CN110595720B - 一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法 - Google Patents

一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法，属于风洞实验技术领域。本发明即在超声速静风洞储气段和喷管入口处同轴安装一气动控制锥阀，使可动锥心在阀心底座和喷管入口渐缩段之间，并在超声速静风洞外部设置一个气动执行器，气动执行器与气动控制锥阀通过静止空心阀杆连接，静止空心阀杆内设置有链条传动结构，将气动执行器中执行元件的快速平移运动转换为气动控制锥阀中可动锥心的往复运动，实现超声速静风洞的快速开停车操作。本发明装置保证了阀门开启关闭的速度，且结构简单，造价低，对不同口径风洞具有很好的适应性。

Description

一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法
技术领域
本发明属于风洞实验技术领域，更具体地，涉及一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法。
背景技术
边界层转捩是一个十分复杂的动力学过程，虽然长时间来这方面研究受到广泛关注，但深入的理解还很不够，其初步成果线性稳定性理论只能局限于小扰动环境，离自主控制和有效利用的目标还有很大的距离。当前，对于型号研制，我们能做的是利用飞行试验、数值计算和风洞试验相结合的方法提出一些数据作为飞行器设计的初步依据。而其中最重要的一环风洞实验所面临的最大困难是来流不可避免存在噪声辐射干扰，使普通风洞的转捩点总是比理论值靠前。因此，针对超声速流动特点发展静风洞是十分必要的。
静风洞试验过程中的一个重要的环节是风洞的启动过程，目前主要的启动方式有破膜式启动和阀门开启启动。前者启动方式是在风洞喷管进口或出口处布置一张塑料薄膜，当风洞充气压力大于薄膜破裂压力值时，薄膜突然破裂而启动静风洞，后者启动方式是在喷管进口或出口处布置一阀门，通过阀芯的快速开闭来开停静风洞。显然，破膜启动方式启动静风洞后储气罐内高压气体全部排空前无法终止，使得试验能量耗损大，试验效率底，不适用于大量型号试验要求。阀门开启方式虽可随时关闭阀门而终止试验，但其启动方式严重依赖机械传动装置引导阀芯的运动，相对静风洞总的实验时间(一般为几十毫秒量级)而言，这种开启方式开启过程缓慢，使储气段内波系传播结构过于偏离激波管理论解，造成试验流场品质下降。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法，其目的在于采用气动驱动形式，采用电磁开关阀驱动阀门开关操作，由此解决高超声速静风洞试验启动过程中相对总体实验时间而言阀门开启响应速度慢、风洞不能重复开闭等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，所述装置包括气动控制锥阀、气动执行器和驱动管路装置，其中：
所述气动控制锥阀同轴安装在静风洞的入口处，通过静止空心阀杆和所述气动执行器连接固定，所述气动控制锥阀包括阀心底座、可动阀心和喷管渐缩段；所述阀心底座固定在气动控制锥阀内并与喷管渐缩段(21)同轴安装，所述可动阀心位于阀心底座和喷管渐缩段之间，所述可动阀心曲率凸面和喷管渐缩段曲率凹面相对布置，所述可动阀心通过静止空心阀杆内的齿轮链条传动结构和所述气动执行器内执行元件连接；
所述气动执行器设置有进气孔和排气孔，内部装有执行元件，所述执行元件将气动执行器内腔体分为气动执行器左侧腔体和气动执行器右侧腔体，所述执行元件通过齿轮链条传动结构和所述可动阀心连接；所述进气孔用于气动执行器腔体内引入高压气；所述排气孔用于气动执行器腔体排放高压气；
所述驱动管路装置包括气体管路和储气瓶，所述储气瓶存储高压气并通过气体管路与所述气动执行器的进气孔连接；所述执行器的排气孔通过气体管路连接大气。
进一步地，所述链条传动结构上端通过执行元件齿轮与所述气动执行器内的执行元件齿槽连接，在执行元件齿轮的左右驱动下将所述执行元件的平移运动传递给所述可动阀心；
所述的链条传动结构下端通过可动阀心齿轮与气动控制锥阀内的可动阀心齿槽连接，通过链条传动结构的顺时针或逆时针运动反馈作用于可动阀心，保证气动控制锥阀开启关闭的速度。
进一步地，所述气体管路具体包括：
第一支路，一端连接气动执行器左侧腔体进气孔，另一端连接超声速静风洞储气段和储气瓶；
第二支路，一端连通气动执行器左侧腔体排气孔，另一端连接大气环境；
第三支路，一端连接气动执行器右侧腔体进气孔，另一端连接储气瓶；
第四支路，一端连接气动执行器右侧腔体排气孔，另一端连接大气环境。
进一步地，所述装置还包括电气控制装置，具体包括装置控制器和电磁开关阀，所述电磁开关阀安装在第一支路、第二支路、第三支路和第四支路上；所述装置控制器用于控制电磁开关阀，实现所述气动执行器的自动充气、排气和压力调节操作。
进一步地，所述阀心底座迎风面为导流锥形，背风面开有所述可动阀心运动凹槽。
进一步地，所述阀心底座上端和下端采用翼型支架(22)固定在气动控制锥阀内。
进一步地，所述可动阀心密封面材质硬度小于所述喷管渐缩段内表面硬度。
进一步地，所述可动阀心为中空结构。
进一步地，所述可动阀心凸面和所述喷管渐缩段凹面配合密封。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种面向风洞应用的快速开关阀门装置的开启方法，所述方法包括以下步骤：
初始时刻，第1电磁开发阀和第4电磁开发阀开启，第2电磁开关阀、第3电磁开关阀和第5电磁开关阀关闭，启动压缩机向超声速静风洞储气段中充入高压空气，超声速静风洞储气段中的高压空气经单向阀和电磁开关阀进入气动执行器左侧腔体同时充入储气瓶中，随着气动执行器左侧腔体压力的提高，气动执行器的执行元件在气压差作用下不断往右运动，在链条传动结构的传递下，执行元件带动可动阀心同时往右运动，当可动阀心的密封面与喷管入口渐缩段的型面紧密贴合时超声速静风洞完全关闭，随后启动真空泵将喷管尾端中的高压空气抽除，当达到超声速静风洞的实验压比时关闭压缩机和真空泵；
风洞实验开始时，第1电磁开关阀和第4电磁开关阀闭合，第2电磁开关阀和第3电磁开关阀打开，气动执行器左侧腔体内高压气经第3电磁开关阀排出，同时储气瓶内高压气经第2电磁开关阀进入气动执行器右侧腔体，气动执行器的执行元件在气压差作用下不断往左运动，在链条传动结构的传递下，执行元件带动可动阀心同时往左运动，当可动阀心的密封面与喷管入口渐缩段的型面充分分离时超声速静风洞完全启动；
风洞实验过程中需要停车时，第2电磁开关阀和第3电磁开关阀闭合，第1电磁开关阀和第4电磁开关阀打开，气动执行器右侧腔体内高压气经第4电磁开关阀排出，同时储气瓶内高压气经第1电磁开关阀进入气动执行器左侧腔体，气动执行器的执行元件在气压差作用下不断往右运动，在链条传动结构的传递下，执行元件带动可动阀心同时往右运动，当可动阀心的密封面与喷管入口渐缩段的型面紧密贴合时超声速静风洞完全关闭；
风洞实验结束时，第1电磁开发阀、第4电磁开关阀和第5电磁开关阀打开，超声速静风洞储气段和储气瓶内的高压气经第5电磁开关阀排出，气动执行器左侧腔体内高压气经第1电磁开关阀和第5电磁开关阀排出，气动执行器右侧腔体内高压气经第4电磁开关阀排出。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明采用气动驱动形式，采用电磁开关阀实现对驱动源开关操作，采用气动执行器实现对可动阀心的开关操作切换，采用可动阀心和喷管渐缩段凹凸面配合密封，结构简单，造价低，对不同口径风洞具有很好的适应性；
(2)本发明气动执行器和气动控制锥阀通过静止空心阀杆固定安装，形成整体式结构，安全可靠，稳定性高；
(3)本发明采用可编程逻辑控制器PLC对所有电磁开关阀门进行控制，集成到一个控制柜内部，能按预设时序模式进行自动操作，节省了操作时间，提高了风洞试验效率，并且极大地提高了操作的准确性；
(4)本发明气动执行器气动响应性快，其内部移动又通过机械传动装置反馈作用于可动阀心，保证了阀门开启关闭的速度；
(5)本发明可动阀心材质硬度低于喷管渐缩段，避免喷管渐缩段表面冲击变形或破坏现象。
附图说明
图1是本发明快速开关阀门装置的一种具体实例示意图；
图2是本发明快速开关阀门装置的结构示意图；
图1中，1–储气罐，2–单向阀，3–压缩机，4–超声速静风洞储气段，5–阀心底座，6–可动阀心，7–喷管尾端，8–真空泵，9–气动执行器右端腔体，10–执行元件，11-气动执行器左端腔体；
图2中，12–导流锥，13–可动阀心齿槽，14–静止空心阀杆，15–气动执行器，16–气动执行器外壳，17–执行元件齿槽，18–执行元件齿轮，19–链条传动结构，20–可动阀心齿轮，21–喷管渐缩段，22–翼型支架，23–气动控制锥阀外壳，24–气动控制锥阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的实例：在对现有超声速静风洞进行快速开停车操作时，采用本发明的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法执行，即在超声速静风洞储气段4和喷管入口处同轴安装一气动控制锥阀24，使可动锥心6在阀心底座5和喷管入口渐缩段21之间，并在超声速静风洞外部设置一个气动执行器15，气动执行器15与气动控制锥阀24通过静止空心阀杆14连接，静止空心阀杆14内设置有链条传动结构19，将气动执行器15中执行元件10的快速平移运动转换为气动控制锥阀24中可动锥心6的往复运动，实现超声速静风洞的快速开停车操作。
由于本发明方法的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法的一种具体实例过程如图1所示：
初始时刻，电气控制装置控制电磁开发阀V1和V4打开，电磁开关阀V2，V3，V5关闭后启动压缩机3向超声速静风洞储气段4中充入高压空气，超声速静风洞储气段4中的高压空气经单向阀2和电磁开关阀V1进入气动执行器左侧腔体11同时充入储气瓶1中，随着气动执行器左侧腔体11压力的提高，气动执行器的执行元10在气压差作用下不断往右运动，在链条传动结构19的传递下，执行元件10带动可动阀心6同时往右运动，当可动阀心6的密封面与喷管入口渐缩段21的型面紧密贴合时超声速静风洞完全关闭，随后启动真空泵8将喷管尾端7中的高压空气抽除，当达到超声速静风洞的实验压比时关闭压缩机3和真空泵8；
实验开始时，电气控制装置控制电磁开关阀V1和V4闭合，电磁开关阀V2和V3打开，气动执行器左侧腔体11内高压气经电磁开关阀V3排出，同时储气瓶1内高压气经电磁开关阀V2进入气动执行器右侧腔体9，气动执行器的执行元10在气压差作用下不断往左运动，在链条传动结构19的传递下，执行元件10带动可动阀心6同时往左运动，当可动阀心6的密封面与喷管入口渐缩段21的型面充分分离时超声速静风洞完全启动；
当实验过程中需要停车时，电气控制装置控制电磁开关阀V2和V3闭合，电磁开关阀V1和V4打开，气动执行器右侧腔体9内高压气经电磁开关阀V4排出，同时储气瓶1内高压气经电磁开关阀V1进入气动执行器左侧腔体11，气动执行器15的执行元件10在气压差作用下不断往右运动，在链条传动结构19的传递下，执行元件10带动可动阀心6同时往右运动，当可动阀心6的密封面与喷管入口渐缩段21的型面紧密贴合时超声速静风洞完全关闭；
实验结束时，电气控制装置控制电磁开发阀V1、V4和V5打开，超声速静风洞储气段4和储气瓶1内的高压气经电磁开关阀V5排出，气动执行器左侧腔体11内高压气经电磁开关阀V1和V5排出，气动执行器右侧腔体9内高压气经电磁开关阀V4排出。
用于本发明的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置如图2所示，创新的在气动控制锥阀24外部通过静止空心阀杆14固定一个气动执行器15，静止空心阀杆14内部设置一链条传动结构19，连接气动执行器15内的执行元件10和气动控制锥24内的可动阀心6；气动执行器15两侧安装有气体管路***，控制气体管路***上的电磁开关阀V1～V4的开闭实现气动执行器15两侧气腔的充排气操作，气动执行器15内的执行元件10在两侧气腔压差的作用下可快速平移运动；链条传动结构19将执行元件10的平移运动转化为可动阀心6的平移运动来实现超声速静风洞的快速开闭操作。
其中，所述的管路***包括：
第一管路101，其一端连接气动执行器左侧腔体11且引取超声速静风洞储气段4或储气瓶1中高压气通入所述气动执行器左侧腔体11；
第二管路102，其连通气动执行器左侧腔体11和大气环境，用于排出所述气动执行器左侧腔体11内的高压气体；
第三管路103，其一端连接气动执行器右侧腔体9且引取储气瓶1中高压气通入所述气动执行器右侧腔体9；
第四管路104，其连通气动执行器右侧腔体9和大气环境，用于排出所述气动执行器右侧腔体9内的高压气体；
在其中一个实例中，如图1所示，第一管路101设置有一支路经电磁开关阀V5连通大气环境，用于超压保护管路和实验停车排空。
其中，所述的链条传动结构19上端通过执行元件齿轮18与气动执行器15内的执行元件齿槽17连接，在执行元件10受力端盖的左右驱动下将执行元件10的平移运动传递给可动阀心6。
其中，所述的链条传动结构19下端通过可动阀心齿轮20与气动控制锥阀24内的可动阀心齿槽13连接，通过链条传动结构19的顺时针或逆时针运动反馈作用于可动阀心6，保证气动控制锥阀24开启关闭的速度。
本发明一种面向风洞应用的快速开关阀门装置及其开启方法的显著特征为：其气流流程围绕着气动控制锥阀24，巧妙的构建了气动执行器15和机械传动结构两个关键的作用过程，通过机械传动结构同步将气动执行器15执行元件10的快速移动转换为气动控制锥阀可动阀心的快速开闭操作，而气动执行器执行元件10的动作响应不受喷管储气段直径的限制，在保证阀门开启速度的情形下，对超音速静风洞的口径适应性非常好。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述装置包括气动控制锥阀、气动执行器和驱动管路装置，其中：
所述气动控制锥阀(24)同轴安装在静风洞的入口处，通过静止空心阀杆(14)和所述气动执行器(15)连接固定，所述气动控制锥阀(24)包括阀心底座(5)、可动阀心(6)和喷管渐缩段(21)；所述阀心底座(5)固定在气动控制锥阀(24)内并与喷管渐缩段(21)同轴安装，所述可动阀心(6)位于阀心底座(5)和喷管渐缩段(21)之间，所述可动阀心(6)曲率凸面和喷管渐缩段(21)曲率凹面相对布置，所述可动阀心(6)通过静止空心阀杆(14)内的齿轮链条传动结构(19)和所述气动执行器内执行元件(10)连接；
所述气动执行器(15)设置有进气孔和排气孔，内部装有执行元件(10)，所述执行元件(10)将气动执行器(15)内腔体分为气动执行器左侧腔体(11)和气动执行器右侧腔体(9)，所述执行元件(10)通过齿轮链条传动结构(19)和所述可动阀心(6)连接；所述进气孔用于气动执行器(15)内腔体内引入高压气；所述排气孔用于气动执行器(15)内腔体排放高压气；
所述驱动管路装置包括气体管路和储气瓶(1)，所述储气瓶(1)存储高压气并通过气体管路与所述气动执行器(15)的进气孔连接；所述气动执行器(15)的排气孔通过气体管路连接大气；
所述齿轮链条传动结构(19)上端通过执行元件齿轮(18)与所述气动执行器(15)内的执行元件齿槽(17)连接，在执行元件齿轮(18)的左右驱动下将所述执行元件(10)的平移运动传递给所述可动阀心(6)；
所述的齿轮链条传动结构(19)下端通过可动阀心齿轮(20)与气动控制锥阀(24)内的可动阀心齿槽(13)连接，通过齿轮链条传动结构(19)的顺时针或逆时针运动反馈作用于可动阀心(6)，保证气动控制锥阀(24)开启关闭的速度。
2.根据权利要求1所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述气体管路具体包括：
第一支路(101)，一端连接气动执行器左侧腔体(11)进气孔，另一端连接超声速静风洞储气段(4)和储气瓶(1)；
第二支路(102)，一端连通气动执行器左侧腔体(11)排气孔，另一端连接大气环境；
第三支路(103)，一端连接气动执行器右侧腔体(9)进气孔，另一端连接储气瓶(1)；
第四支路(104)，一端连接气动执行器右侧腔体(9)排气孔，另一端连接大气环境。
3.根据权利要求2所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述面向风洞应用的快速开关阀门装置还包括电气控制装置，具体包括装置控制器和电磁开关阀，所述电磁开关阀安装在第一支路、第二支路、第三支路和第四支路上；所述装置控制器用于控制电磁开关阀，实现所述气动执行器(15)的自动充气、排气和压力调节操作。
4.根据权利要求1所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述阀心底座(5)迎风面为导流锥形，背风面开有所述可动阀心运动凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述阀心底座(5)上端和下端采用翼型支架(22)固定在气动控制锥阀(24)内。
6.根据权利要求1所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述可动阀心(6)密封面材质硬度小于所述喷管渐缩段(21)内表面硬度。
7.根据权利要求1所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述可动阀心(6)为中空结构。
8.根据权利要求1所述的一种面向风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述可动阀心(6)凸面和所述喷管渐缩段(21)凹面配合密封。
9.一种基于权利要求1～8其中之一所述的快速开关阀门装置的开启方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
初始时刻，第1电磁开关阀(V1)和第4电磁开关阀(V4)开启，第2电磁开关阀(V2)、第3电磁开关阀(V3)和第5电磁开关阀(V5)关闭，启动压缩机(3)向超声速静风洞储气段(4)中充入高压气，超声速静风洞储气段(4)中的高压气经单向阀(2)和第1电磁开关阀(V1)进入气动执行器左侧腔体(11)同时充入储气瓶(1)中，随着气动执行器左侧腔体(11)压力的提高，气动执行器的执行元件(10)在气压差作用下不断往右运动，在齿轮链条传动结构(19)的传递下，执行元件(10)带动可动阀心(6)同时往右运动，当可动阀心(6)的密封面与喷管渐缩段(21)的型面紧密贴合时超声速静风洞完全关闭，随后启动真空泵(8)将喷管尾端(7)中的高压气抽除，当达到超声速静风洞的实验压比时关闭压缩机(3)和真空泵(8)；
风洞实验开始时，第1电磁开关阀(V1)和第4电磁开关阀(V4)闭合，第2电磁开关阀(V2)和第3电磁开关阀(V3)打开，气动执行器左侧腔体(11)内高压气经第3电磁开关阀(V3)排出，同时储气瓶(1)内高压气经第2电磁开关阀(V2)进入气动执行器右侧腔体(9)，气动执行器的执行元件(10)在气压差作用下不断往左运动，在齿轮链条传动结构(19)的传递下，执行元件(10)带动可动阀心(6)同时往左运动，当可动阀心(6)的密封面与喷管渐缩段(21)的型面充分分离时超声速静风洞完全启动；
风洞实验过程中需要停车时，第2电磁开关阀(V2)和第3电磁开关阀(V3)闭合，第1电磁开关阀(V1)和第4电磁开关阀(V4)打开，气动执行器右侧腔体(9)内高压气经第4电磁开关阀(V4)排出，同时储气瓶(1)内高压气经第1电磁开关阀(V1)进入气动执行器左侧腔体(11)，气动执行器(15)的执行元件(10)在气压差作用下不断往右运动，在齿轮链条传动结构(19)的传递下，执行元件(10)带动可动阀心(6)同时往右运动，当可动阀心(6)的密封面与喷管渐缩段(21)的型面紧密贴合时超声速静风洞完全关闭；
风洞实验结束时，第1电磁开关阀(V1)、第4电磁开关阀(V4)和第5电磁开关阀(V5)打开，超声速静风洞储气段(4)和储气瓶(1)内的高压气经第5电磁开关阀(V5)排出，气动执行器左侧腔体(11)内高压气经第1电磁开关阀(V1)和第5电磁开关阀(V5)排出，气动执行器右侧腔体(9)内高压气经第4电磁开关阀(V4)排出。
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