进口气动高温蝶阀性能中，其可靠性、运行长时化、维护便利性、功率可控制性、使用寿命长等为其主要技术指标，这些要求大大提高了发动机气道中的阀门研发难度。尤其是在废气管道中，阀门运行温度高、振动激烈、温度变化梯度大、密封性能要求高、启闭速度快，并且阀门任何故障均会影响发动机运行，甚至使得发动机报废。所以此类阀门的研发成为各类发动机需要重点突破的瓶颈。本文着重从结构设计、设计计算与制造工艺等方面介绍了发动机用高温蝶阀的设计与制造。
 结构设计
根据阀门的安装空间和振动的技术要求，阀门必须设计小而轻巧，经过试验发现对夹蝶阀类是最佳的选择。
采用颈部适当加高且带散热片式设计，使得填料以及执行机构在可靠的温度下运行。填料采用V形截面，并用碟形弹簧式压载结构。
阀座采用弹性金属密封圈，具有通用性强、使用寿命长、密封故障后更换迅速，且具有备品占用成本低、空间小等特点。

                                                图１ 填料部位结构

图2、图3两种阀座结构的密封性能相近，所需的密封比压较低，对温度变化不敏感，并均可自动调整密封位置。其中，图3所示方案的金属弹性密封圈制造难度较低。



                                图２ 带辅助密封圈阀座结构


                                图３ 带密封垫阀座结构

为了减少内部零件、减小空间和改善阀杆受力状态，阀杆与阀体接触处设有耐高温轴套，阀杆与蝶板间采用矩形花键连接并用圆柱销固定，防止蝶板上下跳动。

蝶板采用偏心球面结构，其密封面喷涂耐高温材料。在蝶板打开时，可较快脱离阀座金属密封圈，减小密封圈的磨损，延长使用寿命。应当指出，阀杆孔中心的纵向轴线与球面中心的纵向轴线的重合误差应控制在±0.05mm以内，否则非常容易导致密封球面与阀座密封圈间接触不均匀，甚至产生卡阻现象，影响阀门的密封性能和可靠性（图4）

                                         图４ 蝶板结构
为了提高阀门启闭速度和可靠性，气动执行器的进排气口应加大尺寸或增加数量。内部活塞采用锻造铝合金等材质。行程开关采用无支架低高度安装方式（图5）。

                                     图５ 气动执行器

03 设计计算

3.1 阀体壁厚

经过式（1）初步确定阀体壁厚，并在阀体外周设置一定数量加强筋，然后再设定位移边界条件为阀门进口与管道连接的端面固定约束后进行有限元分析（图6）。

                                             图６ 阀体有限元应力分析结果

3.2 阀体温度场有限元分析
阀体应力分析通过后，设阀门内部工作温度、外侧与空气接触的壁面自然对流为边界条件进行温度场分析（图7）

                                         图７ 阀体温度场有限元应力分析结果


3.3 蝶板厚度计算

经过式（2）初步确定蝶板的壁厚后，在蝶板上设阀杆孔轴耳，其内花键槽长度为1.5倍阀杆直径。然后再设定上下阀杆孔固定约束为边界条件进行有限元分析（图8）

                                      图８ 蝶板有限元应力分析结果
3.4 阀杆强度核算
首先，计算得出阀门所需的最小总扭矩TΣ，根据其扭矩选择适当的执行器，再根据执行器输出扭矩Tq核算阀杆强度，并使得阀杆应力最大值处于介质压力界面外（图9）。

                                               图９ 扭矩计算
04 制造工艺
4.1  金属弹性密封圈加工方法
见表1。
4.2  蝶板加工

4.2  蝶板加工
控制阀杆孔与球心之间的偏心值及位置尺寸。
在蝶板的轴耳线切割和花键槽电火花加工后， 装入图10所示夹具，在数控车床上加工球面，用型板漏光方法检查球面、端面与固定芯轴间的尺寸符合性

                                                         图10  偏心蝶板球面加工夹具
05 检验与试验
为了保证阀门在高温和强烈振动下可靠、安全工作，同规格阀门在首批装配后取3台进行模拟高温和振动下密封性能和开关寿命测试。
（１）模拟高温试验可采用外热方式。阀门放入温度可控的热处理炉内，逐渐加温，在阀体内的各段温度进行操作和性能试验，并且在降温阶段也进行相应试验。
（２）采用大型高功率的发动机平台下振动试验，一般是把阀门安装在相应发动机的管道上进行的。这种试验方法可以发现设计过程不易预料的故障，非常方便于阀门的定型。
06 结语
大型发动机高温蝶阀运行工况恶劣，其性能和可靠性直接影响发动机的开发与运行。经过3年来的精心选材、创新设计、编制工艺、制作工装夹具，以及按照制定试验大纲严格进行模拟工况试验，使得定型后的阀门均能可靠地运行于相应的管道系统上，为国内大型发动机研制提供了性价比较高的阀门。