CN117386836B - 一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀及其使用方法 - Google Patents

一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于脉冲风洞试验技术领域，公开了一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀及其使用方法。快响应同轴阀包括从上至下顺序连接的上端盖、上阀体和下阀座，上端盖、上阀体的中心腔体内安装竖直的阀芯，下阀座内设置有与气体管路连通的水平的试验气通道，试验气通道的上游为进气口，试验气通道的下游为出气口；阀芯上下滑动过程中，阀芯末端的上限位高于试验气通道，进气口和出气口连通处于打开状态，阀芯末端的下限位低于高于试验气通道，进气口和出气口隔断处于关闭状态。快响应同轴阀密封可靠，开启与关闭不受阀体上游试验气压力的影响，在试验气的低压状态或者高压状态都能够很好的应用；使用方法响应快速，操作简单，有良好的应用前景。

Description

一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀及其使用方法
技术领域
本发明属于脉冲风洞试验技术领域，具体涉及一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀及其使用方法。
背景技术
脉冲风洞能够比较真实地模拟飞行器超高速飞行过程中绕流流场的物理化学过程。在脉冲风洞开展直连式试验、喷流试验、超燃试验等试验，往往需要喷射燃料或者其他气体介质作为试验气，喷射试验气与脉冲风洞启动同步，常用的方式是以脉冲风洞启动信号作为触发信号。由于脉冲风洞高压段与低压段之间的膜片破裂不稳定，也采用以膜片下游的压力信号作为触发信号。然而，脉冲风洞的有效试验时间最长也仅为几十毫秒，在高压段的高压状态下，或者在低压段长度较短的脉冲风洞上，有效试验时间甚至仅为几毫秒，这对模型上喷射试验气的开关即电磁阀的响应能力提出了苛刻的要求。
然而，市售的电磁阀响应时间都在几十毫秒以上，电磁阀响应时间与电磁阀上游的气体压力有关，为了克服电磁阀上游的气体压力产生的惯性力需要耗费大量的时间，难以满足在脉冲风洞开展直连式试验、喷流试验、超燃试验等试验需求。
当前，亟需发展一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀及其使用方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的使用方法。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，其特点是，所述的快响应同轴阀安装在气体管路上，适用的压力范围为0.1MPa~50MPa；快响应同轴阀包括从上至下顺序连接的上端盖、上阀体和下阀座，上端盖、上阀体的中心腔体内安装竖直的阀芯，下阀座内设置有与气体管路连通的水平的试验气通道，试验气通道的上游为进气口，试验气通道的下游为出气口；
阀芯为台阶圆柱体，阀芯的上段和下段的外径相同，阀芯的中段凸出，形成活塞，将上阀体的中心空腔分隔为上气缸和下气缸；上气缸设置有上通孔，下气缸设置有下通孔，上通孔和下通孔分别连接气动操纵阀；阀芯的顶端伸出上端盖；阀芯上下滑动过程中，阀芯的末端具有上限位和下限位，上限位高于试验气通道，进气口和出气口连通，快响应同轴阀处于打开状态，下限位低于高于试验气通道，进气口和出气口隔断，快响应同轴阀处于关闭状态；
在下阀座内，与阀芯的下限位对应的下阀座的内壁上设置有环形的平衡腔室，平衡腔室与试验气通道上游的进气口连通，平衡腔室与阀芯的接触面积为S1，S1=π（d22-d12）/4，阀芯与试验气通道上游的进气口的接触面积为S2，S2=πd2/4，S1=S2；其中，d为进气口内径，d1为平衡腔室的外径，d2为平衡腔室的内径。
进一步地，所述的快响应同轴阀的各部件之间通过密封件密封；密封件为密封圈，密封圈为低摩擦橡胶密封圈。
进一步地，所述的气动操纵阀为2位3通气动操纵阀；气动操纵阀的控制气体压力小于气体管路内的试验气压力；上通孔连接的气动操纵阀为常开型气动阀，下通孔连接的气动操纵阀为常闭型同轴阀。
进一步地，所述的上阀体的上端通过法兰盘采用沿周向分布的紧固螺钉固定上端盖，上阀体的下端通过法兰盘采用沿周向分布的紧固螺钉固定在下阀座上。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的使用方法，包括以下步骤：
S10.将快响应同轴阀安装在气体管路上，试验气通道与气体管路连通；
S20.将上通孔与常开型气动阀连接，操纵气充入上气缸中，同时，下通孔与常闭型同轴阀连接，下气缸通过常闭型气动阀的排气孔排气，阀芯下移，隔断进气口与出气口，试验气通道断开；
S30.脉冲风洞试验前，进气口充满试验气，进气口与平衡腔室连通，进气口的试验气充入平衡腔室；
S40.脉冲风洞试验时，脉冲风洞来流传感器给出启动触发信号，上通孔的常开型气动阀得电，上气缸通过常开型气动阀的排气孔排气；同时，下通孔的常闭型同轴阀得电，操纵气进入下气缸中，阀芯上移，主阀阀芯打开，试验气通道连通；
S50.脉冲风洞试验后，启动触发信号在延时器作用下，经预先设定的持续时间关闭，上通孔的常开型气动阀失电，操纵气充入上气缸中；同时，下通孔的常闭型同轴阀失电，下气缸通过常闭型气动阀的排气孔排气，阀芯下移，隔断进气口和出气口，试验气通道断开。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀在下阀座上开设平衡腔室，平衡腔室与下阀座的上游进气口连接，形成通路，而且平衡腔室与阀芯的接触面积S1和阀芯与上游进气口的接触面积S2相等，能够补偿阀芯两侧的压差，实现平衡，使得快响应同轴阀的阀门响应时间显著降低，且快响应同轴阀开启与关闭不受试验气压力的影响，在试验气的低压状态或者高压状态都能够很好的应用，较快的响应时间能够满足在脉冲风洞上使用。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀具有以下特点：
a.上阀体的上气缸、下气缸分别采用1个2位3通的气动操纵阀作为快响应同轴阀的控制信号，实现小压力操纵气驱动大压力试验气；
b.采用平衡腔室补偿阀芯两侧压差，在试验气的低压状态或者高压状态都能够很好的应用，显著减小了快响应同轴阀因为两侧压差引起的惯性力产生的响应时间。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀密封可靠，开启与关闭不受阀体上游试验气压力的影响，在试验气的低压状态或者高压状态都能够很好的应用，通过小压力操纵气驱动大压力试验气实现了快响应同轴阀的快速通断，提高了快响应同轴阀的响应能力。本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的使用方法响应快速，操作简单，在脉冲风洞上有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的结构示意图；
图2为本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的关闭状态示意图；
图3为本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的打开状态示意图；
图4为本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀在脉冲风洞的安装示意图。
图中，1.上端盖；2.阀芯；3.上气缸；4.下气缸；5.紧固螺钉；6.下阀座；7.上阀体；8.密封件；9.平衡腔室；10.上通孔；11.下通孔；12.气动操纵阀；13.高压段；14.低压段；15.膜片；16.触发传感器；17.喷管；18.快响应同轴阀；19.试验段；20.模型；21.操纵气；22.试验气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀安装在气体管路上，适用的压力范围为0.1MPa~50MPa；如图1所示，快响应同轴阀18包括从上至下顺序连接的上端盖1、上阀体7和下阀座6，上端盖1、上阀体7的中心腔体内安装竖直的阀芯2，下阀座6内设置有与气体管路连通的水平的试验气通道，试验气通道的上游为进气口，试验气通道的下游为出气口；
阀芯2为台阶圆柱体，阀芯2的上段和下段的外径相同，阀芯2的中段凸出，形成活塞，将上阀体7的中心空腔分隔为上气缸3和下气缸4；上气缸3设置有上通孔10，下气缸4设置有下通孔11，上通孔10和下通孔11分别连接气动操纵阀12；阀芯2的顶端伸出上端盖1；阀芯2上下滑动过程中，阀芯2的末端具有上限位和下限位，上限位高于试验气通道，进气口和出气口连通，快响应同轴阀18处于打开状态，下限位低于高于试验气通道，进气口和出气口隔断，快响应同轴阀18处于关闭状态；
在下阀座6内，与阀芯2的下限位对应的下阀座6的内壁上设置有环形的平衡腔室9，平衡腔室9与试验气通道上游的进气口连通，平衡腔室9与阀芯2的接触面积为S1，S1=πd22-d12/4，阀芯2与试验气通道上游的进气口的接触面积为S2，S2=πd2/4，S1=S2；其中，d为进气口内径，d1为平衡腔室9的外径，d2为平衡腔室9的内径。
进一步地，所述的快响应同轴阀18的各部件之间通过密封件8密封；密封件8为密封圈，密封圈为低摩擦橡胶密封圈。
进一步地，所述的气动操纵阀12为2位3通气动操纵阀；气动操纵阀12的控制气体压力小于气体管路内的试验气22压力；上通孔10连接的气动操纵阀12为常开型气动阀，下通孔11连接的气动操纵阀12为常闭型同轴阀。
进一步地，所述的上阀体7的上端通过法兰盘采用沿周向分布的紧固螺钉5固定上端盖1，上阀体7的下端通过法兰盘采用沿周向分布的紧固螺钉5固定在下阀座6上。
本发明的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的使用方法，包括以下步骤：
S10.将快响应同轴阀18安装在气体管路上，试验气通道与气体管路连通；
S20.将上通孔10与常开型气动阀连接，操纵气21充入上气缸3中，同时，下通孔11与常闭型同轴阀连接，下气缸4通过常闭型气动阀的排气孔排气，阀芯2下移，隔断进气口与出气口，试验气通道断开；
S30.脉冲风洞试验前，如图2所示，进气口充满试验气22，进气口与平衡腔室9连通，进气口的试验气22充入平衡腔室9；
S40.脉冲风洞试验时，如图3所示，脉冲风洞来流传感器给出启动触发信号，上通孔10的常开型气动阀得电，上气缸3通过常开型气动阀的排气孔排气；同时，下通孔11的常闭型同轴阀得电，操纵气21进入下气缸4中，阀芯2上移，主阀阀芯打开，试验气通道连通；
S50.脉冲风洞试验后，启动触发信号在延时器作用下，经预先设定的持续时间关闭，上通孔10的常开型气动阀失电，操纵气21充入上气缸3中；同时，下通孔11的常闭型同轴阀失电，下气缸4通过常闭型气动阀的排气孔排气，阀芯2下移，隔断进气口和出气口，试验气通道断开。
实施例1：
本实施例的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀用于脉冲风洞发动机模型，如图4所示，脉冲风洞包括从前至后顺序连接的高压段13、低压段14、喷管17和试验段19，高压段13和低压段14之间设置有膜片15，试验段19内安装模型20，模型20上设置有输送试验气22的气体管路，气体管路上设置快响应同轴阀18，快响应同轴阀18的气动操纵阀12连接操纵气21，快响应同轴阀18打开，试验气22进入模型20。
脉冲风洞运行马赫数10，经计算，风洞来流从触发传感器16感受启动激波到试验段19约为20ms，有效试验时间在5ms以内，为满足发动力燃料与风洞试验同步，快响应同轴阀18响应时间小于20ms，满足试验要求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，其特征在于，所述的快响应同轴阀（18）安装在气体管路上，适用的压力范围为0.1MPa~50MPa；快响应同轴阀（18）包括从上至下顺序连接的上端盖（1）、上阀体（7）和下阀座（6），上端盖（1）、上阀体（7）的中心腔体内安装竖直的阀芯（2），下阀座（6）内设置有与气体管路连通的水平的试验气通道，试验气通道的上游为进气口，试验气通道的下游为出气口；
阀芯（2）为台阶圆柱体，阀芯（2）的上段和下段的外径相同，阀芯（2）的中段凸出，形成活塞，将上阀体（7）的中心空腔分隔为上气缸（3）和下气缸（4）；上气缸（3）设置有上通孔（10），下气缸（4）设置有下通孔（11），上通孔（10）和下通孔（11）分别连接气动操纵阀（12）；阀芯（2）的顶端伸出上端盖（1）；阀芯（2）上下滑动过程中，阀芯（2）的末端具有上限位和下限位，上限位高于试验气通道，进气口和出气口连通，快响应同轴阀（18）处于打开状态，下限位低于高于试验气通道，进气口和出气口隔断，快响应同轴阀（18）处于关闭状态；
在下阀座（6）内，与阀芯（2）的下限位对应的下阀座（6）的内壁上设置有环形的平衡腔室（9），平衡腔室（9）与试验气通道上游的进气口连通，平衡腔室（9）与阀芯（2）的接触面积为S1，S1=π（d22-d12）/4，阀芯（2）与试验气通道上游的进气口的接触面积为S2，S2=πd2/4，S1=S2；其中，d为进气口内径，d1为平衡腔室（9）的外径，d2为平衡腔室（9）的内径。
2.根据权利要求1所述的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，其特征在于，所述的快响应同轴阀（18）的各部件之间通过密封件（8）密封；密封件（8）为密封圈，密封圈为低摩擦橡胶密封圈。
3.根据权利要求1所述的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，其特征在于，所述的气动操纵阀（12）为2位3通气动操纵阀；气动操纵阀（12）的控制气体压力小于气体管路内的试验气（22）压力；上通孔（10）连接的气动操纵阀（12）为常开型气动阀，下通孔（11）连接的气动操纵阀（12）为常闭型同轴阀。
4.根据权利要求1所述的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，其特征在于，所述的上阀体（7）的上端通过法兰盘采用沿周向分布的紧固螺钉（5）固定上端盖（1），上阀体（7）的下端通过法兰盘采用沿周向分布的紧固螺钉（5）固定在下阀座（6）上。
5.一种适用于脉冲风洞的快响应同轴阀的使用方法，其用于权利要求1~权利要求4中的任意一种所述的适用于脉冲风洞的快响应同轴阀，其特征在于，包括以下步骤：
S10.将快响应同轴阀（18）安装在气体管路上，试验气通道与气体管路连通；
S20.将上通孔（10）与常开型气动阀连接，操纵气（21）充入上气缸（3）中，同时，下通孔（11）与常闭型同轴阀连接，下气缸（4）通过常闭型气动阀的排气孔排气，阀芯（2）下移，隔断进气口与出气口，试验气通道断开；
S30.脉冲风洞试验前，进气口充满试验气（22），进气口与平衡腔室（9）连通，进气口的试验气（22）充入平衡腔室（9）；
S40.脉冲风洞试验时，脉冲风洞来流传感器给出启动触发信号，上通孔（10）的常开型气动阀得电，上气缸（3）通过常开型气动阀的排气孔排气；同时，下通孔（11）的常闭型同轴阀得电，操纵气（21）进入下气缸（4）中，阀芯（2）上移，主阀阀芯打开，试验气通道连通；
S50.脉冲风洞试验后，启动触发信号在延时器作用下，经预先设定的持续时间关闭，上通孔（10）的常开型气动阀失电，操纵气（21）充入上气缸（3）中；同时，下通孔（11）的常闭型同轴阀失电，下气缸（4）通过常闭型气动阀的排气孔排气，阀芯（2）下移，隔断进气口和出气口，试验气通道断开。
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