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高温燃料流量调节阀拉瓦尔管阀口特性分析

浏览次数:2278发布日期:2013-12-04
  高超冲压发动机是冲压发动机的一种,是指进入发动机燃烧室的速度为超声速,且燃料在超声速特征下燃烧。它是一种新型的,以高温冲压技术为核心的发动机技术,各国在此领域都在研究,其中俄罗斯和美国走在前列,已经有
  
  高超冲压发动机是冲压发动机的一种,是指进入发动机燃烧室的速度为超声速,且燃料在超声速特征下燃烧。它是一种新型的,以高温冲压技术为核心的发动机技术,各国在此领域都在研究,其中俄罗斯和美国走在前列,已经有初步成型的产品问世。冲压发动机主要由燃烧室、进气道、尾喷管组成。其工作原理为发动机的迎面来流(空气流)首先进入进气道,进气道将来流的部分速度能转变为压力能,完成压缩过程。滞止到一定速度的气流进入燃烧室,与喷入的燃料迅速混合,在等压条件下进行燃烧。燃烧后的高压、高温燃气,经收敛-扩张喷管加速后喷出,产生推力。冲压发动机一般应用于飞行马赫数高于6的飞行器,如高超声速巡航导弹,高超声速飞机和空天飞机。
  
  为准确控制流入发动机的气流速度与压力,并调节进入燃烧室的燃料的流量,使其准确的按照需要分配释放热量,因此设计的大流量燃油流量调节阀,在冲压发动机中起着关键的作用。
  
  基于拉瓦尔管形高温阀口设计是指将拉瓦尔管特性用于阀口设计中,从而达到准确控制流经阀口气体的目的。此阀的设计方案如下:
  
  (1)阀芯采用锥阀,为利用拉瓦尔管特性,气体从锥阀底部进入,沿锥阀尖部流出,此控制方法目的是在阀口处形成拉瓦尔管状结构,控制气体流量。
  
  (2)阀芯采用液动,由驱动活塞提供动力,可以实现响应速度快的目的。
  
  1结构及工作原理
  
  阀芯采用锥阀形式,由驱动活塞推动锥形阀芯控制阀口开度,在回路中,燃料流体经zui左端的阀口进入主阀,由锥形阀芯控制流量大小。阀芯的开度由电液伺服阀驱动的驱动活塞来控制。
  
  原理图中:主阀8、电液伺服阀5、活塞缸11都固定在固定板1上。电液伺服阀与活塞缸通过阀块3进行管路连接,活塞杆2与主阀阀芯采用法兰连接,同时活塞缸要与主阀固定在一起。
  
  电液伺服阀控制驱动活塞杆左右移动,从而控制主阀阀芯位移大小,调节燃料通过主阀阀口的流量。阀口的设计借鉴拉瓦尔管的特性及形状考虑,这样可以满足阀口出口处气流超声速的要求,也实现了不同压差下气体流速保持不变的目的,改善了高温阀的特性。
  
  2拉瓦尔管状阀口数学模型及设计
  
  拉瓦尔喷管是一个先收缩后扩张的管道。它的主要特性是,在管道出口得到指定马赫数的超声速气流。在相同面积比的情况下,进口总压与出口反压比值不同时,管内气体呈现不同的流动状态。拉瓦尔喷管的正常工作条件是:管道前后压力比大于临界值;出口截面积与zui小截面积的比值与指定的超声速气流马赫数相适应。
  
  拉瓦尔喷管的流动特性是:同样温度,进口压力条件下,通过喷管的气体流量即只与喉部面积与出口面积比有关。这种流动特性利于高温下对于气体流量的控制,因为一定范围内不受前后压差变化的影响,易于实现流量稳定。拉瓦尔管正常工作时,zui小截面处气流马赫数为1的临界状态,气流参数是临界参数,运算起来比较简便。因此,一般都用计算流过zui小截面的气体流量的方法来确定拉瓦尔管的气体流量。据此,拉瓦尔管的气体流量公式可写为:
  
  (1)
  
  Km——热流系数
  
  P0*——进口气体总压(Pa)
  
  T0*——进口气体总温(K)
  
  At——喉部面积(m2)
  
  从式中可以看出,在zui小截面处的气流马赫数为1的临界状态下,拉瓦尔管的气体流量只只取决于管道进口气体的总压和总温以及zui小横截面积。
  
  其中P0*为进口总压,为10MPa。按进口压力P0*=10MPa,出口压力Pe=1MPa进行初步设计。
  
  (2)
  
  (3)
  
  λ——气体速度系数
  
  进一步查表确定λ=1.75,q(λ)=0.4961
  
  (4)
  
  q(λ)——气体相对密流
  
  根据喉部面积比,及加工工艺综合考虑,确定如图4所示阀口结构。
  
  图4阀口设计简图
  
  3基于FLUENT的阀口流场仿真
  
  运用FUENT软件进行阀口处的流场进行仿真,分析阀口流量特性及压力和速度分布。
  
  具体仿真步骤如下:
  
  1)利用CAMBIT建立计算域和指定边界条件类型;
  
  由于阀口形状为完全对称,故在仿真过程中为简化计算可利用二维图形代替三维仿真,网格划分如图5所示。
  
  图5阀口分析网络
  
  2)利用FLUENT求解器求解。
  
  在计算过程中对流体及边界条件做如下:
  
  1、流体为完全气态,可压缩气体,实验时可采用氮气模拟,故仿真可用理想气体近似。
  
  2、采用spalart一Anmaras湍流模型,此模型方便易收敛。
  
  3、仿真时阀入口温度采用实验条件下的600℃,出口为500℃。
  
  4、入口和出口分别采用压力入口和压力出口边界条件,其余为壁面接触。分别改变入口压力和出口压力,作出仿真结果。
  
  4流场仿真结果
  
  根据拉瓦尔管建模思想,采用FLUENT软件,对设计主阀阀口处进行仿真。入口为10MPa,出口为SMpa,阀口位移为8.Omm时的仿真结果表明,燃料气体在阀口zui小截面处达到声速,之后气体继续加速变为超声速。图9、图10可以看出,达到稳定时,气体在阀入口与阀出口处流量持平。这符合拉瓦尔管特性流量调节机制。
  
  阀口入口压力不变时(10MPa),通过改变阀口出口压力,作出多组仿真结果,得到不同出口压力下的气体通过阀口的流量如图10所示。同理当阀口出口压力保持不变(1MPa)时,改变不同的入口压力值,得到流量结果如图11所示。
  
  仿真结果表时:阀口形状固定后,出口压力小于一定值(7MPa)时,流入流出阀口的气体流量与出口压力无关,只取决于入口压力(10MPa)。即时,流量只与入口总压(10MPa)有关,且近似为线性关系。
  
  改变阀芯位移x或者改变阀芯形状,可以得到相似的仿真结果,以此不再论述。
  
  5结论
  
  对比仿真结果与数学模型可以得出以下结论:
  
  1)高温阀的阀口采用拉瓦尔管形状设计方案后,当阀口开度不变时,前后压强在一定的比值范围内,流经阀口前后的气体流速基本保持不变,与理论分析的结果相吻合。
  
  2)气体在阀口喉部流速达到声速,进入阀口后进一步加速到超声速,仿真结果与拉瓦尔管的数学特性相适应。
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