CN113944759B - 一种自沉积集成式热燃气两相分离流量调节阀 - Google Patents

一种自沉积集成式热燃气两相分离流量调节阀 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，调节阀内壁为防热冲蚀层；喷管内壁为防热层和防冲蚀层，防冲蚀层一端伸入调节阀壳体内，内壁形成喷管收敛段，外壁与调节阀的防热冲蚀层之间形成旋流腔体，旋流腔体底部形成沉积槽；防冲蚀层另一端连接防热层并与防热层形成喷管扩张段，阀杆一端为圆锥结构，伸入喷管收敛段并在驱动装置作用下轴向运动，调节喷管收敛段的气道横截面大小；调节阀壳体侧壁沿切向开有燃气通道，燃气通道内壁的防热内衬连接调节阀的防热冲蚀层，且燃气通道的开口与阀杆之间间隔有壳体的防冲蚀层。本发明结构简单，保证了阀杆端流量调节的精度，提高了热燃气阀门运行的可靠性，提高了空间利用率。

Description

一种自沉积集成式热燃气两相分离流量调节阀
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，主要涉及航空、航天的高温强冲刷两相工质流量调节阀。
背景技术
随着火箭推进技术的发展，固体火箭发动机以其结构简单、维护简单、可靠性高、贮存时间长与高机动性等优势逐渐成为各类战术、战略导弹动力装置的主要选择。
高比冲铝粉复合推进剂成为目前固体火箭发动机的主要推进工质，但其燃烧产物中存在有大量的凝相颗粒，铝粉固体颗粒在高温高压燃气的卷积下对喷管内型面产生严重的热力侵蚀与气动剥蚀，破坏了喷管内型面，部分铝粉粘附至阀芯与喷管内壁面，导致阀门密封副失效并影响到流量调节的稳定性，从而降低固体火箭姿轨控动力系统的准确性与稳定性。目前现有技术中，通常选取燃温较低无颗粒的低温推进剂来降低内喷管烧蚀与冲刷，同时采用高强度材料被动抵抗高温大流量热燃气的冲蚀，但依旧会造成内型面的破坏导致喷管效率低下。
目前针对热燃气的气固两相流分离器一般均为独立的分离装置，且其体积与占用空间较大，同时还需要考虑分离装置内壁面受高温高压热燃气的冲刷与烧蚀，可靠性不足，因此无法适用于需要轻质量、小型化的固体动力系统中。
发明内容
为了克服现有技术中姿轨控燃气调节阀内型面与针栓抗冲刷能力差、喉道粒子冲刷堵塞、工作可靠性差、密封性差、燃气流量调节能力差等不足，本发明提供一种自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，实现姿轨控燃流量调节阀工作精确可靠、耐冲刷、高精度调节、密封性能好、防堵塞等功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，包括调节阀、燃气通道、喷管和驱动装置。
所述调节阀的壳体为一端开口一端封闭的中控柱体，开口端固连喷管，壳体内壁为防热冲蚀层；所述喷管的壳体为两端开口的中空柱体，内壁为防热层和防冲蚀层，所述的防冲蚀层一端伸入调节阀壳体内，内壁形成喷管收敛段，外壁与调节阀的防热冲蚀层之间形成旋流腔体，旋流腔体底部形成沉积槽；防冲蚀层另一端连接防热层并与防热层形成喷管扩张段，所述的阀杆一端为圆锥结构，伸入喷管收敛段并在驱动装置作用下轴向运动，调节喷管收敛段的气道横截面大小；所述的调节阀壳体侧壁沿切向开有燃气通道，燃气通道内壁的防热内衬连接调节阀的防热冲蚀层，且燃气通道的开口与阀杆之间间隔有壳体的防冲蚀层。
所述燃气通道的防热内衬与调节阀的防热冲蚀层连接处在远离阀杆一侧相切，确保燃气平顺进入旋流腔体内。
所述的的燃气通道与旋流腔体具有相同的流道横截面。
所述燃气通道的流向轴线与调节阀中心线的法向垂直距离为所述te为喷管出口喉道直径，dp为阀杆外径。
所述喷管收敛段的进气口横截面面积
所述燃气通道内的横截面积所述t1表示1mm。
所述的调节阀壳体和喷管壳体均采用金属材质，内防热采用环形石墨圈密封，防止热燃气泄漏至金属内壁。
所述的阀杆包括耐冲刷段防热杆与传动力矩杆，耐冲刷段防热杆位于调节阀内，通过传动力矩杆连接驱动装置。
本发明的有益效果是：
1)本发明在内防热旋流耐冲蚀腔体内设计贴壁切向进口，使得高温热燃气由阀体侧方向进入阀内，流道截面圆相切于阀杆外缘端，避免了高温热燃气对阀杆的直接冲刷，较好地保留了阀杆外型面的线性完整性，保证了阀杆端流量调节的精度。
2)本发明在内防热旋流耐冲蚀腔体底部外侧设计有旋流沉积槽，含有颗粒的推进剂形成的高温热燃气由侧向流道进入阀体内，沿内壁面绕阀杆高速旋流，基于离心力将固相颗粒甩附至壁面并随气流以及重力作用掉落至外侧沉积槽内，分离气固两相流，保留气体介质流经喷管段喉道，极大地减弱了凝相、固体颗粒对喉道的冲刷，较好地保持了喷管气动内型面，提高了燃气阀流量调节的精度；同时沉积槽可以沉积过滤大量的凝相固体颗粒，使得过喉道燃气中固相颗粒减少，大大地降低了喉道堵塞的可能性，提高了热燃气阀门运行的可靠性。
3)本发明将气固两相旋流分离装置与高温燃气阀进行了高度集成，将喷管收敛段潜入阀体内腔，将喷管收敛段外侧作为沉积槽，阀杆作为旋流轴心，降低了空间尺寸，提高了空间利用率。
4)本发明结构简单，阀杆运动为直行程式线性调节，同时旋流沉积槽可保护阀杆不受侧向介质负载，保证了阀杆直线运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明的径向剖视图；
图2为本发明的轴向剖视图；
图中，1-喷管扩张段，2-喷管防热层，3-喷管金属外壳，4-喷管防冲蚀层，5-阀体旋流腔沉积槽，6-燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层，7-燃气流量调节阀金属壳体，8-阀杆，9-驱动装置，10-燃气流量调节阀金属壳体防热内衬通道，11-防热旋流耐冲蚀腔体燃气通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，包括调节阀旋流气固两相分离腔体、阀杆、喷管、沉积槽、流量调节驱动装置等。
所述调节阀旋流腔体包括燃气流量调节阀金属壳体、内防热旋流耐冲蚀腔体，其中燃气流量调节阀金属壳体分为防热内衬通道与金属腔体，内防热旋流耐冲蚀腔体分为旋流腔体与燃气通道。
所述阀杆包括耐冲刷段防热杆与传动力矩杆；
所述喷管包括喷管壳体、喷管防热层与喉道冲刷层，喷管防热层与喉道冲刷层形成喷管内气动型面；
所述燃气流量调节阀金属壳体为第一固定部，第一固定部与内防热旋流耐冲蚀腔体、管路防热内衬相连；
优选的，内防热旋流耐冲蚀腔体为环形腔结构，材料为耐高温冲蚀复合材料，且在内侧壁相切处开一燃气通道孔。
优选的，内防热旋流耐冲蚀腔体中的燃气通道与防热内衬通道相连且具有相同流道横截面，热燃气介质通过防热内衬通道进入阀内腔。
优选的，热燃气流量调节阀金属外壳体防热内衬通道与阀体连接位置偏心于阀体轴向段法向中心线，其热燃气流量调节阀旋流腔金属外壳防热内衬通道和燃气通道与外侧型面相切，流道流向轴线与阀体轴向中心线法向垂直距离为
所述te为集成式燃气流量调节阀喷管出口喉道直径。
所述dp为阀杆外径。
所述第二固定部与第一固定部连接，第一固定部中内防热旋流耐冲刷腔与第二固定部中喷管防热层、喉道冲刷层共同组成气固两相分离沉积槽，用于收集气固分离后的固体颗粒废渣。
优选的，热燃气流量调节阀旋流腔金属外壳体与喷管壳体内防热采用环形石墨圈密封，防止热燃气泄漏至金属内壁。
优选的，内防热旋流耐冲蚀腔体燃气通道的横截面面积(包括阀杆的横截面积)：
优选的，燃气流量调节阀金属壳体防热内衬通道的横截面积(包括防热内衬的横截面积)：
所述t1为单元长度，此处基本单位长度1mm。
优选的，自沉积集成式热燃气两相分离流量调节阀工作达到平衡状态时，热燃气介质沿着管路防热内衬轴线流道切着内侧壁进入防热旋流耐冲蚀腔体，热燃气介质沿着内侧壁绕中心阀杆高速旋转，凝相、固体颗粒随着旋转离心力被甩附至防热旋流耐冲蚀腔体内壁面，并随着自身重力沉积至外缘沉积槽内，分离出的气体介质随旋流向喷管喉道流出，形成推力。
优选的，沉积槽宽10t1，沉积槽内径：
如图1所示，本发明的实施例公开了一种自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，包括调节阀旋流腔体、阀杆、喷管、沉积槽与驱动装置。
所述的喷管壳体为第二固定部，与喷管防热层相连，且第二固定部以第一固定部为基准与第一固定部相连。
所述的第二固定部喷管金属外壳3与第一固定部基体燃气流量调节阀金属壳体7用螺纹或者法兰连接，连接处通过密封件实现密封。
本实施例中所述防热内衬通道与燃气通道与阀内腔均为圆形或环形腔，但并不特指圆形或环形腔，因此不能理解为对本发明的限制。
调节阀旋流腔体由阀体旋流腔沉积槽5、燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6与燃气流量调节阀金属壳体7组成，燃气流量调节阀金属壳体7为第一固定部。
阀体旋流腔防热冲蚀层6与燃气流量调节阀金属壳体7采用强胶粘接固定，管路防热内衬11与阀体金属外壳管路段10同粘接固定，固定后统一加工流道。
燃气流量调节阀金属壳体7与燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6在侧面均有偏心管路段，避免高温热燃气直接冲刷阀杆。
喷管由喷管防热层2、喷管金属外壳3与喷管防冲蚀层4组成，喷管防热层2先与喷管防冲蚀层4连接固定，后连接组件与金属外壳3连接固定为喷管组件。
阀体旋流腔沉积槽5由第一固定部与第二固定部连接件喷管防热层2、喷管防冲蚀层4与燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6组成。
阀杆8与驱动器连接并与调节阀旋流腔体组件连接固定。
阀杆8固定于调节阀旋流腔体组件与喷管组件截面圆心。
本实施实例中：
如图2所示，高温热燃气由燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6内流道侧向进入阀旋流腔内，热燃气绕过阀杆8，贴燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6内壁进行高速离心旋流，喷管防冲蚀层4可有效阻挡凝相颗粒直接冲刷阀杆8，且可引导高温热燃气沿燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6内壁进行旋流，如图1所示，高温热燃气随着离心力将固相颗粒甩附至燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6内壁面并随气流以及重力作用掉落至外侧阀体旋流腔沉积槽5内，从而实现气固两相流的分离与过滤。
喷管防冲蚀层4耐冲蚀且可阻挡固相粒子进入喷管内部，减少喷管防冲蚀层4内型面的冲刷烧蚀，保护了喷管防冲蚀层4内型面的完整性。
如图1所示，阀杆8前端密封型面沉降至喷管防冲蚀层4槽内，有效地保护了前端型面的烧蚀冲刷，提高了调节阀流量调节的精度。
如图2所示，燃气流量调节阀金属壳体7与燃气流量调节阀金属壳体旋流腔防热冲蚀层6尾管进口偏心，避免了高温热然对阀杆的直径冲刷，有效地保护了阀杆段的完整性并降低了阀杆运行中的侧向负载，保证了阀杆运行调节的可靠性。

Claims (8)

1.一种自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，包括调节阀、燃气通道、阀杆、喷管和驱动装置，其特征在于，所述调节阀的调节阀壳体为一端开口一端封闭的中空柱体，开口端固连喷管，调节阀壳体内壁为防热冲蚀层；所述喷管的喷管壳体为两端开口的中空柱体，内壁为防热层和防冲蚀层，所述的防冲蚀层一端伸入调节阀壳体内，内壁形成喷管收敛段，外壁与调节阀的防热冲蚀层之间形成旋流腔体，旋流腔体底部形成沉积槽；防冲蚀层另一端连接防热层并与防热层形成喷管扩张段，所述的阀杆一端为圆锥结构，伸入喷管收敛段并在驱动装置作用下轴向运动，调节喷管收敛段的气道横截面大小；所述的调节阀壳体侧壁沿切向开有燃气通道，燃气通道内壁的防热内衬连接调节阀的防热冲蚀层，且燃气通道的开口与阀杆之间间隔有喷管壳体的防冲蚀层。
2.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述燃气通道的防热内衬与调节阀的防热冲蚀层连接处在远离阀杆一侧相切，确保燃气平顺进入旋流腔体内。
3.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述的燃气通道与旋流腔体具有相同的流道横截面。
4.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述燃气通道的流向轴线与调节阀中心线的法向垂直距离为所述te为喷管出口喉道直径，dp为阀杆外径。
5.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述喷管收敛段的进气口横截面面积
6.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述燃气通道内的横截面积所述t1表示1mm。
7.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述的调节阀壳体和喷管壳体均采用金属材质，内防热采用环形石墨圈密封，防止热燃气泄漏至金属内壁。
8.根据权利要求1所述的自沉积集成式热燃气两相流分离流量调节阀，其特征在于，所述的阀杆包括耐冲刷段防热杆与传动力矩杆，耐冲刷段防热杆位于调节阀内，通过传动力矩杆连接驱动装置。
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