一種新型起動空氣閥的余度設計

　　余度設計技術(shù)是系統(tǒng)或設備獲得高可靠性、高安全性及提高生存能力的設計方法之一。該文介紹了某商用航空發(fā)動機用起動空氣閥設計中采用的余度設計技術(shù)，就其結(jié)構(gòu)組成、部分主要功能組件的工作原理及功能余度的構(gòu)成等進行了論述。

　　相較于民航運輸業(yè)的迅猛發(fā)展， 我國的民機研發(fā)才剛剛起步，遠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、高安全性的航空發(fā)動機是我國航空業(yè)的當務之急。起動空氣閥是某新型民用航空發(fā)動機起動系統(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)，均進行了安全性設計考慮。余度設計作為安全性設計的常用方法，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為其被應用于起動空氣閥的設計過程中。本文介紹了在起動空氣閥設計中采用的余度設計方法， 藉此為航空附件產(chǎn)品進行余度設計提供一種參考。

1、起動空氣閥的系統(tǒng)需求

　　起動空氣閥屬于航空發(fā)動機的起動系統(tǒng)， 用于給空氣渦輪起動機輸送氣源。其主要系統(tǒng)需求如下：

　　(1)應能適應多種引氣方式：交叉引氣、APU 引氣和地面氣源引氣；

　　(2)應具有限壓功能，出口壓力應能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

　　(3)起動空氣閥應具有手動打開和關(guān)閉功能；

　　(4)蝶閥在全關(guān)閉位置應具有位置指示電信號輸出功能；

　　(5)位置電信號輸出應具有雙余度，用于實現(xiàn)雙通道監(jiān)控；

　　(6)操作控制應具有雙余度功能，可實現(xiàn)雙通道控制；

　　(7)起動空氣閥應為常閉狀態(tài)；

　　(8)引氣孔及通路設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， 其控制部分應由帶有手動功能的二位二通截止閥、過濾器、可調(diào)先導式減壓閥、電磁閥及作動執(zhí)行機構(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-先導式減壓閥　4-雙余度電磁閥　5-作動執(zhí)行機構(gòu)

圖1 起動空氣閥功能符號圖

　　起動空氣閥的詳細工作原理圖見圖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。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入作動執(zhí)行機構(gòu)開啟腔， 執(zhí)行機構(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，電磁閥鋼球在電磁閥彈簧作用下堵住氣路進口， 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。

　　過濾器用于保證避免引起通道的堵塞； 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?shù)�閥在關(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，可進行雙通道監(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致的系統(tǒng)故障，控制氣路中設置的手動二位二通截止閥，可強制關(guān)閉控制氣路，達到關(guān)閉且能鎖閉蝶閥的目的；蝶閥軸端設有通用六方，可手動打開蝶閥。產(chǎn)品設有蝶閥目視位置指示，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、先導控制閥、雙余度電磁閥、雙余度微動開關(guān)、作動執(zhí)行機構(gòu)、手動操控機構(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，工作原理復雜，本文僅介紹關(guān)鍵控制的功能組件。

　　1)先導控制組件

　　先導控制組件見圖3。先導控制組件為一先導式定值減壓閥， 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)螺釘預先設定出口壓力，出口壓力通過節(jié)流孔與感壓腔相通。當出口壓力高于或低于設定值時，減壓閥內(nèi)的膜片組件就會帶動活門向上或向下位移，通過活門開度的變化進行壓力調(diào)節(jié)，從而保證減壓閥出口壓力在預先設定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

　　該定值減壓閥的先導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， 進行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。且結(jié)構(gòu)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-復位彈簧　8-膜片組件　9-減壓活門

圖3 先導控制組件

　　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，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-導線套

圖4 雙余度電磁閥

　　基于航空發(fā)動機電流分配限制， 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。

　　該余度電磁閥的設計是建立在單線圈電磁閥設計基礎上的， 因此其基本設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結(jié)構(gòu)，兩電磁線圈采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式，兩個線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。該結(jié)構(gòu)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)行機構(gòu)

　　作動執(zhí)行機構(gòu)的工作原理是： 由控制腔壓力驅(qū)動活塞位移、通過連桿機構(gòu)帶動蝶板旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥的打開操作； 再由反饋腔壓力推動活塞反向位移并通過連桿機構(gòu)帶動蝶板反向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥的關(guān)閉操作。其結(jié)構(gòu)原理見圖5。

圖5 起動空氣閥作動執(zhí)行機構(gòu)

4、起動空氣閥的余度設計

　　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：起動空氣閥可通過控制氣路的通斷進行打開操作， 亦可以進行手動強制打開操作。

　　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給電源，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?shù)�閥處于關(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)閉位置進行適時監(jiān)測。

5、結(jié)論

　　隨著人類活動空間的拓展以及民用航空運輸業(yè)的普及， 航空產(chǎn)品的安全性成為產(chǎn)品設計中首要考慮的問題。而余度設計作為一種常用的安全性設計方法，正越來越多地被應用于產(chǎn)品設計中。起動空氣閥用于商用航空發(fā)動機的起動系統(tǒng)， 其研制成功的關(guān)鍵是組成系統(tǒng)的附件能夠安全、可靠的工作。起動空氣閥的設計引入目前航空業(yè)常用的余度設計技術(shù)，涵蓋控制、監(jiān)控及功能完成等方面，為其安全、可靠地完成預定功能打下了基礎。目前該產(chǎn)品已完成基本功能測試，其環(huán)境適應性有待進一步驗證。