CN107327604B - 一种具有流固耦合振动消除的减压阀设计方法及减压阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流固耦合振动消除的减压阀设计方法及减压阀，该设计方法具体过程为：步骤一、通过有限元软件建立减压阀流固耦合振动模型；步骤二、改变减压阀关键部件之间的阻尼比，使得敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75％至100％之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20％到50％之间，实现减压阀的设计。本发明设计的减压阀能够有效控制在各种进出气工况下的共振，具有实施简单与方便的效果。

Description

一种具有流固耦合振动消除的减压阀设计方法及减压阀
技术领域
本发明属于航天工程技术领域，具体涉及一种具有流固耦合振动消除的减压阀设计方法及减压阀。
背景技术
减压阀(如图2)是运载火箭地面供气系统中的一个关键单机。减压阀在工作时将气源的高压减低并稳定到所需的压力。当减压阀结构参数设计与实际工况不匹配、且进出口压力高、流量大、介质为氦气、氮气和空气等时，减压阀开阀瞬间极易发生流固耦合共振，进而引起整个系统发生强烈共振。由于减压阀振动属于流固耦合振动，其振动机理极其复杂，故对减压阀发生的流固耦合振动进行有效控制是非常困难的。
发明内容
本发明的目是提供一种具有流固耦合振动消除的减压阀设计方法及减压阀，利用该方法可以解决减压阀流固耦合振动消除问题。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种流固耦合振动消除的减压阀设计方法，具体过程为：
步骤一、通过有限元软件建立减压阀流固耦合振动模型；
步骤二、改变减压阀关键部件之间的阻尼比，使得敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75％至100％之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20％到50％之间，实现减压阀的设计。
进一步地，本发明所述敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比为75％，弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20％。
一种具有流固耦合振动控制功能的减压阀，其中所述减压阀的敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75％至100％之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20％到50％之间。
有益效果
本发明设计的减压阀能够有效消除在各种进出气工况下的共振，具有实施简单与方便的效果。
附图说明
图1为本发明设计方法的流程图；
图2为本发明实施方式的减压阀三维结构图；
图3为减压阀流固耦合振动有限元模型图；
图4至图6是第一种阻尼条件即敏感活塞与阀体之间运动阻尼比为5％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为0的三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动有限元计算的三阶模态；
图7至图9是第二种阻尼条件即敏感活塞与阀体之间运动阻尼比为75％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为0的三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动有限元计算的三阶模态；
图10至图12是第三种阻尼条件即敏感活塞与阀体之间运动阻尼比为75％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20％的三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动有限元计算的三阶模态。
图13为三种阻尼状态减压阀在开阀瞬时的三个减压阀进气口、出气口和调压腔附近测点振动加速度对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
设计原理：通过分析减压阀的工作原理，发现敏感活塞、阀芯和弹簧座是减压阀的关键运动部件，其中敏感活塞和弹簧座这两个关键部件与减压阀阀体之间的运动阻尼是可以改变的；再通过减压阀台架试验发现：在各种工况下减压阀发生共振的频率在75Hz至210Hz之间。基于上述分析本发明提出通过改变减压阀关键部件的运动阻尼比，从而控制减压阀开阀瞬间发生的流固耦合共振。
本发明提供一种具有流固耦合振动消除的减压阀设计方法，如图1所示，具体过程为：
步骤一、通过有限元软件建立减压阀流固耦合振动有限元模型，如图3所示。
步骤二、改变减压阀关键部件之间的阻尼比，使得敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75％至100％之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20％到50％之间，实现减压阀的设计。
本发明通过改变敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比(即摩擦系数)，使其数值从5％到100％之间变化，与此同时改变弹簧座与阀体之间的运动阻尼比(即摩擦系数)，使其数值从0到50％之间变化，计算各工况下减压阀流固耦合振动模态。分析减压阀流固耦合振动模态计算结果，结果表明当敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75％至100％之间变化，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比从20％到50％变化，可以实现减压阀流固耦合振动模态频率在210Hz以上，从而避免了减压阀在各种进出气工况下发生共振。
图4至图6是第一种阻尼状态即敏感活塞与阀体之间运动阻尼比为5％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为0的三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动有限元计算的三阶模态；其中图4为第一种阻尼状态减压阀在进气口压力＝9.5MPa、出气口压力＝1.7MPa工况下第一阶模态振型(模态频率为39.85Hz)；图5为第一种阻尼状态减压阀在进气口压力＝33MPa、出气口压力＝12MPa工况下第一阶模态振型(模态频率为77.14Hz)；图6为第一种阻尼状态减压阀在进气口压力＝35MPa、出气口压力＝24MPa工况下第一阶模态振型(98.61Hz)。
图7至图9是第二种阻尼状态即敏感活塞与阀体之间运动阻尼比为75％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为0的三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动有限元计算的三阶模态；图7为第二种阻尼状态减压阀在进气口压力＝9.5MPa、出气口压力＝1.7MPa工况下第一阶模态振型(175.25Hz)；图8为第二种阻尼状态减压阀在进气口压力＝33MPa、出气口压力＝12MPa工况下第一阶模态振型(203.32Hz)；图9为第二种阻尼状态减压阀在进气口压力＝35MPa、出气口压力＝24MPa工况下第一阶模态振型(205.21Hz)。
图10至图12是第三种阻尼状态即敏感活塞与阀体之间运动阻尼比为75％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20％的三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动有限元计算的三阶模态；图10为第三种阻尼状态减压阀在进气口压力＝9.5MPa、出气口压力＝1.7MPa工况下第一阶模态振型(451.15Hz)；图11为第三种阻尼状态减压阀在进气口压力＝33MPa、出气口压力＝12MPa工况下第一阶模态振型(472.62Hz)；图12为第三种阻尼状态减压阀在进气口压力＝35MPa、出气口压力＝24MPa工况下第一阶模态振型(488.33Hz)。
设计和制造以上三种阻尼状态的减压阀各三个；再用台架试验验证以上三种状态减压阀的减振效果，试验结果如图13所示三种阻尼状态减压阀在开阀瞬时的三个减压阀进气口、出气口和调压腔附近测点振动加速度对比；对以上三种状态的减压阀的振动试验结果进行对比，发现第三种状态即敏感活塞与阀体之间阻尼比为75％、弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20％在三种进、出气工况下减压阀流固耦合振动加速度较小，达到了减压阀振动控制的效果；而且与第一种阻尼状态的减压阀的振动试验结果相比，在减压阀高压腔入口处、低压腔出口处和调压腔处的振动加速度数值分别小52.71％、45.81％和30.24％，取得了良好的减振效果。
自此，就完成了/实现了流固耦合振动控制的减压阀的设计。
本发明一种具有流固耦合振动控制功能的减压阀，其中所述减压阀的敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75％至100％之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20％到50％之间。
本发明所述敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比为75％，弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20％。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种流固耦合振动消除的减压阀设计方法，其特征在于，具体过程为：
步骤一、通过有限元软件建立减压阀流固耦合振动模型；
步骤二、改变减压阀关键部件之间的运动阻尼比，所述运动阻尼比即摩擦系数，使得敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75%至100%之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20%到50%之间，实现减压阀的设计。
2.根据权利要求1所述流固耦合振动消除的减压阀设计方法，其特征在于，所述敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比为75%，弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20%。
3.一种具有流固耦合振动消除功能的减压阀，其特征在于，所述减压阀的敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比在75%至100%之间，且弹簧座与阀体之间的运动阻尼比在20%到50%之间，所述运动阻尼比即摩擦系数。
4.根据权利要求3所述具有流固耦合振动消除功能的减压阀，其特征在于，所述敏感活塞与阀体之间的运动阻尼比为75%，弹簧座与阀体之间的运动阻尼比为20%。
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