一种新型起动空气阀的余度设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中航工业第116 厂 作者:张玮

  余度设计技术是系统或设备获得高可靠性、高安全性及提高生存能力的设计方法之一。该文介绍了某商用航空发动机用起动空气阀设计中采用的余度设计技术,就其结构组成、部分主要功能组件的工作原理及功能余度的构成等进行了论述。

  相较于民航运输业的迅猛发展, 我国的民机研发才刚刚起步,远不能满足民用航空的需求;而要在国际航空业占有一席之地,研发高可靠性、高安全性的航空发动机是我国航空业的当务之急。起动空气阀是某新型民用航空发动机起动系统配套产品, 基于安全的重要性,从系统需求,到产品的研发,均进行了安全性设计考虑。余度设计作为安全性设计的常用方法,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其被应用于起动空气阀的设计过程中。本文介绍了在起动空气阀设计中采用的余度设计方法, 藉此为航空附件产品进行余度设计提供一种参考。

1、起动空气阀的系统需求

  起动空气阀属于航空发动机的起动系统, 用于给空气涡轮起动机输送气源。其主要系统需求如下:

  (1)应能适应多种引气方式:交叉引气、APU 引气和地面气源引气;

  (2)应具有限压功能,出口压力应能在一定范围内调节;

  (3)起动空气阀应具有手动打开和关闭功能;

  (4)蝶阀在全关闭位置应具有位置指示电信号输出功能;

  (5)位置电信号输出应具有双余度,用于实现双通道监控;

  (6)操作控制应具有双余度功能,可实现双通道控制;

  (7)起动空气阀应为常闭状态;

  (8)引气孔及通路设计要能有效防止因污染而引起的堵塞。

2、起动空气阀的原理设计

  起动空气阀为二位二通压力调节阀, 正常为常闭状态。由于其利用高温空气作为工作介质,且需控制压力变化的速度,故需采用间接作用式压力调节器。根据其功能及系统需求, 其控制部分应由带有手动功能的二位二通截止阀、过滤器、可调先导式减压阀、电磁阀及作动执行机构等组成。其功能符号见图1。

起动空气阀功能符号图

1-手动二位二通阀 2-过滤器 3-先导式减压阀 4-双余度电磁阀 5-作动执行机构

图1 起动空气阀功能符号图

  起动空气阀的详细工作原理图见图2。手动二位二通截止阀用于实现控制气路的手动关断及锁闭。正常状态下,手动二位二通阀为常开,保持控制气路常通。电磁阀无电源接通时,电磁阀中的钢球将控制气路切断, 控制气体无法通过气路进入作动执行机构开启腔, 执行机构的作动筒组件处于图2 所示位置,此时蝶阀关闭。通过此种控制方式,可以使产品在失效状态时保证蝶板处于全关位置并锁闭。

  双余度电磁阀用于实现控制气路的通断控制;先导式减压阀用于实现起动阀出口的压力调节; 作动执行机构用于蝶板打开和关闭的驱动控制。电磁阀线圈接通电源,电磁阀中动铁芯与铁芯吸合,钢球移开,排气孔关闭。控制气体进入作动器开启腔,作动大活塞在开启腔压力作用下,驱动作动组件向右移动,再由连杆组件带动轴转动,从而使蝶阀打开。

起动空气阀工作原理图

图2 起动空气阀工作原理图

  电磁阀断电,其动、定铁芯脱离,电磁阀钢球在电磁阀弹簧作用下堵住气路进口, 同时打开开启腔排气孔。开启腔通过排气孔与大气相通,作动组件在扭簧和关闭腔气体压力作用下左移, 作动组件通过连杆组件带动轴转动,使蝶阀关闭。

  过滤器用于保证避免引起通道的堵塞; 关闭位置电信号输出采用耐高温环境的双余度微动开关, 以实现电信号的双余度及双通道输出。当蝶阀在关闭位置时,位置电信号接通,打开过程中电信号断开;由于有双余度信号输出,可进行双通道监控产品的工作状态。为防止一旦电磁阀失效, 蝶阀意外打开可能导致的系统故障,控制气路中设置的手动二位二通截止阀,可强制关闭控制气路,达到关闭且能锁闭蝶阀的目的;蝶阀轴端设有通用六方,可手动打开蝶阀。产品设有蝶阀目视位置指示,可实时观察蝶阀位置。

3、关键控制功能组件介绍

  起动空气阀按功能组成,可分为蝶阀通道、先导控制阀、双余度电磁阀、双余度微动开关、作动执行机构、手动操控机构等几大功能模块。几大功能模块既相互独立,又通过功能性能的匹配及组合,协调工作,共同保证产品功能的实现。由于起动空气阀功能组件多,工作原理复杂,本文仅介绍关键控制的功能组件。

  1)先导控制组件

  先导控制组件见图3。先导控制组件为一先导式定值减压阀, 其作用是调节起动空气阀作动器控制腔压力。该定值减压阀通过调节螺钉预先设定出口压力,出口压力通过节流孔与感压腔相通。当出口压力高于或低于设定值时,减压阀内的膜片组件就会带动活门向上或向下位移,通过活门开度的变化进行压力调节,从而保证减压阀出口压力在预先设定的调节范围内。

  该定值减压阀的先导部分采用膜片作为感压元件,利用膜片刚度小、感压面积大、对压力瞬态变化反映灵敏的特性, 进行对起动空气阀的间接出口压力控制,可有效保证出口压力稳定。且结构简单,工作可靠,重量轻,尤适用于航空调压及减重的需求。

先导控制组件

1-控制座 2-滤片组件 3-堵塞 4-调压阀盖 5-调压弹簧 6-调节螺钉 7-复位弹簧 8-膜片组件 9-减压活门

图3 先导控制组件

  2)双余度电磁阀组件

  双余度电磁阀见图4。该双余度电磁阀具有两个相互独立的电磁线圈,既可以使两个线圈同时工作,亦可使其任一线圈独立工作。若采用两个线圈同时工作,则电磁阀正常工作时两线圈均通一样大小的电流; 若其中一个线圈失效, 则另一线圈工作电流增加一倍后仍可保证电磁阀的正常工作。

双余度电磁阀

1-活门组件 2-壳体座 3-动铁芯 4-线圈绕组 5-弹簧 6-导线套

图4 双余度电磁阀

  基于航空发动机电流分配限制, 起动空气阀采用两个线圈分别独立工作模式,其工作电流相同。若其中一个线圈失效,则启用另一线圈保证电磁阀正常工作。

  该余度电磁阀的设计是建立在单线圈电磁阀设计基础上的, 因此其基本设计方法是与单线圈电磁阀是一样的。该电磁阀采用了螺管电磁铁结构,两电磁线圈采用串联式结构形式,两个线圈结构参数完全相同。该结构形式零件种类少,便于生产和维修;外径尺寸小,

  便于布局;同时具有重量轻的优点。

  3)双余度信号输出

  起动空气阀要求具有双余度信号输出功能, 以实现其状态的双通道监控。起动空气阀设计采用了耐高温环境的双联一体式的微动开关, 一体式微动开关能够保证两个微动开关行程相同、动作一致,从而可以有效保证双信号输出的一致性。

  4)作动执行机构

  作动执行机构的工作原理是: 由控制腔压力驱动活塞位移、通过连杆机构带动蝶板旋转实现阀的打开操作; 再由反馈腔压力推动活塞反向位移并通过连杆机构带动蝶板反向旋转实现阀的关闭操作。其结构原理见图5。

起动空气阀作动执行机构

图5 起动空气阀作动执行机构

4、起动空气阀的余度设计

  1)双余度打开及关闭

  双余度开启:从图1 功能符号图可以看出:起动空气阀可通过控制气路的通断进行打开操作, 亦可以进行手动强制打开操作。

  双余度关闭:其一是关断电磁阀电源:通过电磁阀钢球关断控制气路; 其二是通过手动操控机构关闭二位二通阀,阻断控制气路。由于起动阀工作介质为高温空气,且具有一定压力,通过阻断控制气路,可保证操作的安全性。

  2)双通道控制

  起动空气阀的电磁阀为双余度电磁阀, 采用双线圈通过双通道供给电源,可实现双通道控制。

  3)双通道监控

  起动空气阀采用了双余度微动开关。当蝶阀处于关闭位置时,两个微动开关同时输出关闭信号,可双通道对起动空气阀的打开或关闭位置进行适时监测。

5、结论

  随着人类活动空间的拓展以及民用航空运输业的普及, 航空产品的安全性成为产品设计中首要考虑的问题。而余度设计作为一种常用的安全性设计方法,正越来越多地被应用于产品设计中。起动空气阀用于商用航空发动机的起动系统, 其研制成功的关键是组成系统的附件能够安全、可靠的工作。起动空气阀的设计引入目前航空业常用的余度设计技术,涵盖控制、监控及功能完成等方面,为其安全、可靠地完成预定功能打下了基础。目前该产品已完成基本功能测试,其环境适应性有待进一步验证。

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