6 ms后左控制通道压强开始上升(t2)，两控制通道压强曲线在控制信号发出18.7 ms后交汇(t4)。喷管两侧压强在t3时刻开始变化，左排气通道开始上升，右排气通道开始下降，在t5时刻交汇。在t6时刻左排气通道压强上升至稳定值，此时距控制信号发出时间23.9 ms。

图8 换向阀单次切换

将换向阀的切换时间定义为从电磁铁发出控制信号时刻起，到压强上升侧的排气通道达到稳定时刻止所需要的时间。

从t0时刻至t1时刻的响应时间可以近似看作是两路控制流中电磁阀的响应时间，其时长约为12 ms。从t0时刻至t6时刻为换向阀一个完整的切换过程时间，其时长为23.9 ms。

图7中每个控制气路电磁阀各开关3次，在1 s时刻和8 s时刻的压强变化严格意义上不能称为切换，因此换向阀共切换5次，表2为每次的切换时间，5次切换时间的平均值为23.52 ms。

表2 换向阀切换时间

4.3 控制压强对切换速度的影响

表3为换向阀在不同控制压强工况下的切换时间。表中工况“X-X”的含义为：前面的X表示换向阀主流压强，后面的X表示控制流压强。

由表中数据可知，主流4 MPa时，控制流的压强高于2 MPa能较好实现切换，主流6 MPa时，控制流高于3 MPa能较好实现切换；表中6-3工况下的切换速度最快，为23.52 ms。由此可知控制流压强约为主流压强一半时，能够实现较好的切换，当提高控制压强时，换向阀切换速度变慢，但变化幅值不大，表明控制流压强的裕度较高。

表3 不同控制压强对切换速度的影响

5 结论

根据换向阀切换机理研制了高压快速换向阀，与常规换向阀相比，射流式换向阀除能够承受较高压强外，在结构上也具有许多优点，其无内部活动部件，使用寿命长，不存在阀体内部的泄漏问题等，具有广泛的应用空间。

通过试验验证表明该换向阀能够承受至少25 MPa 的压强，可在较高的压强下实现切换，且切换速度较快，在主流6 MPa、控制流为3 MPa工况下的最快切换速度为23.52 ms。

但从试验数据分析结果来看，在换向阀切换过程中，导阀的响应时间为12 ms，约占换向阀整个切换时间的一半时间，切换速度过慢，大大影响了换向阀的切换性能。目前换向阀阀中使用的电磁阀为市场购买的货架产品，其性能限制了换向阀切换速度的提升，因此在下一步工作中需要根据换向阀需求研制快速电磁导阀。

参考文献：

[1] Santi, P S Bell, D A Summers, D Pixton..Water Jet Assisted Polycrystalline Diamond Indentation Drilling of Rock[C].Brugge:14th International Conference of Jetting Technology, 1998.

[2] 熊青山，王越之，殷琨,等.阀式液动射流冲击器的研制[J].石油钻探技术, 2007, 35(3):63-65.

[3] 王克雄.冲击旋转钻井技术在石油钻井中的应用研究[J].石油钻采工艺, 1999, 21(5):5-9.

[4] 方蜀州，张平.远程火箭校正发动机柔性试车台振动特性分析[J].推进技术, 2001, 22(4):279-281.

[5] 薛晓强.超音速射流双稳阀的数值模拟[D].杭州：浙江工业大学，2001.

[6] 马汝涛，徐义.射流元件及其应用[J].液压与气动, 2008, (2):82-85.

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[8] 薛晓强.超音速射流双稳阀的数值模拟[D].杭州：浙江工业大学，2001.

[9] R P Roger, S C Chan. Numerical Study of Fluidic Bistable Amplifiers[C].AIAA 2003-3459.Florida:33rd AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 2003:1-10.