专利名称：双工况阶跃式流量控制阀及控制结构设计方法
双工况阶跃式流量控制阀及控制结构设计方法
技术领域：
本发明涉及双工况阶跃式流量控制阀装置及其控制结构的设计方法，属于液体火 箭发动机或固液火箭发动机的推进剂流量控制领域。
背景技术：
在变推力液体火箭发动机或固液火箭发动机工作过程中，推力调节是发动机的基 本特征，调节推进剂流量供应是实现推力调节的主要方法。目前挤压式火箭发动机输送系统中，一般都是通过调节储箱压力或液路流量控制 元件的型面连续改变推进剂流量达到预定值。张育林在《变推力液体火箭发动机及其控制 技术》(2001，北京国防工业出版社)中介绍的喉部可调文氏管流量控制方案是流量调节 的常用方案，但是采用此种方案时流量的改变是连续的，从设计状态一到设计状态二需要 一定的调整时间，且流量调节范围有限。目前，地面发射的火箭、导弹等航天飞行器很多需 要有两种工作状态以维持设计的飞行轨道，如常见的起飞阶段工况和巡航阶段工况。这就 需要对应两种不同的、变化较大的推力水平，并且要求不同工况间推力调整快速完成。因 此，对推进剂流量的快速阶跃式、大范围的调节是实现推力调节的重要条件，有着切实的需 求。
发明内容本发明的目的是提供双工况阶跃式流量控制阀及控制结构的设计方法，具体设计 了三种不同结构形式的流量控制阀实现其功能。本发明要解决的问题是，利用阀门上游压 力改变阀门工作状态，从而快速实现两种工况推进剂流量大范围、阶跃式改变。此阀门设 计实现了输送系统启动、流量供应状态转换的功能，能简化输送系统结构，从而减轻火箭重 量，降低成本。该设计方法也同样适用于多工况流量控制阀。双工况阶跃式流量控制阀的主要结构包括阀体、衬套、阀芯、弹簧、气体压力感应 腔、文氏管、阀盖及相应的密封圈等。控制结构的设计方法为计算弹簧力与行程的关系，设 计气体压力感应腔的面积大小从而控制阀腔内气体压力、大气压力及相关摩擦力，最后利 用上述力的合力使阀体、阀芯、衬套在不同工况时处于不同的相对位置，进而改变阀芯状态 或改变阀门入口和出口的开启和关闭状态，达到双工况阶跃式流量调节的目的。本发明的优点和积极效果在于(1)采用该方法设计的流量调节控制阀可以快速 实现流量大范围阶跃式改变；(2)运用此流量控制阀可以简化火箭发动机输送系统结构， 减轻输送系统质量，从而降低系统的成本提高发动机的性能。
图1是控制结构形式A的阀门及原理2是控制结构形式B的阀门及原理3是控制结构形式C的阀门及原理图
具体实施方式首先对双工况阶跃式流量控制阀及控制结构设计方法进行概述。阀门的主要结构包括阀体、衬套、阀芯、气体压力感受腔、弹簧、阀门的入口和出 口，其中入口和出口的个数将由控制结构的设计决定数量和位置。阀门的主要原理是通过 气体压力感受腔内敏感元件感受上游压力配合弹簧调节阀体、衬套和阀芯的相对位置，从 而选用不同的流量控制文氏管或实现不同出口的开闭状态，实现双工况阶跃式流量调节。阀门控制结构具体设计方法如下1、确定阀门阶跃式流量的调整控制形式使用阀芯上的文氏管控制流量或通过开 启、关闭阀门出口控制流量；2、根据阀门上游压力、阀门尺寸限制，结合流量控制形式分别确定初始状态、第一 工况状态、第二工况状态条件下对应阀体、衬套、阀芯所处的三个不同相对位置；3、根据三个不同的相对位置，可以确定阀芯和衬套的行程，即可设计弹簧相应的 变形量。同时结合阀门上游气体压力，可以设计气体压力腔中气体敏感元件的面积大小。进 而根据不同状态下气体敏感元件所受到的压力，设计弹簧刚度和自由长度，完成敏感元件 的设计；4、在以上结构设计完成后，进行阀门入口、出口位置的设计和阀芯、衬套详细结构 设计；5、对阀门进行功能校核计算，检查阀芯、衬套、阀体的相对位置在合力作用下是否 处于各个工况下的设计值，然后进行强度校核和整体结构验证；6、加工阀门，通过实验检验阀门的功能，根据阀门表现，通过调节弹簧垫片的厚度 补偿加工误差，完成设计。下面结合附图，用三个双工况阶跃式流量控制阀具体实例来进一步说明本发明的 原理和控制结构设计形式。1、如图1所示为控制结构形式A的阀门，实现该双工况流量控制的装置主要包括 阀体1、衬套2、阀芯3、阀盖A4、弹簧A 5、弹簧B6、流量控制文氏管7、阀盖B8、堵头9、辅助 垫块10。阀门有一个入口和一个出口，内部有三个独立的上游气体压力感应腔A、B、C，通过 计算，调整衬套和阀芯承压面积和两个弹簧的刚度和变形量，通过使用阀芯不同喉径文氏 管实现阀门的双工况阶跃式流量控制功能。控制结构形式A的阀门具体工作原理如下初始状态如图1A，此时气体腔A充满上游高压气体，气体腔B和C为大气压力，在 三个气体腔压力和弹簧力的共同作用下，衬套和阀芯处于图中位置，阀门处于关闭状态。工况一状态如图1B，在开阀控制信号给出后，上游高压气体同时由气体入口流入 气体腔B。此时气体腔A和B为高压气，气体腔C为大气压力，在三个气体腔压力和弹簧力 的共同作用下，推动衬套带着阀芯一起向右运动，阀门中右侧文氏管对液体流量进行控制， 使输送系统工作在第一阶段的流量状态下。工况二状态如图1C，在工况转换控制信号给出后，上游高压气体流入气体腔C。此 时气体腔A、B和C都是高压气体，在三个气体腔压力和弹簧力的共同作用下，推动阀芯单独 向右运动，阀门中左侧文氏管开始对液体流量进行控制，使输送系统工作在第二阶段的流量状态下。从以上原理可以看出，阀门能有效地进行流量的双工况阶跃式调节，关键设计在 于阀门控制衬套、阀芯，气体压力敏感元件和弹簧力的设计。2、如图2所示为控制结构形式B的阀门，实现该双工况流量控制的装置主要包括 阀体1、衬套2、阀芯3、垫片A4、弹簧A5、阀盖A6、弹簧B7、垫片A8、辅助垫块9、阀盖B10、堵 头11。阀门有一个入口 RK和两个出口 CKl、CK2，其中CK2出口在阀门的右侧垂直于纸面向 里，具体位置用虚线的X标出，内部有三个独立的上游气体压力感应腔A、B、C。通过计算， 调整衬套和阀芯承压面积和两个弹簧的刚度和变形量，实现阀门的双工况阶跃式流量控制 功能。控制结构形式B的阀门具体工作原理如下初始状态如图2A，此时气体腔A充满上游高压气体，气体腔B和C为大气压力，在 三个气体腔压力和弹簧力的共同作用下，衬套和阀芯处于图中位置，阀门处于关闭状态。工况一状态如图2B，在开阀控制信号给出后，上游高压气体同时由气体入口流入 气体腔B。此时气体腔A和B为高压气，气体腔C为大气压力，在三个气体腔压力和弹簧力 的共同作用下，推动衬套带着阀芯一起向右运动。液体在阀门内部的流动状态由图中的箭 头表示出液体将由入口 RK进入，并同时从出口 CK1、CK2流出，配合上游压力和两个出口管 路中的文氏管，控制液体处于大流量工况下工作。工况二状态如图2C，在工况转换控制信号给出后，上游高压气体同时由气体入口 流入气体腔C，此时气体腔A、B和C都是高压气体。在三个气体腔压力和弹簧力的共同作 用下，推动阀芯单独向右运动。液体在阀门内部的流动状态由图中的箭头表示出液体将由 入口 RK进入，但只从出口 CKl流出，这样配合上游压力和出口 CKl管路中的文氏管，控制液 体处于小流量工况下工作，完成流量工况阶跃式调整。从以上原理可以看出，合理设计高压气体对衬套、阀芯的压力和弹簧力与行程的 大小，阀门能有效地进行流量的双工况阶跃式调节。3、如图3所示为控制结构形式C的阀门，实现该双工况流量控制的装置主要包括 阀体1、衬套2、阀芯3、阀盖4、垫片5、弹簧6、螺栓组件7和8、螺钉9。阀门有一个入口 RK 和两个出口 CK1、CK2，其中CK2出口在阀门的左侧垂直于纸面向里，具体位置用向上的虚线 示意性画出，内部有一个上游气体压力感应腔。通过计算，调整阀芯承压面积和弹簧的刚度 与变形量，当阀门气体腔感受到不同的上游气体压力时，阀芯的相对位置发生改变，从而改 变阀门两个出口的开闭状态，实现阀门的双工况阶跃式流量控制功能。控制结构形式C的阀门具体工作原理如下输送系统初始设计要求为上游储箱压力处于Pl = 6. 3MPa和P2 = 2. 5MPa两个 工况下，阀门根据储箱的两种压力工况调节液体过氧化氢流量分别为4. 5kg/s和2kg/s。其 中，阀芯与端盖配合面决定为压力敏感元件的面积，作用于阀芯上的压力合力方向向右，受
力面积A = 560mm2,为dl = 20讓，d2 = 33. 36mm的两圆面积之差。合力K = P2 *~{ 22- λ2)。
设计的弹簧自由高度为90mm，最小工作载荷Fl = 504，最大工作载荷F2 = 2240N,刚度系数 K = 56N/mm,弹簧合力 Fb = K*h。初始状态如图3A 此时气体腔为环境压力，弹簧预压缩9mm，弹簧力Fb = 504N方
5向左，在气体腔压力和弹簧力的共同作用下，合力向左。衬套和阀芯处于图中位置，阀门处 于关闭状态。工况一状态如图3B 0秒时，阀门气体腔开启，敏感元件感受储箱6. 3MPa的压力。 根据设计值，当储箱压力大于4MPa，阀门就能正常开启，阀芯向右移动距离为31mm，Fb = 2240N。此时，因为气体压力向右远大于设计值Fb，同时由于阀盖的限位作用，在工况一状态 下，阀芯向右运动31mm，两个出口同时打开。工况二状态如图3C 4秒后，输送系统转换工况，储箱压力开始减小降至2. 5MPa, 气体增压系统供气量和液体流出量处于动态平衡状态，能维持压力稳定。此时，在气体压力 和弹簧力的共同作用下阀芯左移，3. 5MPa时阀芯向右距离为26mm，开始关闭一个出口 CK2。 随着压力继续降低，阀芯继续左移，直至平衡在储箱压力2. 5MPa时，此刻为工况二，阀芯距 离左边极限位置的距离为16mm，Fb = 1400N。阀门左边的出口 CK2关闭，中间出口 CKl打 开，配合下游流量控制元件，完成工况转换。此种类型阀门配合上游不同工况下的气体压力，完成了大流量范围的双工况调 节。
权利要求
双工况阶跃式流量控制阀，主要结构包括阀体、衬套、阀芯、弹簧、气体压力感应腔、文氏管、阀盖及相应的密封圈等。其特征在于阀门控制结构的设计方法为计算弹簧力与行程的关系、设计气体压力感应腔的面积大小从而控制阀腔内气体压力、大气压力及相关摩擦力，利用上述力的合力使阀体、阀芯、衬套在不同工况时处于不同的相对位置，进而改变阀芯流量控制元件状态或改变阀门入口和出口的开启和关闭状态，达到双工况阶跃式流量调节的目的。
2.如权利要求1所述方法设计的具体控制结构形式A的双工况阶跃式流量控制调节 阀，其特征在于存在三个独立的气体压力感受腔，利用不同状态下阀体内所受控制力的不 同，使阀体、阀芯、衬套处于不同的相对位置，通过使用阀芯内两个不同喉径文氏管实现阀 门的双工况阶跃式流量控制功能。
3.如权利要求1所述方法设计的具体控制结构形式B的双工况阶跃式流量控制调节 阀，其特征在于存在三个独立的气体压力感受腔，利用不同状态下阀体三个气体腔内所受 控制力的不同，使阀体、阀芯、衬套处于不同的相对位置，通过控制两个阀门出口的开、闭状 态实现阀门的双工况阶跃式流量控制功能。
4.如权利要求1所述方法设计的具体控制结构形式C的双工况阶跃式流量控制调节 阀，其特征在于只存在一个气体压力感受腔，利用不同状态下不同大小的气体压力，使阀 芯移动到不同相对位置，控制两个阀门出口的开、闭状态实现阀门的双工况阶跃式流量控 制功能。
全文摘要
双工况阶跃式流量控制阀及控制结构设计方法，属于液体火箭发动机或固液火箭发动机的推进剂流量控制领域。该装置主要结构包括阀体、衬套、阀芯、弹簧、气体压力感应腔、文氏管、阀盖及相应的密封圈等。阀门的控制结构的设计方法为计算弹簧力与行程的关系，设计气体压力感应腔的面积大小从而控制阀腔内气体压力、大气压力及相关摩擦力，利用上述力的合力使阀体、阀芯、衬套在不同工况时处于不同的相对位置，进而改变阀芯流量控制元件状态或改变阀门入口和出口的开启和关闭状态，达到双工况阶跃式流量调节的目的。
文档编号F02K9/72GK101915183SQ20101022375
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者俞南嘉, 曾鹏, 李君海, 蔡国飙, 陈涛 申请人:北京航空航天大学