高壓超高溫三通換向閥的研制和應(yīng)用
一、前言
高壓超高溫三通換向閥是空氣動(dòng)力裝置(風(fēng)洞)上使用的特殊閥門，閥門的最高工作溫度900℃，最高工作壓力12MPa，公稱通徑DN200，換向時(shí)間≤2s�？傃b圖如圖1所示，技術(shù)要求如下。
1)閥芯換向平穩(wěn)，對(duì)閥座無明顯撞擊現(xiàn)象，換向時(shí)間≤2s。
2)高溫氣流流經(jīng)換向閥的熱量損失要小，進(jìn)出口氣流溫差≤1℃。
3)閥門殼體的外表溫度≤110℃。
4)閥門的使用壽命，在高溫下開關(guān)5000次以上。
5)在最高工作壓力12MPa和最低工作壓力0.3MPa時(shí)，閥門均能密封。
6)對(duì)閥體、閥芯、閥座及閥桿等主要零件，用有限元進(jìn)行應(yīng)力和溫度的分析計(jì)算。
圖1 高壓超高溫三通換向閥總裝
1.閥底座 2.下閥座 3.閥芯總成 4.閥體 5.隔熱襯里 6.上閥座 7.隔熱套管 8.閥桿總成 9.閥蓋 10.支架 11.氣動(dòng)傳動(dòng)總成 12.手動(dòng)傳動(dòng)總成
本閥門的通徑雖然只有200mm，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥門本體重達(dá)7.3t，連同安裝底座，總重為15t。該產(chǎn)品于2006年列入浙江省重大機(jī)電裝備專項(xiàng)，2009年2月14日已通過省科技廳驗(yàn)收。2008年5月進(jìn)行省級(jí)新產(chǎn)品鑒定，鑒定委員會(huì)根據(jù)該產(chǎn)品的國際查新報(bào)告、用戶的國際考察報(bào)告、用戶三年的使用意見、生產(chǎn)廠的試制總結(jié)報(bào)告和發(fā)明專利證書，確認(rèn)該閥門是國內(nèi)、外首創(chuàng)，產(chǎn)品于2008年還被列入國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目，2009年獲浙江省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
二、產(chǎn)品的八大創(chuàng)新點(diǎn)
該產(chǎn)品的使用工況是同時(shí)具備三高(高溫、高壓、高速)，還要求隔熱、節(jié)能和快速平穩(wěn)換向，設(shè)計(jì)難度極大。廣大設(shè)計(jì)人員、項(xiàng)目課題組人員與清華大學(xué)、天津大學(xué)、軍事交通學(xué)院的相關(guān)人員共同研究，群策群力，攻克了八大設(shè)計(jì)難關(guān)(創(chuàng)新點(diǎn))，解決了七大工藝難題，最終圓滿完成了研制任務(wù)。
1.閥門總體結(jié)構(gòu)
本閥門的流道是一進(jìn)二出，右側(cè)進(jìn)口，左側(cè)為工作氣流出口，下端閥底座為排空出口。閥門主體設(shè)計(jì)成直通式結(jié)構(gòu)，閥底座與閥體的連接采用壓力自緊密封結(jié)構(gòu)。上閥座鑲焊在閥體上，下閥座鑲焊在閥底座上。閥芯總成隨閥桿總成同步上、下運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)上、下閥座進(jìn)行關(guān)閉。閥體流道采用硅酸鋁纖維(耐溫1450℃)隔熱襯里，襯里厚度100mm，經(jīng)實(shí)際使用證明，介質(zhì)溫度為900℃時(shí)，閥體表面溫度只有104℃，所以閥體材料選用奧氏體鑄鋼CF8。閥芯、閥座、閥桿完全暴露在介質(zhì)中，所以閥座、閥芯選用高溫合金GH3128，能在900℃時(shí)連續(xù)工作100h以上。閥桿設(shè)計(jì)成四層結(jié)構(gòu)，最外面保護(hù)套一端浮動(dòng)，不受拉、壓應(yīng)力，保護(hù)套的外表面全部堆焊STL12鈷基硬質(zhì)合金，既耐高溫又耐沖刷。閥座、閥芯、閥桿均設(shè)計(jì)了空氣冷卻機(jī)構(gòu)，目的是為了降低密封面的工作溫度，提高密封面的硬度和閥門的使用壽命。
2.三層兩體式閥芯結(jié)構(gòu)
三層兩體式閥芯結(jié)構(gòu)如見圖2所示，閥芯“浸泡”在三高(高溫、高壓、高速)氣流中，工作環(huán)境極為惡劣，閥門的使用壽命關(guān)鍵在于閥芯的壽命。閥芯設(shè)計(jì)成上、下兩體，是為了在裝配時(shí)將球形的閥桿頭部包在里面。閥芯的最外層是鎳基硬質(zhì)合金防護(hù)板，第二層為硅酸鋁纖維隔熱層。閥芯主體材料是高溫合金GH3128，能在900℃時(shí)連續(xù)工作100h。閥芯上、下球形密封面和內(nèi)部球形密封面均堆焊鈷基硬質(zhì)合金Co119，在750℃時(shí)仍保持32～35HRC的硬度。在閥芯內(nèi)部上、下各有一個(gè)凹球面，分別和閥桿頭部的兩個(gè)凸球面接觸，以提高其浮動(dòng)性。通過五年多的實(shí)踐證明，該結(jié)構(gòu)先進(jìn)、可靠。
圖2 三層兩體式閥芯結(jié)構(gòu)
1.下護(hù)板 2.下隔熱層 3.閥芯下部 4.外圓防護(hù)套 5.閥桿頭部 6.閥芯上部 7.上閥芯密封球面 8.上護(hù)板 9.冷卻氣管 10.上隔熱層 11.上閥芯內(nèi)球面 12.圓周隔熱層 13.下閥芯內(nèi)球面 14.下閥芯密封球面
3.四層三體式閥桿結(jié)構(gòu)
閥桿既承受“三高”介質(zhì)的沖刷，又要承受傳動(dòng)系統(tǒng)的拉力和壓力，是本閥門關(guān)鍵的受力件。為了提高閥桿的強(qiáng)度，必須降低閥桿主體的工作溫度。閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彎路最多，第一次采用內(nèi)冷式，通過有限元分析，閥桿內(nèi)外溫差大，溫度梯度變化大，熱應(yīng)力太大，行不通。第二次采用閥桿夾層和內(nèi)孔同時(shí)冷卻，可以解決內(nèi)應(yīng)力問題，但閥桿消耗能量196kW，降低試驗(yàn)氣流溫度，用戶仍不同意。最后，本閥桿設(shè)計(jì)成四層三體式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。所謂三體是指上閥桿、下閥桿和閥桿頭部。四層是指下閥桿的內(nèi)外由四層組成，最外層是保護(hù)套，一端與閥桿頭部焊接，另一端浮動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生熱變形應(yīng)力，保護(hù)套的外表面堆焊鈷基硬質(zhì)合金。第二層為隔熱層，可減少保護(hù)套對(duì)閥桿主體的熱傳導(dǎo)和熱輻射。第三層為閥桿主體，選用45Cr14Ni14W2Mo高強(qiáng)耐熱鋼。第四層為冷卻管，冷卻空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入管內(nèi)，流經(jīng)閥桿頭部，再從閥桿主體的內(nèi)孔，即冷卻管的外壁，從排氣口排出。該結(jié)構(gòu)通過有限元分析，閥桿主體的外壁溫度538℃，等效應(yīng)力287MPa，內(nèi)壁溫度375℃，等效應(yīng)力166MPa，溫差梯度和應(yīng)變梯度都在材料的許用范圍內(nèi)。
圖3 四層三體式閥桿結(jié)構(gòu)
1.閥桿頭部 2.閥桿保護(hù)套 3.閥桿隔熱層 4.閥桿主體 5.冷卻管 6.下閥桿頂蓋 7.下螺母 8.鎖緊螺母 9.對(duì)開圓環(huán) 10.上螺母11.上閥桿 12.進(jìn)氣口 13.出氣口14.上接觸球面 15.閥芯上部 16.下接觸球面 17.閥芯下部
4.閥體的隔熱保溫結(jié)構(gòu)
閥體的隔熱保溫結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中介質(zhì)流道壁固定耐高溫隔熱套管，套管由三層組成，厚度分別為8mm、2mm、1mm，每層都鉆有通氣孔，通氣孔的的位置相互錯(cuò)開，以防止高速氣流將隔熱纖維“抽走”。隔熱套管外面先包裹三層硅酸鋁纖維布，每層厚3mm，再包裹三層硅酸鋁纖維氈，每層厚20mm，外面用硅酸鋁纖維棉塞緊。這樣設(shè)計(jì)使隔熱套管內(nèi)外壓力平衡，不會(huì)變形，硅酸鋁纖維耐高溫1450℃，不易燒損，隔熱效果好，經(jīng)測定，閥體表面溫度只有104℃，滿足用戶要求。
圖4 閥體的隔熱保溫結(jié)構(gòu)
1.第一層套管通氣孔 2.第一、二層套管通氣孔 3.第三層套管通氣孔 4.第二、三層套管隔熱墊 5.硅酸鋁纖維棉 6.硅酸鋁纖維氈 7.第二層套管道氣孔 8.硅酸鋁釬維布 9.第三層套管 10.第二層套管 11.第一層套管 12.閥體流道
5.閥芯的支承結(jié)構(gòu)
本閥門由于進(jìn)出口管道布局問題，用戶要求閥門臥式安裝。閥芯組合體重達(dá)300kg，靠上、下閥座中間的支承架承擔(dān)。閥芯的密封面高低位置由閥芯導(dǎo)向軸中心的高低位置來決定，如圖5所示。當(dāng)閥門由常溫升到高溫時(shí)，例如升高800℃，閥芯導(dǎo)向軸的直徑會(huì)增大1.02mm，托架下部會(huì)升高0.96mm，閥芯導(dǎo)向軸的中心會(huì)升高1.47mm，就是說常溫時(shí)閥芯的密封面中心在A1點(diǎn)，高溫時(shí)閥芯的密封面中心在A2點(diǎn)，中心上移了1.47mm。閥門設(shè)計(jì)時(shí)如果忽略了這一計(jì)算，則閥門在高溫時(shí)就很難密封。
圖5 閥芯支承裝置
1.閥座密封面 2.冷卻槽 3.閥芯導(dǎo)向軸 4.閥座支架 5.下閥座
