余度設計技術是系統(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，就其結構組成、部分主要功能組件的工作原理及功能余度的構成等進行了論述。

　　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，真空技術網(wǎng)(http://smsksx.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閉功能；

　　(4)蝶閥在全關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

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，電磁閥中的鋼球將控制氣路切斷， 控制氣體無法通過氣路進入作動執(zhí)行機構開啟腔， 執(zhí)行機構的作動筒組件處于圖2 所示位置，此時蝶閥關閉。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)行機構用于蝶板打開和關閉的驅動控制。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，排氣孔關閉。控制氣體進入作動器開啟腔，作動大活塞在開啟腔壓力作用下，驅動作動組件向右移動，再由連桿組件帶動軸轉動，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動，使蝶閥關閉。

　　過濾器用于保證避免引起通道的堵塞； 關閉位置電信號輸出采用耐高溫環(huán)境的雙余度微動開關， 以實現(xiàn)電信號的雙余度及雙通道輸出。當?shù)�閥在關閉位置時，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，可強制關閉控制氣路，達到關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、作動執(zhí)行機構、手動操控機構等幾大功能模塊。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。且結構簡單，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構，兩電磁線圈采用串聯(lián)式結構形式，兩個線圈結構參數(shù)完全相同。該結構形式零件種類少，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， 一體式微動開關能夠保證兩個微動開關行程相同、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

　　作動執(zhí)行機構的工作原理是： 由控制腔壓力驅動活塞位移、通過連桿機構帶動蝶板旋轉實現(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帶動蝶板反向旋轉實現(xiàn)閥的關閉操作。其結構原理見圖5。

圖5 起動空氣閥作動執(zhí)行機構

4、起動空氣閥的余度設計

　　1)雙余度打開及關閉

　　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。

　　雙余度關閉：其一是關斷電磁閥電源：通過電磁閥鋼球關斷控制氣路； 其二是通過手動操控機構關閉二位二通閥，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。當?shù)�閥處于關閉位置時，兩個微動開關同時輸出關閉信號，可雙通道對起動空氣閥的打開或關閉位置進行適時監(jiān)測。

5、結論

　　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，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。