CN102278158B - 一种三相控制高频可调旋转阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三相控制高频可调旋转阀，包括阀体、设置在阀体中心的凸轮机构和阀芯、电机、设置在阀体上的执行机构以及设置在阀体上的掺混雾化室，掺混雾化室设置在阀芯出口，凸轮机构包括与电机输出端连接的连接杆、设置在连接杆上至少两个不同相位的凸轮，至少两个顶杆以及设置在顶杆一端的钢珠，执行机构包括设置在阀体上的至少两个阀门，阀门开启后均与阀芯连通，凸轮依次通过钢珠、顶杆驱动阀门开、合。本发明克服现有控制电磁阀门在频响特性和流量特性等方面的不足之处，提供一种响应快、流量大的三相控制旋转阀。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲爆震发动机推进剂控制阀门，特别是高频快响应三相控制旋转阀，用于脉冲爆震发动机氧化剂、燃料和隔离介质的供应与切断，以及流量的控制。
背景技术
旋转阀主要应用于脉冲爆震发动机(PDE)试验系统，以实现系统中对燃料、氧化剂和隔离气体三种介质的高频间歇供应，对于提高爆震工作循环频率对优化发动机性能有非常重要的意义。在使用电磁阀控制的脉冲供应系统中，由于受到电磁阀和点火频率限制，使发动机爆震频率小于50Hz。而使用旋转阀的供应系统中，能够保证发动机的最大工作频率为60Hz-120Hz。脉冲爆震发动机(PDE)系统设计要求各路阀门工作频率不小于60Hz，工作介质为：煤油/氧气/氮气三种；工作压力分别为1.0/1.7/2.1MPa(表压)；工作流量：当频率为60Hz时，氧气和氮气的平均流量不低于200g/s，瞬时流量不小于600g/s；煤油的平均流量不低于50g/s，瞬时流量不小于150g/s，系统要求频率高、流量大，传统电磁阀难以满足要求。
旋转阀采用空冷交流(AC220V)伺服电机带动凸轮机构旋转，从而驱动滚珠滚动，并产生各阀芯轴向位置变化，进而使各阀芯能够打开和关闭。电机转动1周，各路阀芯工作2次，响应频率为120Hz。通过二阶凸轮驱动实现了将电机工作频率增频的效果。电机也可以实现凸轮相位的准确控制和位置反馈，并提供点火信号，并实现额定工作频率以下的连续调节，满足脉冲爆震发动机工作要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对脉冲爆震发动机系统对阀门控制组件的工作要求，克服现有控制电磁阀门在频响特性和流量特性等方面的不足之处，提供一种响应快、流量大的三相控制旋转阀。
本发明的技术解决方案是：
一种三相控制高频可调旋转阀，包括阀体、设置在阀体中心的凸轮机构和阀芯、电机、设置在阀体上的执行机构以及设置在阀体上的掺混雾化室，所述掺混雾化室设置在阀芯出口，
所述凸轮机构包括与电机输出端连接的连接杆、设置在连接杆上至少两个不同相位的凸轮，至少两个顶杆以及设置在顶杆一端的钢珠，
所述执行机构包括设置在阀体上的至少两个阀门，所述阀门开启后均与阀芯连通，
所述凸轮依次通过钢珠、顶杆驱动阀门开、合。
上述执行机构包括第一阀门、第二阀门以及第三阀门三个阀门，所述第一阀门和第二阀门对称设置在阀体两侧，所述第三阀门设置在阀体上并与第一阀门和第二阀门不同相位，所述第一阀门、第二阀门以及第三阀门开启后均与阀芯入口连通，
所述凸轮机构包括与电机输出端连接的连接杆、设置在连接杆上的第一凸轮和第二凸轮、第一顶杆、第二顶杆、第三顶杆、第一钢珠、第二钢珠以及第三钢珠，所述第一凸轮和第二凸轮之间沿连接杆设置有高度差，所述第一凸轮驱动第一阀门和第二阀门，所述第二凸轮驱动第三阀门，所述第一顶杆的一端固定在第一阀门上，所述第一顶杆的另一端上设置有第一钢珠，所述第一钢珠与第一凸轮可接触作用，所述第二顶杆的一端固定在第二阀门上，所述第二顶杆的另一端上设置有第二钢珠，所述第二钢珠与第一凸轮可接触作用，所述第三顶杆的一端固定在第三阀门上，所述第三顶杆的另一端上设置有第三钢珠，所述第三钢珠与第二凸轮可接触作用。
上述第三阀门和第一阀门相位差为0-90度。
上述第一阀门控制氧化剂路，所述第二阀门控制燃料路，所述第三阀门控制隔离路。
本发明与现有控制阀门相比具有以下优点：
1、本发明旋转阀采用交流伺服电机驱动凸轮转动，凸轮的升降程带动主阀芯的启动和关闭，实现三路同时控制，氧化剂路和燃料路的工作相位相同，隔离路工作相位处于推进剂路的打开和关闭之间，推进剂供应到喷注器中进行掺混和雾化，再供应到点火器腔进行点火燃烧，通过采用二阶凸轮机构，使每种阀芯在电机转动一周时间内可以打开和关闭工作各2次，将工作频率放大1倍，实现了响应特性的增频效果。
2、本发明通过电机旋转驱动凸轮转动实现各个阀门的开合，响应快，工作频率可以达到60-120Hz。
3、本发明通过设置阀门和阀门之间的角度(0-90度)以及电机输出频率(0-120Hz)，可以满足旋转阀的可操作性和可控制性，从而便于研究性试验参数调节。
4、本发明除用于脉冲爆震发动机推进剂控制外，改型的旋转阀也可作为其它高频双组元发动机的控制阀。另外，根据旋转阀的工作特点，它还可以被应用于发动机需要多路(三相)脉冲工作的供应系统中，也可以用于有类似工作要求的试验系统和机械设备中，其大流量高频工作特性具有明显的技术优势。
附图说明
图1是本发明三相控制高频可调旋转阀结构示意图；
图2为图1的B-B视图；
图3为三路阀门的结构视图；
图4为掺混雾化室的结构示意图；
其中附图标记为：1-阀芯，2-复位弹簧，31-第一钢珠，32-第二钢珠，33-第三钢珠，4-滚动轴承，5-阀体，6-掺混雾化室，7-凸轮机构，71-第一凸轮，72-第二凸轮，8电机，91-第一顶杆，92-第二顶杆，93-第三顶杆。
具体实施方式
一种三相控制高频可调旋转阀，包括阀体、设置在阀体中心的凸轮机构和阀芯、电机8、设置在阀体上的执行机构以及设置在阀体上的掺混雾化室，掺混雾化室6设置在阀芯出口、连接螺钉、锁紧弹垫、转轴驱动连接键、止动键，密封垫片、顶杆、导向套、密封垫、内喷嘴、外喷嘴、密封圈、复位弹簧2。
实施例1：
如图1、图2、图3所示，执行机构包括第一阀门、第二阀门以及第三阀门三个阀门，第一阀门和第二阀门对称设置在阀体两侧，第三阀门设置在阀体上并与第一阀门和第二阀门不同相位，所述第一阀门、第二阀门以及第三阀门开启后均与阀芯入口连通，凸轮机构包括与电机输出端连接的连接杆、设置在连接杆上的第一凸轮和第二凸轮、第一顶杆、第二顶杆、第三顶杆、第一钢珠、第二钢珠以及第三钢珠，第一凸轮和第二凸轮之间沿连接杆设置有高度差，所述第一凸轮驱动第一阀门和第二阀门，第二凸轮驱动第三阀门，第一顶杆的一端固定在第一阀门上，所述第一顶杆的另一端上设置有第一钢珠，第一钢珠与第一凸轮可接触作用，第二顶杆的一端固定在第二阀门上，第二顶杆的另一端上设置有第二钢珠，第二钢珠与第一凸轮可接触作用，第三顶杆的一端固定在第三阀门上，第三顶杆的另一端上设置有第三钢珠，所述第三钢珠与第二凸轮可接触作用。第三阀门和第一阀门相位差为0-90度，第一阀门控制氧化剂路，第二阀门控制燃料路，第三阀门控制隔离路。
通过驱动电机8高速旋转，由转轴驱动连接键带动第一凸轮71，第二凸轮72从而带动凸轮上的变行程型面驱动钢珠，钢珠的转动和在导向套内的直线运动带动了顶杆(第一顶杆91、第二顶杆92和第三顶杆93)，顶杆的直线运动驱动阀门的开启和关闭。当钢珠运动到凸轮的低点时，阀门在复位弹簧2的作用下关闭，当钢珠运动到凸轮的高点时，阀门打开。三处阀门(氧气路、煤油路和氮气路)中氧气路阀门和煤油路阀门由同一阶凸轮控制，具有相同的工作相位和工作频率；氮气路阀门由二阶凸轮的另一阶控制，氮气路和煤油路阀门的工作相位相差60°，工作频率相同。氧气路阀门和煤油路阀门打开时，氮气路阀门关闭，氧气路和煤油路阀门关闭时，氮气路阀门打开，两者交替开启和关闭。当氧气路阀门和氮气路阀门打开后，氧化剂和燃料通过阀后通道进入旋流式同轴喷嘴和内，经特殊喷嘴结构后，在内喷嘴和外喷嘴的出口处交汇、掺混，并在外喷嘴的出口腔内掺混雾化，然后进入爆震管的燃烧室内进行点火燃烧，生成高温高速燃气流喷出产生推力。各密封垫片和密封圈在结构中起密封介质的作用。连接螺钉将驱动电机和阀体连接在一起，并进行固定，锁紧由锁紧弹垫保证。锁紧螺钉将外喷嘴与阀体锁紧定位，防止工作过程中的松动。二阶凸轮通过滚动轴承4压紧在阀体上，滚动轴承可以减少二阶凸轮的转动摩擦力，提高驱动安全性及凸轮寿命。三路介质由于流量不同，所以其接管嘴入口通径不同，煤油路的小，氧气路和氮气路相同。由于三种介质的工作压力不同，因此要求其复位和密封弹簧力不同，弹簧调整垫可以满足在相同其它结构的情况下，调整出满足不同路安装力需要的弹簧力来。驱动电机由其专配的驱动器及控制软件进行控制，可以根据系统工作需要调整电机转动频率，实现旋转阀工作频率的可调性。
实施例2：
执行机构可以是多个阀门，3个、4个或5个等，根据控制需要增减阀门的数量，凸轮机构中的凸轮也可以是多个，2个、3个或4个等，根据需要增减凸轮的数量，基于本发明的结构，可以实现两元、三元或者多个元的掺混。
本发明的工作原理是：采用电机带动凸轮，凸轮驱动三路阀门打开关闭工作的结构设计，实现旋转阀三相固定相位的同步驱动控制；通过二阶凸轮驱动，使每种阀芯在电机转动一周时间内可以打开和关闭工作各两次，单路阀芯工作响应频率是电机驱动响应频率的两倍，从而实现电机工作频率的放大，实现旋转阀的高频响应；通过旋流式气-液同轴喷注器，将推进剂掺混雾化；推进剂关闭后，开启隔离路，隔离气体将阀后及燃烧室内残余推进剂吹除，避免长期积碳，降低发动机性能和工作寿命。
本发明的工作过程是：首先设定好工作频率和初始相位，然后启动控制程序，给电机通电。电机接到电信号(即点火信号)后，其中心轴在交流磁场力的驱动下顺时针启动旋转。中心轴通过金属键的连接带动凸轮转动，凸轮的升降程使阀芯顶杆开启和关闭。阀芯开启后两路推进剂进入旋流式同轴喷注器后完成掺混和雾化，再进入燃烧室在点火器点火后燃烧，产生高速高温气流，喷出发动机喷管产生推力。在推进剂关机和点火之间，旋转阀供应隔离氮气，将燃烧残余物吹除，也实现了燃烧室及控制阀的冷却降温。
应用于某脉冲爆震发动机系统的实施实例如下：
在基于发动机技术的某脉冲爆震发动机系统中，三相控制高频可调旋转阀作为推进剂供应/控制单元的组件，根据控制指令，旋转阀推进剂路打开后向喷注器和燃烧室供应推进剂。通过对打开时间的控制对推进剂流量进行控制。在推进剂路阀芯停止工作时，氮气隔离路阀芯打开，向燃烧室供应隔离氮气吹除燃烧剩余物，减少积碳。通过调整控制程序，可实现旋转阀工作频率的变化；通过改变凸轮机构的阶数和相位设计，可以实现三路相位的调节与推进剂供应时间的调整。
经理论分析和试验研究表明，该三相控制高频可调旋转阀可以满足脉冲爆震发动机工作的具体任务需求。
本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离权利要求所界定结构的情况下进行各种增补、改进、更换和拓展应用，因此，本发明是广泛的。
Claims (4)
1.一种三相控制高频可调旋转阀，其特征在于：包括阀体、设置在阀体中心的凸轮机构和阀芯、电机、设置在阀体上的执行机构以及设置在阀体上的掺混雾化室，所述掺混雾化室设置在阀芯出口，
所述凸轮机构包括与电机输出端连接的连接杆、设置在连接杆上至少两个不同相位的凸轮，至少两个顶杆以及设置在顶杆一端的钢珠，
所述执行机构包括设置在阀体上的至少两个阀门，所述阀门开启后均与阀芯连通，
所述凸轮依次通过钢珠、顶杆驱动阀门开、合。
2.根据权利要求1所述的三相控制高频可调旋转阀，其特征在于：
所述执行机构包括第一阀门、第二阀门以及第三阀门三个阀门，所述第一阀门和第二阀门对称设置在阀体两侧，所述第三阀门设置在阀体上并与第一阀门和第二阀门不同相位，所述第一阀门、第二阀门以及第三阀门开启后均与阀芯入口连通，
所述凸轮机构包括与电机输出端连接的连接杆、设置在连接杆上的第一凸轮和第二凸轮、第一顶杆、第二顶杆、第三顶杆、第一钢珠、第二钢珠以及第三钢珠，所述第一凸轮和第二凸轮之间沿连接杆设置有高度差，所述第一凸轮驱动第一阀门和第二阀门，所述第二凸轮驱动第三阀门，所述第一顶杆的一端固定在第一阀门上，所述第一顶杆的另一端上设置有第一钢珠，所述第一钢珠与第一凸轮可接触作用，所述第二顶杆的一端固定在第二阀门上，所述第二顶杆的另一端上设置有第二钢珠，所述第二钢珠与第一凸轮可接触作用，所述第三顶杆的一端固定在第三阀门上，所述第三顶杆的另一端上设置有第三钢珠，所述第三钢珠与第二凸轮可接触作用。
3.根据权利要求2所述的三相控制高频可调旋转阀，其特征在于：所述第三阀门和第一阀门相位差大于0度小于等于90度。
4.根据权利要求3所述的三相控制高频可调旋转阀，其特征在于：所述第一阀门控制氧化剂路，所述第二阀门控制燃料路，所述第三阀门控制隔离路。
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