CN112762220A - 一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置及开关方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置及开关方法，属于风洞实验技术领域，包括电气控制组件、气体管路、单向阀、多个电磁阀、阀心底座、支撑肋板、弹簧和可动锥台阀心，阀心底座通过支撑肋板固定安装于风洞入口处，阀心底座设置圆环凹腔，圆环凹腔与风洞同轴布置，通过在支撑肋板开有一通气孔，通气孔将驱动管路组件与圆环凹腔连通，气动执行组件内部设置可动锥台阀心，可动锥台阀心通过弹簧与圆环凹腔底部连接并沿圆环凹腔轴线往复水平运动，可动锥台阀心端面在风洞关闭时与渐缩段啮合密封并且开启时与所述阀心底座尖锥部分端面平齐。本发明提出的开关阀门装置可以减少高超声速暂充式大口径风洞与阀塞的损伤，提高使用寿命。

Description

一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置及开关方法

技术领域

本发明属于风洞实验技术领域，更具体地，涉及一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置及开关方法。

背景技术

在航空航天领域内的研究，一种新的原理或设计往往需要实验。实验一般有三种方法：数值模拟、风洞试验以及飞行试验。数值模拟耗资少、但模拟时所需的边界条件的设置往往不够准确导致无法模拟真实情况下的流动。飞行试验虽然能真实模拟现实的飞行情况但是耗资巨大，并且只能布置有限较少的传感器采集数据。相比前两种方法，风洞试验耗资居中。相较飞行试验，风洞试验可多次试验测量任意位置参数情况；相较数值模拟，风洞试验又能模拟更真实的情况。但在普通风洞中来流噪声较大，使试验不够准确，因此发展静风洞显得尤为重要。

静风洞试验一个重要的环节就是启动过程，目前主要的方式有破膜式启动与阀门开启式启动。前者启动方式是在风洞喷管进口或出口处布置一张塑料薄膜，当风洞充气压力大于薄膜破裂压力值时，薄膜突然破裂而启动静风洞，后者启动方式是在喷管进口或出口处布置一阀门，通过阀芯的快速开闭来启停静风洞。采用破膜启动方式启动将无法终止启动后的静风洞直至储气罐内的高压气体全部排空，使得试验能量消耗大、效率低，不适合大量型号试验需求。采用阀门启动方式启动会因启动过程缓慢使储气段内波系传播结构过于偏离激波管理论解，造成试验流场品质下降。

现有部分快开阀门已解决此问题，但此类快开阀门适用于小口径静风洞。如果将此应用于大口径静风洞，阀塞部门尺寸将呈几何式增长，质量也相应的增大。启停时，阀门阀塞碰撞在支撑装置或风洞收缩段壁面时会有较大损伤。随模型的复杂程度的增大，模型尺寸也在相应的增大，目前对大口径静风洞的需要与日俱增。因此，亟需解决大口径静风洞快开阀门质量较大的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置及开关方法，由此解决现有技术中应用于大口径风洞的快开阀门结构复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，该装置包括：气动执行组件、驱动管路组件和电气控制组件；其中，

所述气动执行组件同轴安装于风洞入口处，并通过支撑肋板固定于所述风洞的风洞管壁内表面，所述气动执行组件包括阀心底座、可动锥台阀心和若干弹性连接件；所述阀心底座将所述风洞分为储气段和渐缩段，所述阀心底座设有圆环柱凹腔，所述圆环柱凹腔与所述风洞管壁之间形成环形气流通道；所述可动锥台阀心设置于圆环柱凹腔内并通过所述弹性连接件连接于所述阀心底座；

所述驱动管路组件包括储气罐和若干气体管路，若干气体管路分别将所述储气罐与所述储气段、所述圆环柱凹腔连通；

所述电气控制组件设置于所述气体管路上，其用于控制所述气体管路的开通或闭合从而改变所述可动锥台阀心左右两侧的气压差以使所述可动锥台阀心贴合所述圆环柱凹腔内壁并沿所述风洞轴线方向水平往复运动，以实现阀门的打开或关闭。

优选地，所述可动锥台阀心的密封端面为导流曲面，且所述导流曲面形状与所述渐缩段处曲面形状相反布置，以使当所述阀门装置关闭时，所述可动锥台阀心的密封端面啮合于所述渐缩段的内表面。

优选地，所述阀心底座自左而右延伸形成尖锥部，当阀门装置打开时，所述可动锥台阀心的密封端面与所述尖锥部的端面齐平。

优选地，所述阀心底座的迎风面为锥形结构，其锥角为15°～60°。

优选地，所述支撑肋板设有多个，多个所述支撑肋板均匀分布于所述圆环柱凹腔；且多个所述支撑肋板中任意一个设有通气孔，用于连通所述气体管路与所述圆环柱凹腔。

优选地，所述支撑肋板的前后边缘均为楔形结构，其楔角为15°～60°。

优选地，所述可动锥台阀心与所述圆环柱凹腔之间通过O型密封圈密封。

优选地，所述气体管路具体包括：

第一支路，一端连接所述储气罐，另一端连接风洞的储气段；

第二支路，一端连接所述第一支路，另一端连接外部大气环境；

第三支路，一端连接所述第一支路，另一端连接所述圆环柱凹腔；

第四支路，一端连接所述第三支路，另一端连接外部大气环境。

优选地，所述电气控制组件具体包括：

第一电磁阀，设置于所述第三支路；

第二电磁阀，设置于所述第四支路；

第三电磁阀，设置于所述第一支路，并位于所述第一支路与所述第三支路连接处的前段；

第四电磁阀，设置于所述第一支路，并位于所述第一支路与所述第三支路连接处的后段和所述第一支路与所述第二支路连接处的前段之间；

第五电磁阀，设置于所述第二支路；

控制器，用于控制所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀，实现所述阀门装置的自动充气、排气和压力调节操作。

按照本发明的另一方面，提供了一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置的开关方法，该方法包括以下步骤：

初始时刻，第一电磁阀打开，第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀关闭；开启第三电磁阀对所述圆环柱凹腔充气，在所述可动锥台阀心与所述渐缩段紧密啮合后，开启第四电磁阀，对所述储气段进行充气直至目标压力；在储气段内压力达到目标压力±5％时关闭第四电磁阀停止充气；

风洞实验开始时，控制器控制关闭第一电磁阀，然后开启第二电磁阀，圆环柱凹腔内的气体经通气孔和第四支路排入外部大气环境中以迅速降低可动锥台阀心的背压，在可动锥台阀心左右两侧压力差的作用下，可动锥台阀心会快速往左运动从而开启风洞；

风洞实验结束时，控制器控制第二电磁阀关闭，然后开启第一电磁阀，储气罐内的高压气体经第三电磁阀、第一电磁阀和通气孔进入圆柱环凹腔使可动锥台阀心的背压逐渐升高，当可动锥台阀心的左侧压力大于右侧压力时，可动锥台阀心在压差作用下向右运动，直至与渐缩段啮合而停止风洞运行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的快速开关阀门装置通过电气控制组件控制多个安装在驱动管路组件的电磁阀以使驱动管路组件中的气体管路连通或闭合，从而改变可动锥台阀心左右两侧的气压差，进而在大口径风洞的启停时，可以控制可动锥台阀心左右移动从而实现阀门的快速开或关；而气动执行组件的可动锥台阀心的动作响应不受风洞口径的限制，可以广泛适用于大口径风洞。

2、本发明的快速开关阀门装置的可动锥台阀心采用薄壁大倒角圆环柱结构，相比于传统的中空带锥度阀门而言，减少了大量头部材质从而达到了减少质量的目的，使其碰撞在风洞渐缩段壁面时冲击减小，降低了对渐缩段壁面的损伤，提高使用寿命，减少维护费用。

3、本发明的快速开关阀门装置采用了较大弹性模量的弹簧连接阀心底座与可动锥台阀心，使阀心底座的受力从传统的冲击响应变为渐变响应，减少了可动锥台阀心对阀心底座的损伤，提高使用寿命，减少维护费用。

附图说明

图1是本发明面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中气动执行组件阀心底座和支撑肋板布置结构示意图；

图3是本发明面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置的开关方法流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：储气罐1；单向阀2；单向阀3；储气段4；阀心底座5；弹性连接件6；圆环柱凹腔7；可动锥台阀心8；渐缩段9；渐扩段10；通气孔11；支撑肋板12；风洞管壁13；第一电磁阀V1；第二电磁阀V2；第三电磁阀V3；第四电磁阀V4；第五电磁阀V5。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

如图1所示，本发明提出了一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，该装置包括气动执行组件、驱动管路组件和电气控制组件，其中：

气动执行组件包括阀心底座5、可动锥台阀心8和若干弹性连接件6。具体的，所述阀心底座5的迎风面为锥角15°～60°的导流锥形结构加向右延伸的圆柱体和直锥体组成，所述阀心底座5设有圆环柱凹腔7，所述圆环柱凹腔7通过所述支撑肋板12焊接与所述风洞管壁(13)的内表面上。

所述可动锥台阀心8为中空结构，所述可动锥台阀心8的内外表面分别贴合于所述直椎体和所述圆环柱凹腔7设置，从而可以沿风洞轴线方向上并在所述阀心底座5的限位下左右往复运动。

进一步地，所述可动锥台阀心8与所述圆环柱凹腔7之间通过O型密封圈密封，以保证所述圆环柱凹腔7内的气密性。

更进一步的说明，所述可动锥台阀心8为薄壁大倒角圆环柱结构，所述可动锥台阀心8的一端通过所述弹性连接件6连接于所述阀心底座5，以使所述可动锥台阀心8在左右移动时不会直接接触阀心底座或风洞管壁，避免器件之间碰撞造成损坏。优选地，本发明的实施例中，所述弹性连接件6为弹簧，具体为具有较大弹性模量的弹簧。

可动锥台阀心8的另一端为密封端，其密封端面为导流曲面，且所述导流曲面形状与所述渐缩段9处曲面形状相反布置。优选地，所述密封端包括但不限于铜、铝等娇软金属材料，但需要保证其硬度小于所述渐缩段9的硬度。优选地，所述密封端端面形状可以为锥面或凹凸面，只要与所述渐缩段9型面啮合密封即可。

当阀门装置关闭时，所述可动锥台阀心8的密封端面啮合于所述渐缩段9的内表面。

当阀门装置打开时，所述可动锥台阀心8的密封端面与所述尖锥部的端面齐平。

更进一步的说明，所述支撑肋板12设有多个，多个所述支撑肋板12均匀分布于所述圆环柱凹腔7；且多个所述支撑肋板12中任意一个设有通气孔11，用于连通所述气体管路与所述圆环柱凹腔7。

如图2所示，本发明的一个具体实施例中，所述支撑肋板12设有三个，且所述支撑肋板12之间的夹角为120°。

其中，有且只有一个支撑肋板12设有通气孔11，所述通气孔11将圆环柱凹腔7与风洞外连通。

进一步地，所述支撑肋板的前缘与后缘均设计为楔形，并且楔角为15°～60°。作为最优选的实施例，所述楔角为15°～30°。

本发明中所述驱动管路组件包括储气罐1和若干气体管路，具体气体管路分布及连接方式如图1所示，其中：

包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路的一端连接于所述储气罐1，其另一端连接于风洞的储气段4；所述第二支路的一端连接于所述第一支路，其另一端连接于外部大气环境；所述第三支路的一端连接于所述第一支路，其另一端连接于所述圆环柱凹腔7,；所述第四支路的一端连接于所述第三支路，其另一端连接于外部大气环境。

本发明中所述电气控制组件包括第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4、第五电磁阀V5和控制器，具体电磁阀的分布如图1所示，其中：

所述第一电磁阀V1设置于所述第三支路上；所述第二电磁阀V2设置于所述第四支路上；所述第三电磁阀V3设置于所述第一支路上，并且位于所述第一支路与所述第三支路连接处的前段；所述第四电磁阀V4也设置于所述第一支路上，并且位于所述第一支路与所述第三支路连接处的后段和所述第一支路与所述第二支路连接处的前段之间；所述第五电磁阀V5设置于所述第二支路上。

第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4和第五电磁阀V5均由所述控制器控制其打开与关闭。

优选地，第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4和第五电磁阀V5型号、参数相同，并且电磁阀的响应时间均不大于10ms，承受压力和温度不低于所述储气段内气体的压力和温度。

在第一支路上的所述第三电磁阀V3的前后两端还设有单向阀2和单向阀3。单向阀2和单向阀3不由控制器控制，而是由操作人员手动控制，用于在紧急情况下对气体管路进行关闭，在风洞实验过程中，所述单向阀2和单向阀3保持常开的状态。

下面通过具体实施例来解释本发明的技术方案：

如图1和图2所示，在对暂充式高超声速大口径风洞进行快速开停车操作时，采用本发明所提出的快速开关阀门装置执行。

具体的，在所述储气段4和所述渐缩段9之间同轴安装一气动执行组件，包括阀心底座5、支撑肋板12和可动锥台阀心8，所述可动锥台阀心8嵌入圆环柱凹腔7中并沿所述圆环柱凹腔7内壁面做往复运动，所述支撑肋板12和所述阀心底座5的相对位置如图2所示，各支撑肋板12间的夹角为120°，所述支撑肋板12顶端与风洞管壁13焊接固定安装，在所述阀心底座5和风洞管壁13形成一环形气流通道。在其中一个支撑肋板12上开有通气孔11，使气动执行组件内设置的圆环柱凹腔7与驱动管路组件部分相连通。大口径风洞外部的驱动管路组件包括四个分支，高压气体至储气罐1经单向阀2，第三电磁阀V3和第四电磁阀V4后一路直接进入所述储气段4，另一路经单向阀3和第一电磁阀V1进入圆环柱凹腔7，在第四电磁阀V4,下游和储气段4入口上游之间设有第二支路并安装有第五电磁阀V5，在第一电磁阀V1下游和通气孔11入口上游设有第四支路并安装有第二电磁阀V2。

如图3所示，本发明的另一个实施例提出了一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置的开关方法，该方法包括以下步骤：

S100，初始时刻，第一电磁阀V1打开，第二电磁阀V2、第三电磁阀V3、第四电磁阀V4和第五电磁阀V5关闭；开启第三电磁阀V3对所述圆环柱凹腔7充气，在所述可动锥台阀心8与所述渐缩段9紧密啮合后，开启第四电磁阀V4，对所述储气段4进行充气直至目标压力；在储气段内压力达到目标压力±5％时关闭第四电磁阀V4停止充气。

S200，风洞实验开始时，控制器控制关闭第一电磁阀V1，然后开启第二电磁阀V2，圆环柱凹腔7内的气体经通气孔11和第四支路排入外部大气环境中以迅速降低可动锥台阀心8的背压，在可动锥台阀心8左右两侧压力差的作用下，可动锥台阀心8会快速往左运动从而开启风洞。

延迟一定实验时间后(通常为几十毫秒)，

S300，风洞实验结束时，控制器控制第二电磁阀V2关闭，然后开启第一电磁阀V1，储气罐1内的高压气体经第三电磁阀V3、第一电磁阀V1和通气孔11进入圆柱环凹腔7使可动锥台阀心8的背压逐渐升高，当可动锥台阀心8的左侧压力大于右侧压力时，可动锥台阀心8在压差作用下向右运动，直至与渐缩段9啮合而停止风洞运行。

若风洞储气段4内的压力略大于或者略小于目标压力时，还可通过下述方法进行调节，具体为：

若储气段4内的压力略大于目标压力时，控制器控制第五电磁阀V5的开启进行微调放气；若储气段4内的压力略小于目标压力时，控制器控制第四电磁阀V4的开启进行微调充气，重复这两步直至储气段内的压力达到目标控制精度。

由于考虑到对储气段进行加热会引起气体压力的提高，也可控制第五电磁阀V5的开启进行微调放气，避免储气段内气体超压。

本发明通过使气流流程围绕着可动锥台阀心，通过所述电气控制组件控制设置于驱动管路组件的部分电磁阀的综合调控将气动执行组件的可动锥台阀心的快速移动转换为可动锥台阀心背压的升降操作，而气动执行组件的可动锥台阀心的动作响应不受储气段直径的限制，在保证阀门开启速度的情形下，对超声速暂冲式风洞的口径具有良好的适应性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，该装置包括：气动执行组件、驱动管路组件和电气控制组件；其中，

所述气动执行组件同轴安装于风洞入口处，并固定于所述风洞的风洞管壁(13)内表面，所述气动执行组件包括阀心底座(5)和可动锥台阀心(8)；所述阀心底座(5)将所述风洞分为储气段(4)和渐缩段(9)，所述阀心底座(5)设有圆环柱凹腔(7)，所述圆环柱凹腔(7)与所述风洞管壁(13)之间形成环形气流通道；所述可动锥台阀心(8)设置于圆环柱凹腔(7)内并连接于所述阀心底座(5)；

所述驱动管路组件包括储气罐(1)和若干气体管路，若干气体管路分别将所述储气罐(1)与所述储气段(4)、所述圆环柱凹腔(7)连通；

所述电气控制组件设置于所述气体管路上，其用于控制所述气体管路的开通或闭合从而改变所述可动锥台阀心(8)左右两侧的气压差以使所述可动锥台阀心(8)贴合所述圆环柱凹腔(7)内壁并沿所述风洞轴线方向水平往复运动，以实现阀门的打开或关闭。

2.根据权利要求1所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述可动锥台阀心(8)的密封端面为导流曲面，且所述导流曲面形状与所述渐缩段(9)处曲面形状相反布置，以使当所述阀门装置关闭时，所述可动锥台阀心(8)的密封端面啮合于所述渐缩段(9)的内表面。

3.根据权利要求2所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述阀心底座(5)自左而右延伸形成尖锥部，当阀门装置打开时，所述可动锥台阀心(8)的密封端面与所述尖锥部的端面齐平。

4.根据权利要求1或3所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述阀心底座(5)的迎风面为锥形结构，其锥角为15°～60°。

5.根据权利要求4所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，还包括多个支撑肋板(12)，多个所述支撑肋板(12)均匀分布于所述圆环柱凹腔(7)；且多个所述支撑肋板(12)中任意一个设有通气孔(11)，用于连通所述气体管路与所述圆环柱凹腔(7)。

6.根据权利要求5所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述支撑肋板(12)的前后边缘均为楔形结构，其楔角为15°～60°。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述气动执行组件还包括若干弹性连接件(6)，所述弹性连接件(6)用于连接所述可动锥台阀心(8)与所述阀心底座(5)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述气体管路具体包括：

第一支路，一端连接所述储气罐(1)，另一端连接风洞的储气段(4)；

第二支路，一端连接所述第一支路，另一端连接外部大气环境；

第三支路，一端连接所述第一支路，另一端连接所述圆环柱凹腔(7)；

第四支路，一端连接所述第三支路，另一端连接外部大气环境。

9.根据权利要求8所述的一种面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置，其特征在于，所述电气控制组件具体包括：

第一电磁阀(V1)，设置于所述第三支路；

第二电磁阀(V2)，设置于所述第四支路；

第三电磁阀(V3)，设置于所述第一支路，并位于所述第一支路与所述第三支路连接处的前段；

第四电磁阀(V4)，设置于所述第一支路，并位于所述第一支路与所述第三支路连接处的后段和所述第一支路与所述第二支路连接处的前段之间；

第五电磁阀(V5)，设置于所述第二支路；

控制器，用于控制所述第一电磁阀(V1)、第二电磁阀(V2)、第三电磁阀(V3)、第四电磁阀(V4)和第五电磁阀(V5)，实现所述阀门装置的自动充气、排气和压力调节操作。

10.一种基于权利要求9所述的面向大口径风洞应用的快速开关阀门装置的开关方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

初始时刻，第一电磁阀(V1)打开，第二电磁阀(V2)、第三电磁阀(V3)、第四电磁阀(V4)和第五电磁阀(V5)关闭；开启第三电磁阀(V3)对所述圆环柱凹腔(7)充气，在所述可动锥台阀心(8)与所述渐缩段(9)紧密啮合后，开启第四电磁阀(V4)，对所述储气段(4)进行充气直至目标压力；在储气段(4)内压力达到目标压力±5％时关闭第四电磁阀(V4)停止充气；

风洞实验开始时，控制器控制关闭第一电磁阀(V1)，然后开启第二电磁阀(V2)，推动可动锥台阀心(8)会快速往左运动从而开启风洞；

风洞实验结束时，控制器控制第二电磁阀(V2)关闭，然后开启第一电磁阀(V1)，推动可动锥台阀心(8)在压差作用下向右运动，直至与渐缩段(9)啮合而停止风洞运行。

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