固体燃气阀开关状态内流场分析

    金蔚+黄少波

    摘 要：固体燃气阀技术是姿轨控发动机控制的关键技术之一。通过数值模拟对固体燃气阀 开关状态进行内流场分析，结果表明：燃气阀两侧存在有效驱动力，能够实现阀的开启和关闭， 并确定了影响驱动力的主要构型参数；同时考虑燃气阀周向间隙影响，需设法增大阀尾腔出口面 积、减小间隙和增大ds/dr，以增大燃气阀开启力；最后对确定阀芯移动距离的原则予以说明。研 究结果为后期燃气阀机理分析、设计和优化提供参考和支撑。

    关键词：固体燃气发生器；燃气阀；姿轨控；内流场分析

    中图分类号：TJ763 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）03-0036-04

    AnalysisofInternalFlowFieldofaSolidPropellant HotGasValveinItsOpenandClosed

    JINWei，HUANGShaobo

    （ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

    Abstract：Thesolidpropellanthotgasvalveisthekeytechnologyofdiverattitudecontrol.Thein ternalflowfieldofsolidpropellanthotgasvalveinitsopenedandclosedconditionisanalyzedbasedon numericalsimulation.Itisshownthatthereisavailabledrivingforceonbothsidesofthehotgasvalveto openandclosethevalve，andthemainstructureparametersofchangingthedrivingforcearegotten；The largerexportandsmallergapshouldbemadetogetgreateropeningforce.Then，themethodcalculates themovingdistanceofvalve.Itproposesareferenceandsupportforthefutureanalyses，designandopti mizationofthehotgasvalve.

    Keywords：solidpropellantgasgenerator；hotgasvalve；divertattitudecontrol；analysisofinter nalflowfield

    0 引 言

    导弹的发展主要着眼于机动性、精确性和可 靠性。固体燃气阀技术作为高可靠性、高精确性、 快速响应的动力控制系统[1-3]，广泛应用于防空导 弹和反导导弹的姿轨控系统。国内外对固体燃气 阀进行了研究，美国的“海神”潜地导弹及动能拦 截弹中的固体KKV，都应用到固体燃气阀技术；法国SEP于20世纪70年代启动燃气阀技术，前 苏联也开展了相关研究[4-5]；其中美国研制的一种 固体姿轨控系统，对姿控和轨控系统分别应用针 栓和二级放大的固体燃气阀。国内方面近几年在 不断研究针栓形式的燃气阀[6]；这种单独采用针 阀形式的燃气阀需要电磁力驱动，其驱动力极为 有限，而要增加电磁力，则体积和质量会大幅增 加，得不偿失[7]。因而对于承受较大压力的调控机 构，二级放大形式的固体燃气阀是一种较优选择。

    本文介绍一种以先导阀控制的固体燃气阀。 整个燃气阀通过先导阀控制放大的活塞体移动，再由活塞体控制喷喉开关，它能够以较小的控制 力实现对喷管的开启和关闭。利用数值模拟对燃 气阀的开启和关闭典型位置状态进行分析，研究 燃气阀喷管开启和关闭内流场特性，分析影响阀 体开启和关闭的主要问题。

    1 固体燃气阀原理

    燃气阀结构如图1所示，其主要由燃气阀阀 芯、先导阀和喷管组成。燃气阀工作原理是以阀芯 前后压差驱动阀芯移动；当先导阀关闭，先导阀自 身受来自燃气充气孔气压而被逆时针推回，燃气 充入燃气阀阀芯尾腔，此时尾腔内可视为滞止燃 气，相比之下阀头流速高、压强低，阀芯因前后压 差被推动，使喷管处于关闭状态，如图1（a）所示； 当先导阀开启，因受外力驱动，先导阀便顺时针旋 转封堵燃气充气孔，如图1（b）所示，燃气阀尾腔 和大气相通，阀头的燃气压力推动阀芯向尾部移 动，最终燃气阀被完全打开，喷管完全开启，如图 1（c）所示。

    为了进一步对燃气阀开启和关闭的两个典型 状态进行分析，研究影响其正常开启和关闭的问 题，借助数值模拟对开启和关闭状态进行稳态内 流场计算。

    数值模拟在Fluent6.3中完成，假设流动过程 无化学反应，壁面为绝热无滑移固壁，采用可压流 N-S方程，湍流K-erealize模型。

    边界条件：燃气入口均采用压力入口，总压 15MPa，总温3000K；喷管出口采用压力出口， 总温300K，压强101325Pa。

    如图3所示，燃气总压为15MPa，wall-1和 wall-2面上平均压强约为13MPa。

    一般情况P0Pa，所以燃气阀此时也存在有 效的开启驱动力。例如，燃气总压15MPa时，此 时开启驱动力约2000N。在喷管确定后，dc受到 限制，此时ds和dr成为影响开启驱动力两个主要 阀体尺寸。

    综上所述，先导阀运动后，燃气阀两侧存在实 现其开启和关闭所需的有效驱动力，并能够保持 其状态稳定。

    3.2 周向间隙对阀芯受力影响

    实际情况中，阀身周向和腔体存在间隙，燃气 中含有凝相颗粒，不采取密封措施，一定的间隙可 以减小因凝相粒子堵塞引起的阀芯卡滞风险，但 同时需要分析间隙的存在对阀芯受力的影响。

    先导阀关闭瞬间，阀芯尾腔充入燃气，阀芯两 侧受力面积相等，无论是否有间隙，阀尾压强总大 于阀头压强，并不影响阀正常关闭。因此以下分析 先导阀开启瞬间，间隙对燃气阀开启力的影响。

    图4为Case3工况的流场压力分布云图，间隙 会影响到阀尾压强。表1为间隙大小对阀芯受力影 响，随着间隙不断减小，阀尾压强不断降低，阀尾 受力不断减小；表2为出口直径对阀芯受力影响，随着出口直径增加，阀尾腔压强不断降低，阀尾受 力不断减小，但同时要求先导阀驱动力也越大；因 此必须在先导阀可承压前提下，尽可能扩大出口 面积；同时，阀身间隙形成的环向面积小于出口面 积，阀芯更容易形成指向阀尾方向的合力。如表3 所示，ds/dr越大，阀的开启力越大；但ds越大， 周向间隙面积会越大，不利于降低尾腔压强，对于 一定的出口面积，ds存在上限，同时dr需大于dc。

    表中阀芯受力指向阀头为正，指向阀尾为负。 综上所述，为降低凝相粒子引起阀芯堵塞的风险， 采取无密封形式，但必须根据先导阀可承受压力， 尽可能扩大出口面积；在工艺可实现下，减小间隙 大小，才能进一步降低阀芯尾腔压强，尽可能增大 ds/dr，阀芯才能形成更大的开启力。

    3.3 阀芯相对位置对喷管性能的影响

    根据总体对性能和体积的要求，燃气阀阀芯 会采用不同布局方式，同时为实现大的驱动力和 快速的响应，会尽可能缩短阀芯移动距离，但这样 可能对喷管性能造成影响。

    燃气阀阀头和壁面形成的面积必须大于喷管入口面积，目前构型喷管入口dc=14mm，则阀芯 行程最小移动距离约为4.4mm，分别对不同状态 进行数值模拟，见表4。

    从表4数据可以看到，仅考察布局方式的影 响，燃气阀阀芯轴线和发动机轴线平行的布局相 比垂直布局，其实际喉径减小，流量、推力、比冲 和出口总压都更小，推力损失较大，所以在体积允 许情况下，垂直布局会较大程度减小推力损失。

    从无阀到阀芯移动距离的减小，实际喉径逐 步减小，推力、比冲和出口总压也会进一步下降， 推力损失加剧；阀芯最小移动确定是以其对应流 道面积不小于喷管入口面积为原则，但此时计算 的实际喉径仍然比无阀状态有所减小，推力损失 更大，所以在设计中，应增加约1～2mm余量作为 设计移动距离。以实现尽可能小的移动距离，足够 的开启力，同时减小对喷管性能损失。

    4 结 论

    （1）先导阀作动后，阀芯两侧存在有效驱动力。燃气阀的关闭主要受构型参数dr和La影响。 燃气阀开启主要受构型参数ds和dr影响。

    （2）燃气阀周向间隙的存在会影响尾腔压强， 必须在先导阀承力限制下，尽可能扩大出口面积， 根据工艺可实现性，减小间隙大小，降低阀尾压 强；尽可能增大ds/dr，使阀芯形成更大的开启力。

    （3）体积允许下，垂直布局会较大程度减小 推力损失；阀芯位置，需以短的移动距离和小的喷 管性能损失为约束；初步以阀头流道面积不小于 喷管入口面积为基准，确定阀芯最小移动距离，增 加1～2mm余量作为设计行程。

    参考文献：

    [1]CoonJ，YashaharaW.SolidPropulsionApproachesfor TerminalSteering[R].AIAA93-2641.

    [2]李哲，魏志军，张平.高温燃气阀在导弹上的应用[C]// 固体火箭推进第22届年会论文集（发动机分册）， 2005：209-213.

    [3]雍晓轩.轨、姿控固体燃气发生器式动力系统研究 [J].现代防御技术，1999，27（4）：30-33.

    [4]杨威，王宏伟，牛禄.燃气阀技术在固体发动机推力控 制中的应用和发展[C]//第24届学术会议论文集：43 -49.

    [5]刘真.动能杀伤拦截器KKV[J].地面防空武器，2004

    （3）：10-12.

    [6]李娟，李江，王毅林，等.喉栓式变推力发动机性能研究 [J].固体火箭技术，2007，30（6）：505-509.

    [7]李世鹏，张平.固体燃气控制阀内流场参数计算[J]. 固体火箭技术，2003，26（3）：25-27.

    先导阀关闭瞬间，阀芯尾腔充入燃气，阀芯两 侧受力面积相等，无论是否有间隙，阀尾压强总大 于阀头压强，并不影响阀正常关闭。因此以下分析 先导阀开启瞬间，间隙对燃气阀开启力的影响。

    图4为Case3工况的流场压力分布云图，间隙 会影响到阀尾压强。表1为间隙大小对阀芯受力影 响，随着间隙不断减小，阀尾压强不断降低，阀尾 受力不断减小；表2为出口直径对阀芯受力影响，随着出口直径增加，阀尾腔压强不断降低，阀尾受 力不断减小，但同时要求先导阀驱动力也越大；因 此必须在先导阀可承压前提下，尽可能扩大出口 面积；同时，阀身间隙形成的环向面积小于出口面 积，阀芯更容易形成指向阀尾方向的合力。如表3 所示，ds/dr越大，阀的开启力越大；但ds越大， 周向间隙面积会越大，不利于降低尾腔压强，对于 一定的出口面积，ds存在上限，同时dr需大于dc。

    表中阀芯受力指向阀头为正，指向阀尾为负。 综上所述，为降低凝相粒子引起阀芯堵塞的风险， 采取无密封形式，但必须根据先导阀可承受压力， 尽可能扩大出口面积；在工艺可实现下，减小间隙 大小，才能进一步降低阀芯尾腔压强，尽可能增大 ds/dr，阀芯才能形成更大的开启力。

    3.3 阀芯相对位置对喷管性能的影响

    根据总体对性能和体积的要求，燃气阀阀芯 会采用不同布局方式，同时为实现大的驱动力和 快速的响应，会尽可能缩短阀芯移动距离，但这样 可能对喷管性能造成影响。

    燃气阀阀头和壁面形成的面积必须大于喷管入口面积，目前构型喷管入口dc=14mm，则阀芯 行程最小移动距离约为4.4mm，分别对不同状态 进行数值模拟，见表4。

    从表4数据可以看到，仅考察布局方式的影 响，燃气阀阀芯轴线和发动机轴线平行的布局相 比垂直布局，其实际喉径减小，流量、推力、比冲 和出口总压都更小，推力损失较大，所以在体积允 许情况下，垂直布局会较大程度减小推力损失。

    从无阀到阀芯移动距离的减小，实际喉径逐 步减小，推力、比冲和出口总压也会进一步下降， 推力损失加剧；阀芯最小移动确定是以其对应流 道面积不小于喷管入口面积为原则，但此时计算 的实际喉径仍然比无阀状态有所减小，推力损失 更大，所以在设计中，应增加约1～2mm余量作为 设计移动距离。以实现尽可能小的移动距离，足够 的开启力，同时减小对喷管性能损失。

    4 结 论

    （1）先导阀作动后，阀芯两侧存在有效驱动力。燃气阀的关闭主要受构型参数dr和La影响。 燃气阀开启主要受构型参数ds和dr影响。

    （2）燃气阀周向间隙的存在会影响尾腔压强， 必须在先导阀承力限制下，尽可能扩大出口面积， 根据工艺可实现性，减小间隙大小，降低阀尾压 强；尽可能增大ds/dr，使阀芯形成更大的开启力。

    （3）体积允许下，垂直布局会较大程度减小 推力损失；阀芯位置，需以短的移动距离和小的喷 管性能损失为约束；初步以阀头流道面积不小于 喷管入口面积为基准，确定阀芯最小移动距离，增 加1～2mm余量作为设计行程。

    参考文献：

    [1]CoonJ，YashaharaW.SolidPropulsionApproachesfor TerminalSteering[R].AIAA93-2641.

    [2]李哲，魏志军，张平.高温燃气阀在导弹上的应用[C]// 固体火箭推进第22届年会论文集（发动机分册）， 2005：209-213.

    [3]雍晓轩.轨、姿控固体燃气发生器式动力系统研究 [J].现代防御技术，1999，27（4）：30-33.

    [4]杨威，王宏伟，牛禄.燃气阀技术在固体发动机推力控 制中的应用和发展[C]//第24届学术会议论文集：43 -49.

    [5]刘真.动能杀伤拦截器KKV[J].地面防空武器，2004

    （3）：10-12.

    [6]李娟，李江，王毅林，等.喉栓式变推力发动机性能研究 [J].固体火箭技术，2007，30（6）：505-509.

    [7]李世鹏，张平.固体燃气控制阀内流场参数计算[J]. 固体火箭技术，2003，26（3）：25-27.

    先导阀关闭瞬间，阀芯尾腔充入燃气，阀芯两 侧受力面积相等，无论是否有间隙，阀尾压强总大 于阀头压强，并不影响阀正常关闭。因此以下分析 先导阀开启瞬间，间隙对燃气阀开启力的影响。

    图4为Case3工况的流场压力分布云图，间隙 会影响到阀尾压强。表1为间隙大小对阀芯受力影 响，随着间隙不断减小，阀尾压强不断降低，阀尾 受力不断减小；表2为出口直径对阀芯受力影响，随着出口直径增加，阀尾腔压强不断降低，阀尾受 力不断减小，但同时要求先导阀驱动力也越大；因 此必须在先导阀可承压前提下，尽可能扩大出口 面积；同时，阀身间隙形成的环向面积小于出口面 积，阀芯更容易形成指向阀尾方向的合力。如表3 所示，ds/dr越大，阀的开启力越大；但ds越大， 周向间隙面积会越大，不利于降低尾腔压强，对于 一定的出口面积，ds存在上限，同时dr需大于dc。

    表中阀芯受力指向阀头为正，指向阀尾为负。 综上所述，为降低凝相粒子引起阀芯堵塞的风险， 采取无密封形式，但必须根据先导阀可承受压力， 尽可能扩大出口面积；在工艺可实现下，减小间隙 大小，才能进一步降低阀芯尾腔压强，尽可能增大 ds/dr，阀芯才能形成更大的开启力。

    3.3 阀芯相对位置对喷管性能的影响

    根据总体对性能和体积的要求，燃气阀阀芯 会采用不同布局方式，同时为实现大的驱动力和 快速的响应，会尽可能缩短阀芯移动距离，但这样 可能对喷管性能造成影响。

    燃气阀阀头和壁面形成的面积必须大于喷管入口面积，目前构型喷管入口dc=14mm，则阀芯 行程最小移动距离约为4.4mm，分别对不同状态 进行数值模拟，见表4。

    从表4数据可以看到，仅考察布局方式的影 响，燃气阀阀芯轴线和发动机轴线平行的布局相 比垂直布局，其实际喉径减小，流量、推力、比冲 和出口总压都更小，推力损失较大，所以在体积允 许情况下，垂直布局会较大程度减小推力损失。

    从无阀到阀芯移动距离的减小，实际喉径逐 步减小，推力、比冲和出口总压也会进一步下降， 推力损失加剧；阀芯最小移动确定是以其对应流 道面积不小于喷管入口面积为原则，但此时计算 的实际喉径仍然比无阀状态有所减小，推力损失 更大，所以在设计中，应增加约1～2mm余量作为 设计移动距离。以实现尽可能小的移动距离，足够 的开启力，同时减小对喷管性能损失。

    4 结 论

    （1）先导阀作动后，阀芯两侧存在有效驱动力。燃气阀的关闭主要受构型参数dr和La影响。 燃气阀开启主要受构型参数ds和dr影响。

    （2）燃气阀周向间隙的存在会影响尾腔压强， 必须在先导阀承力限制下，尽可能扩大出口面积， 根据工艺可实现性，减小间隙大小，降低阀尾压 强；尽可能增大ds/dr，使阀芯形成更大的开启力。

    （3）体积允许下，垂直布局会较大程度减小 推力损失；阀芯位置，需以短的移动距离和小的喷 管性能损失为约束；初步以阀头流道面积不小于 喷管入口面积为基准，确定阀芯最小移动距离，增 加1～2mm余量作为设计行程。

    参考文献：

    [1]CoonJ，YashaharaW.SolidPropulsionApproachesfor TerminalSteering[R].AIAA93-2641.

    [2]李哲，魏志军，张平.高温燃气阀在导弹上的应用[C]// 固体火箭推进第22届年会论文集（发动机分册）， 2005：209-213.

    [3]雍晓轩.轨、姿控固体燃气发生器式动力系统研究 [J].现代防御技术，1999，27（4）：30-33.

    [4]杨威，王宏伟，牛禄.燃气阀技术在固体发动机推力控 制中的应用和发展[C]//第24届学术会议论文集：43 -49.

    [5]刘真.动能杀伤拦截器KKV[J].地面防空武器，2004

    （3）：10-12.

    [6]李娟，李江，王毅林，等.喉栓式变推力发动机性能研究 [J].固体火箭技术，2007，30（6）：505-509.

    [7]李世鹏，张平.固体燃气控制阀内流场参数计算[J]. 固体火箭技术，2003，26（3）：25-27.