一種新型起動空氣閥的余度設(shè)計

1、一種新型起動空氣閥的余度設(shè)計 余度設(shè)計技術(shù)是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性、*全性及提高生存能力的設(shè)計方法之一。該文介紹了某商用航空發(fā)動機(jī)用起動空氣閥設(shè)計中采用的余度設(shè)計技術(shù)，就其構(gòu)造組成、部分主要功能組件的工作原理及功能余度的構(gòu)成等開展了論述。 相較于民航運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展， 我國的民機(jī)研發(fā)才剛剛起步，遠(yuǎn)不能滿足民用航空的需求；而要在國際航空業(yè)占有一席之地，研發(fā)高可靠性、*全性的航空發(fā)動機(jī)是我國航空業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。起動空氣閥是某新型民用航空發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)配套產(chǎn)品， 基于安全的重要性，從系統(tǒng)需求，到產(chǎn)品的研發(fā)，均開展了安全性設(shè)計考慮。余度設(shè)計作為安全性設(shè)計的常用方法，真空技術(shù)網(wǎng)(http:/)認(rèn)為其被應(yīng)用

2、于起動空氣閥的設(shè)計過程中。本文介紹了在起動空氣閥設(shè)計中采用的余度設(shè)計方法， 藉此為航空附件產(chǎn)品開展余度設(shè)計提供一種參考。 1、起動空氣閥的系統(tǒng)需求 起動空氣閥屬于航空發(fā)動機(jī)的起動系統(tǒng)， 用于給空氣渦輪起動機(jī)輸送氣源。其主要系統(tǒng)需求如下： (1)應(yīng)能適應(yīng)多種引氣方式：交叉引氣、APU 引氣和地面氣源引氣； (2)應(yīng)具有限壓功能，出口壓力應(yīng)能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)； (3)起動空氣閥應(yīng)具有手動打開和關(guān)閉功能； (4)蝶閥在全關(guān)閉位置應(yīng)具有位置指示電信號輸出功能； (5)位置電信號輸出應(yīng)具有雙余度，用于實現(xiàn)雙通道監(jiān)控； (6)操作控制應(yīng)具有雙余度功能，可實現(xiàn)雙通道控制； (7)起動空氣閥應(yīng)為常閉狀態(tài)； (

3、8)引氣孔及通路設(shè)計要能有效防止因污染而引起的堵塞。 2、起動空氣閥的原理設(shè)計 起動空氣閥為二位二通壓力調(diào)節(jié)閥， 正常為常閉狀態(tài)。由于其利用高溫空氣作為工作介質(zhì)，且需控制壓力變化的速度，故需采用間接作用式壓力調(diào)節(jié)器。根據(jù)其功能及系統(tǒng)需求， 其控制部分應(yīng)由帶有手動功能的二位二通截止閥、過濾器、可調(diào)先導(dǎo)式減壓閥、電磁閥及作動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其功能符號見圖1。 1-手動二位二通閥2-過濾器3-先導(dǎo)式減壓閥4-雙余度電磁閥5-作動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖1 起動空氣閥功能符號圖 起動空氣閥的詳細(xì)工作原理圖見圖2。手動二位二通截止閥用于實現(xiàn)控制氣路的手動關(guān)斷及鎖閉。正常狀態(tài)下，手動二位二通閥為常開，保持控制氣路常通

4、。電磁閥無電源接通時，電磁閥中的鋼球?qū)⒖刂茪饴非袛啵?控制氣體無法通過氣路進(jìn)入作動執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟腔， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作動筒組件處于圖2 所示位置，此時蝶閥關(guān)閉。通過此種控制方式，可以使產(chǎn)品在失效狀態(tài)時保證蝶板處于全關(guān)位置并鎖閉。 雙余度電磁閥用于實現(xiàn)控制氣路的通斷控制；先導(dǎo)式減壓閥用于實現(xiàn)起動閥出口的壓力調(diào)節(jié)； 作動執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于蝶板打開和關(guān)閉的驅(qū)動控制。電磁閥線圈接通電源，電磁閥中動鐵芯與鐵芯吸合，鋼球移開，排氣孔關(guān)閉?？刂茪怏w進(jìn)入作動器開啟腔，作動大活塞在開啟腔壓力作用下，驅(qū)動作動組件向右移動，再由連桿組件帶動軸轉(zhuǎn)動，從而使蝶閥打開。 圖2 起動空氣閥工作原理圖 電磁閥斷電，其動、定鐵芯脫離，電磁

5、閥鋼球在電磁閥彈簧作用下堵住氣路進(jìn)口， 同時打開開啟腔排氣孔。開啟腔通過排氣孔與大氣相通，作動組件在扭簧和關(guān)閉腔氣體壓力作用下左移， 作動組件通過連桿組件帶動軸轉(zhuǎn)動，使蝶閥關(guān)閉。 過濾器用于保證防止引起通道的堵塞； 關(guān)閉位置電信號輸出采用耐高溫環(huán)境的雙余度微動開關(guān)， 以實現(xiàn)電信號的雙余度及雙通道輸出。當(dāng)?shù)y在關(guān)閉位置時，位置電信號接通，打開過程中電信號斷開；由于有雙余度信號輸出，可開展雙通道監(jiān)控產(chǎn)品的工作狀態(tài)。為防止一旦電磁閥失效， 蝶閥意外打開可能導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，控制氣路中設(shè)置的手動二位二通截止閥，可強(qiáng)制關(guān)閉控制氣路，到達(dá)關(guān)閉且能鎖閉蝶閥的目的；蝶閥軸端設(shè)有通用六方，可手動打開蝶閥。產(chǎn)品設(shè)有

6、蝶閥目視位置指示，可實時觀察蝶閥位置。 3、關(guān)鍵控制功能組件介紹 起動空氣閥按功能組成，可分為蝶閥通道、先導(dǎo)控制閥、雙余度電磁閥、雙余度微動開關(guān)、作動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、手動操控機(jī)構(gòu)等幾大功能模塊。幾大功能模塊既相互獨立，又通過功能性能的匹配及組合，協(xié)調(diào)工作，共同保證產(chǎn)品功能的實現(xiàn)。由于起動空氣閥功能組件多，工作原理復(fù)雜，本文僅介紹關(guān)鍵控制的功能組件。 1)先導(dǎo)控制組件 先導(dǎo)控制組件見圖3。先導(dǎo)控制組件為一先導(dǎo)式定值減壓閥， 其作用是調(diào)節(jié)起動空氣閥作動器控制腔壓力。該定值減壓閥通過調(diào)節(jié)螺釘預(yù)先設(shè)定出口壓力，出口壓力通過節(jié)流孔與感壓腔相通。當(dāng)出口壓力高于或低于設(shè)定值時，減壓閥內(nèi)的膜片組件就會帶動活門向上或

7、向下位移，通過活門開度的變化開展壓力調(diào)節(jié)，從而保證減壓閥出口壓力在預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。 該定值減壓閥的先導(dǎo)部分采用膜片作為感壓元件，利用膜片剛度小、感壓面積大、對壓力瞬態(tài)變化反映靈敏的特性， 開展對起動空氣閥的間接出口壓力控制，可有效保證出口壓力穩(wěn)定。且構(gòu)造簡單，工作可靠，重量輕，尤適用于航空調(diào)壓及減重的需求。 1-控制座2-濾片組件3-堵塞4-調(diào)壓閥蓋5-調(diào)壓彈簧6-調(diào)節(jié)螺釘7-復(fù)位彈簧8-膜片組件9-減壓活門 圖3 先導(dǎo)控制組件 2)雙余度電磁閥組件 雙余度電磁閥見圖4。該雙余度電磁閥具有兩個相互獨立的電磁線圈，既可以使兩個線圈同時工作，亦可使其任一線圈獨立工作。若采用兩個線圈同時工作，

8、則電磁閥正常工作時兩線圈均通一樣大小的電流； 若其中一個線圈失效， 則另一線圈工作電流增加一倍后仍可保證電磁閥的正常工作。 1-活門組件2-殼體座3-動鐵芯4-線圈繞組5-彈簧6-導(dǎo)線套 圖4 雙余度電磁閥 基于航空發(fā)動機(jī)電流分配限制， 起動空氣閥采用兩個線圈分別獨立工作模式，其工作電流相同。若其中一個線圈失效，則啟用另一線圈保證電磁閥正常工作。 該余度電磁閥的設(shè)計是建立在單線圈電磁閥設(shè)計根底上的， 因此其基本設(shè)計方法是與單線圈電磁閥是一樣的。該電磁閥采用了螺管電磁鐵構(gòu)造，兩電磁線圈采用串聯(lián)式構(gòu)造形式，兩個線圈構(gòu)造參數(shù)完全相同。該構(gòu)造形式零件種類少，便于生產(chǎn)和維修；外徑尺寸小， 便于布局；同時

9、具有重量輕的優(yōu)點。 3)雙余度信號輸出 起動空氣閥要求具有雙余度信號輸出功能， 以實現(xiàn)其狀態(tài)的雙通道監(jiān)控。起動空氣閥設(shè)計采用了耐高溫環(huán)境的雙聯(lián)一體式的微動開關(guān)， 一體式微動開關(guān)能夠保證兩個微動開關(guān)行程相同、動作一致，從而可以有效保證雙信號輸出的一致性。 4)作動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 作動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是： 由控制腔壓力驅(qū)動活塞位移、通過連桿機(jī)構(gòu)帶動蝶板旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥的打開操作； 再由反應(yīng)腔壓力推動活塞反向位移并通過連桿機(jī)構(gòu)帶動蝶板反向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥的關(guān)閉操作。其構(gòu)造原理見圖5。 圖5 起動空氣閥作動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4、起動空氣閥的余度設(shè)計 1)雙余度打開及關(guān)閉 雙余度開啟：從圖1 功能符號圖可以看出：起動空氣閥可通

10、過控制氣路的通斷開展打開操作， 亦可以開展手動強(qiáng)制打開操作。 雙余度關(guān)閉：其一是關(guān)斷電磁閥電源：通過電磁閥鋼球關(guān)斷控制氣路； 其二是通過手動操控機(jī)構(gòu)關(guān)閉二位二通閥，阻斷控制氣路。由于起動閥工作介質(zhì)為高溫空氣，且具有一定壓力，通過阻斷控制氣路，可保證操作的安全性。 2)雙通道控制 起動空氣閥的電磁閥為雙余度電磁閥， 采用雙線圈通過雙通道供應(yīng)電源，可實現(xiàn)雙通道控制。 3)雙通道監(jiān)控 起動空氣閥采用了雙余度微動開關(guān)。當(dāng)?shù)y處于關(guān)閉位置時，兩個微動開關(guān)同時輸出關(guān)閉信號，可雙通道對起動空氣閥的打開或關(guān)閉位置開展適時監(jiān)測。 5、結(jié)論 隨著人類活動空間的拓展以及民用航空運(yùn)輸業(yè)的普及， 航空產(chǎn)品的安全性成為產(chǎn)品設(shè)計中首要考慮的問題。而余度設(shè)計作為一種常用的安全性