球形调节阀门流量特性试验研究

2022-07-09郑小漪

电子技术与软件工程 2022年9期

关键词：球阀调节阀开度

郑小漪

（航空工业南京机电液压工程研究中心航空机电系统综合航空科技重点实验室江苏省南京市 211106）

1 引言

球形阀门在各类航空器中使用较多，结构紧凑、操作方便、转换时间较多，密封可靠且维修方便，尤其在飞机液冷系统中，通过球阀的不同开度开控制冷却液流量，从而达到不同调节模式的目的。

调节球阀是飞机液冷系统的重要设备，主要用于根据电子战不同的工作状态调节管道中冷却液的切断、节流和流量调节，该调节阀流量特性直接影响系统的正常工作和安全运行。

前期设计和研制过程中，多数采用数值模拟的方法对阀门调节特性进行计算和验证，但这要求建立准确的数学模型和边界条件，即使模拟条件充分接近实物真实参数，数值模拟结果的可靠性仍需试验或实践的验证。

本文通过对一型调节球阀的流量特性进行试验研究，得到了不同开度下阀门的“流量——压力”曲线；同时，通过计算得出流量系数并分析流量能力，结果表明，阀门设计满足液冷系统使用需求，可用于指导液冷系统根据工作模式选择合适的开度，对后期该类型的液冷阀设计提供指导价值。

2 调节球阀简介

2.1 调节阀特性

调节阀的主要功能有：调节性能、密封性能、耐温性能、耐压性能和耐腐蚀性能等。

2.1.1 调节性能

调节性能包括流量特性和流量系数。其中，流量特性指调节阀的开度与流量之间的对应关系，“开度—流量”曲线作为阀门选型的重要依据，能够反映调节阀调节品质的好坏。流量系数与阀门通径直接相关，显示阀门的流通能力，该系数越大，则代表阀门的调节性能越好。

2.1.2 密封性能

密封性能通常包括内部泄漏和外部泄漏，是阀门质量优劣的重要性能指标，主要为阀门与连接管道的密封结构、阀门轴部位的密封结构及阀门球体或阀瓣与壳体的密封结构。因此，阀门的密封设计同样重要，防止密封失效而导致的泄漏问题。

2.1.3 耐温性能

满足不同温度工况下阀门的静强度和耐温性能，温度的较大时会降低阀体材料的强度，选材方面需满足阀的介质工作温度变化范围要求，以满足阀门在工作温度下有强度和安全性。

2.1.4 耐压性能

耐压性能同样反映阀门的强度和安全性指标，即在规定工作压力下介质不能通过密封处和阀体处向外泄漏。通常，按照交付时的1.5 倍公称压力来作为试验要求。对有高压介质要求的阀门尽量选择锻件结构，如铸铁阀的耐压强度是较低的，可选用铸钢阀用于高压工作环境。

2.1.5 耐腐蚀性能

耐腐蚀性能即阀门抵抗介质腐蚀和冲蚀的能力，以提高阀的使用寿命。在阀门使用过程中，受到高温高湿、霉菌、盐雾和酸性大气等恶劣环境侵蚀，阀体材料将被腐蚀。选用耐腐蚀材料，并通过表面防护层（如表面处理、喷耐腐蚀漆层等）来提升材料抵抗腐蚀的性能。解决的途径是选用耐磨的材料，表面增加镀层以保护材料机体不受环境因素腐蚀等措施，尤其对高温、高压阀和使用环境较为恶劣的阀门，为保证长期可靠工作，耐腐蚀性设计尤为重要。

2.2 调节阀选型

2.2.1 结构形式的选择

调节阀的结构选择，依据介质工况（如温度、压力、流量等）、介质属性（如粘度、腐蚀性、有无毒害等）以及系统对调节流量、泄漏量、噪音等要求进行选型和设计。在实际工程应用中，蝶式阀门、球体阀门、套筒式阀门等使用最为广泛。在低流量、小压差、高泄漏量要求的使用场合下，一般选择蝶阀即可；而在高流量、大压差、泄漏量要求不严格的情况下，优先选择球阀；另外，电磁类套阀可在压差范围较大、快速响应等场合选用。

2.2.2 流量特性的选定

调节阀的流量特性是指工作介质通过阀门的相对流量和阀门的相对开度之间的关系，即：

q/q=f（l/l）

式中，q/q——阀门在一定开度下的流量与全开时流量之比；

l/l——阀门在一定开度下的位置度与全开时位置度的比。

调节阀的流量特性分为以下四种：

（1）线性流量特性：

线性流量特性是指相对位置度与相对流量成直线的线性关系。单位位置度的变化对应的流量变化是一定值。流量较大时，流量相对值的变化量较小，流量较小时，则流量相对值的变化量较大。

（2）抛物线流量特性：

抛物线流量特性是指阀门流量与位置度的平方成正比，相当于线性特性和等百分比特性的中间范围。

（3）等百分比流量特性：

等百分比流量特性的相对位置度和相对流量为非线性关系，在每一点位置度上，单位位置度变化时对应流量的变化值与此点的流量成正比关系，即阀门流量变化的百分比为等值。因此，当阀门流量较小时，流量变化范围较小；而当流量较大时，则流量变化也同样较大。

（4）快开流量特性：

快开流量特性的定义为阀门在小开度时流量较大,随着开度不断增加,流量能够快速调节至最大值。在流量快速调节和响应的场合广泛应用。

综合上述分析，可以得出以下选型依据：

（1）相比于线性流量特性和抛物线流量特性，等百分比特。

（2）性的调节性能较优，且调节稳定性能好。

（3）在实际工程中,如压差变化小、流量调节范围小、开度变化小时，可选择直线流量特性的调节阀。

（4）针对不同使用环境和工况要求，选择合适的流量调节特性。

2.2.3 调节阀通径的选定

μ 值法做为调节阀通径最常用的选定方法，即流通能力法。已知阀门使用工况和调节性能要求，同时考虑阀门的结构型式和流量特性，根据流量系数μ 的计算公式，由阀门最大流量可得出调节阀的最大流量系数——μ值；参照标准阀门的额定μ值，选出与μ相近的μ值，即可选取满足使用要求的调节阀通径值。

初步选定通径值后，开展阀门流阻和开度的计算与试验验证工作,最大流量下调节阀开度应低于 90%, 最小流量下开度应高于15%，从而最终确定阀门通径值。

2.2.4 调节阀材料的选择

调节阀材料的选择包括：阀门壳体、连杆、轴套、阀芯及阀座等零件的材料选择；轴、阀芯等密封结构材料的选择。阀门壳体为耐压装置，应选用能承受一定温度、压力和腐蚀性要求的材料；连杆、轴套、阀芯及阀座等阀内零件具有支撑和节流作用，通常选用耐腐蚀、耐冲刷的材料；阀的轴密封和阀芯密封结构根据所用介质工况（温度、压力等），在保证密封要求的同时选择耐使用工况的材料，以保证使用时的密封性和可靠性要求。

因此，调节阀材料选择遵循的两个大原则是：

（1）为阀门安全可靠工作，需根据介质要求，选用耐高低温、耐压力、耐冲击以及耐腐蚀的材料；

（2）在满足使用要求的基础上，阀门功能性能、使用寿命和经济性等因素的考虑也不可或缺。

2.3 结构及工作原理

调节球阀主要由电动机构驱动球阀组件工作，球阀组成图见图1，主要由壳体、方轴、密封环、球体、接头、波形弹簧及定位螺钉等组成。当电动作动机构接收到机电管理计算机的控制信号后，驱动球阀转动，改变阀门的流通面积，达到冷却液流量调节的目的。同时，机电管理计算机通过调节球阀的位置反馈电位器测量球阀开度，供系统控制使用。

图1：球阀组成图

2.4 主要技术参数

调节球阀主要技术参数详见表1。

表1：调节球阀主要参数表

3 试验方案

3.1 试验系统介绍

调节球阀在不同开度下的“流量——流体阻力”试验条件如下：

（1）环境温度：室温。

（2）工作介质：具备不劣于8 级（GJB 420B-2006 规定）污染度的65 号冷却液。

（3）试验设备：压力传感器、压差变送器、流量调节器、泵及流量调节阀等，如图2 所示。

图2：试验原理图

其中，贮液箱用于储存符合要求的号65 冷却液；管道泵提供管道内一定压力的循环冷却液；通过流量调节阀调节进入阀门冷却液的规定流量；流量计用于计量管道冷却液流量；压力传感器计量阀门进口和出口冷却液压力；压力变送器可读出阀门的流体阻力。

3.2 试验工况

按阀门开度为11.7°、17.1°、29°及33°，流量为400L/h、500L/h、600L/h、700L/h、800L/h、900L/h、1000L/h、1100L/h 及1200L/h 的工况，对调节球阀流体阻力进行测量。

3.3 试验过程

试验步骤如下：

（1）按照图2 所示试验原理，连接试验仪表、仪器及管道。

（2）将调节球阀与液冷系统试验台连接，通常温绝对压力为1.00MPa 的 65 号冷却液，将球阀开度调至11.7°、17.1°、29°及33°，分别测量流量为400L/h、500L/h、600L/h、700L/h、800L/h、900L/h、1000L/h、1100L/h 及1200L/h 的流体阻力。