快开三偏心真空蝶阀优化设计及应用

齐大伟，张孙敏，李远明，吴 斌，李泽龙，吕德润

（1.中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川绵阳 621000；2.武汉策尔曼自动化设备有限公司，武汉 430000）

0 引言

大型高超声速高温风洞是开展吸气式高超声速飞行器等高超声速武器研制的关键地面设备［1-2］。该类风洞在试验过程中，为获得高马赫数的气流，经常利用在试验仓后端造成真空环境，以获得超高速气流的试验条件，真空环境是利用真空泵对安装在试验段下游出口处的真空容器抽真空获得。

随着超高速风洞设备建设需要，风洞建设规模越来越大，风洞气体量随之增大，如果按照常规高超声速风洞的真空系统设计方式采用真空容器维持试验要求的时间，真空容器规模将十分庞大，因此某大型风洞排气系统由真空系统和离心真空泵系统两部分组成，实现在风洞试验过程中的连续排气，维持风洞试验连续长时间进行，其中实现真空系统和离心真空泵系统接力排气的快开真空阀门的设计尤为重要。

传统真空阀门包括真空插板阀、真空挡板阀、真空蝶阀和真空球阀等，其中真空插板阀、真空挡板阀为风洞真空系统常规使用的真空阀门，但由于本次应用的真空阀门需要具备高压差开启（≥5 000 Pa）、快速开启（≤5 s）、大口径（2 600 mm）等特点，常规应用的真空阀门无法达到使用要求，对此，本文设计了一种正圆截面的三偏心蝶阀及其联动机构，可大幅减小阀门的开启扭矩，进而减少执行机构耗油量，缩短阀门开启时间，满足使用要求。

1 三偏心蝶阀特点

偏心蝶阀的发展从最初的单偏心蝶阀（即中线蝶阀）到双偏心蝶阀，再到三偏心蝶阀是一个开启扭矩不断减小，开启更容易的过程，相较于单偏心和双偏心蝶阀，三偏心蝶阀的开启扭矩已大幅减小［6-8］。三偏心蝶阀在开启和关闭过程中基本无摩擦、密封性能好、使用寿命长，在工业领域被广泛应用。三偏心蝶阀结构如图1所示。

图1 三偏心蝶阀结构示意Fig.1 Structural diagram of tri-eccentric butterfly valve

2 阀门结构形式设计

传统三偏心蝶阀结构中阀杆垂直于流道方向的径向轴线与阀板密封面中心线之间沿流道轴向所形成的偏距称为偏心1，阀杆回转轴线与流道及阀门中心线沿流道径向所形成的偏距称为偏心2，密封面回转轴线与流道及阀门中心线沿流道径向所形成的偏角称为偏心3，密封面在空间上的结构以一个密封面回转轴线为法线，密封面边界为素线的正圆锥，该圆锥法线与阀门中心线成一个固定角度α，α角即为偏心3，因此用任意一个垂直于流道及阀门中心线的平面去截该圆锥所得图形的端面形状为椭圆，即半轴a不等于半轴b，密封面空间形状可理解成一个以固定轴线回转的正圆锥。

图2 三偏心蝶阀工作原理Fig.2 Working principle diagram of tri-eccentric butterfly valve

由于风洞设备用三偏心蝶阀在使用过程中需要快速开启，为降低其在开启时的开启扭矩，在传统三偏心蝶阀的基础上，进行优化设计，提出正圆三偏心蝶阀的结构［9］形式。通过将该固定轴线变为一个以一定函数关系变化的可变轴线，密封面以该轴线为法线，密封面边界为素线以该函数关系回转形成一个不规则的斜圆锥，因此，用任意一个垂直于流道及阀门中心线的平面去截该圆锥所得图形的端面形状为正圆，即半轴a等于半轴b。

本阀门的优点在于传统三偏心蝶阀回转轴线为一条固定直线，一旦偏心3确定，该回转轴线与阀门中心线所成角度α就固定，阀板密封圈密封面转动轨迹的切线与阀体密封座密封面所形成的啮合角β在各截面上也是一固定值，而正圆三偏心蝶阀在偏心3确定后，密封面回转轴线为一变化值，可根据不同工况设计不同的函数关系，获得更合理的啮合角β，使阀门更易于开启，相应的偏心2尺寸可与之匹配，设计得更小（三偏心阀门中偏心2越大，阀门启闭越不易干涉，但会增大偏距，导致开启扭矩增大），从而减小由偏心2带来的偏距，使阀门开启扭矩大大降低，同时也减小了阀板密封圈与阀体密封座间磨损，延长了阀门使用寿命。实践表明，DN2600正圆三偏心蝶阀开启扭矩仅为传统三偏心蝶阀的1/3。

3 联动结构设计

某大型风洞排气系统采用离心式真空泵［10-12］，离心式真空泵是由离心风机通过改变结构演变而来，具有排量大、效率高、功耗低等优点，但其存在不能“盲抽”工作的缺点。

由于离心式真空泵在风洞试验过程中需提前开启处于工作状态，其前端切断阀门处于关闭状态，离心真空泵在一定时间内处于“盲抽”工作状态。长期处于“盲抽”工作状态会导致离心真空泵出现喘振现象，严重时会损坏离心真空泵。针对此问题，在离心真空泵和真空容器之间设置一套保护装置，在关闭离心真空泵前端切断阀后继续为提供真空泵一定的工作流量，避免其憋压工作，同时保证泵口维持一定的真空度。

在离心真空泵与真空容器间的主管路上设置一段小通径支管路，支管路设置在真空容器切断阀（以下称主阀门）下游，并在支管路上设置一台小通径切断阀（以下称附属阀门），附属阀门上游与大气联通，与主阀门成垂直方向布置，将主阀门的阀杆从动端与附属阀门阀杆驱动端相连接，由主阀门带动附属阀门同时动作，但两阀门的启闭状态相反，即主阀门开启时，附属阀门关闭；主阀门关闭时，附属阀门开启。通过上述方式，当主阀门关闭时，附属阀门开启使离心真空泵与大气联通，保持离心真空泵仍能获得一定的工作流量，避免出现“盲抽”的现象，保护其正常工作。

图3 联动结构工作原理Fig.3 Schematic diagram of linkage structure

主阀门和附属阀门均采用三偏心蝶阀形式，所述主阀门的从动端和附属阀门驱动端连接方式采用连杆机构，连杆长度可调。

图4 连杆机构结构原理Fig.4 Schematic diagram of mechanical linkage

4 执行器结构设计

阀门执行机构采用封闭式液动双作用拨叉式执行器，该执行器具有输出扭矩大，油缸行程小，耗油量小的特点，如图5所示。执行器由液压缸推动拨叉运动，通过拨叉将液压缸活塞的直线运动转为拨叉的旋转运动，拨叉带动输出轴转动，从而实现对阀门启闭的控制，开阀和关阀都具有终端可调机械限位，可避免过大扭矩造成小阀门损坏［13-21］。

图5 阀门执行机构结构Fig.5 Valve actuator structure drawing

拨叉式执行器具备两端输出扭矩大，中间输出扭矩小的特点，可提供较大的开启和关闭扭矩，其中0°时为阀门处于关闭状态，90°时阀门处于完全开启状态，从图6可以看出，对称设计的拨叉式执行器关闭和开启时扭矩相同，并且开启过程中扭矩较大。本方案将拨叉设计成非对称式，偏转角度设计为15°，从图7可以看出，非对称设计的拨叉式执行器开启时输出扭矩较对称设计的拨叉式执行器增加了约20%，这种设计的目的在于利用杠杆平衡原理加大力臂，进而增大开启扭矩，在相同油压供给的条件下，减小油缸缸径，节省耗油量。

图6 对称式拨叉执行器输出扭矩曲线Fig.6 Output torque curve of symmetrical scotch yoke actuator

图7 非对称式拨叉执行器输出扭矩曲线Fig.7 Output torque curve of asymmetric scotch yoke actuators

执行器采用伺服油缸，对全行程进行监控，液压系统设计上采用大、小两种流量的电磁换向阀，在阀门开启初期，采用小流量电磁换向阀控制阀门慢速开启，减小阀板密封圈与阀体密封座间的磨损，当阀门开启至某一设定角度（5°～10°）时，系统切换至大流量电磁换向阀控制阀门快速开启，当阀门开启至某一设定角度（80°～85°）时，系统再次切换至小流量电磁换向阀控制阀门慢速开启至90°，缓解高速状态下对整个阀门结构造成的冲击。调试过程中可根据开启时间调整，在满足开启时间要求的前提下，选择最佳角度组合。

5 成果及应用

（1）三偏心蝶阀采用正圆形结构设计将阀门的开启扭矩减小至常规三偏心蝶阀的1/3，因此执行器可选择缸径较小的油缸，在油缸行程一定的条件下，油缸耗油量大幅降低，更有利于阀门的快速开启，同时减小开启时密封座与密封圈之间的摩擦，保证阀门运行的稳定性，延长阀门使用寿命。

（2）执行器采用非对称拨叉式结构，将开启扭矩增大约20%，进一步减小油缸缸径，可减少油缸的耗油量，缩短阀门开启时间。

（3）采用连杆机构连接，其结构长度可调，可有效补偿两阀门阀杆轴线由于管道焊接和设备安装所带来的形位误差，并且在后期使用过程中的管道震颤和变形都可以通过调节连杆机构来补偿，便于安装、调试及维护。

（4）三偏心蝶阀常规启闭方向为逆时针开启，顺时针关闭（从驱动端看），两阀门成垂直方向布置，启闭方向均为常规方向，相较于两阀门水平平行布置附属阀门启闭方向为反向，加工工艺更为简便。

（5）连杆机构连接为机械联动，该方式有效解决了电器控制受干扰时无法及时切换状态的问题，保护离心真空泵系统的稳定运行和风洞试验的顺利进行。

该设计阀门在某大型风洞排气系统已成功应用，阀门运行稳定可靠，该结构形式阀门可以在石油化工、冶金、航空航天等多领域应用。