練永慶, 田兵, 陳宜輝

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一種氣動發(fā)動機進氣控制閥的仿真與試驗

練永慶, 田兵, 陳宜輝

(海軍工程大學(xué) 兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所, 湖北 武漢, 430033)

為了滿足氣動發(fā)動機對不同進氣流量的需求, 在原有機械式發(fā)射閥基礎(chǔ)上改進設(shè)計了一種可改變發(fā)動機進氣流量的進氣控制閥。進行了進氣控制閥的試驗系統(tǒng)設(shè)計, 建立了試驗系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 并進行仿真試驗。在此基礎(chǔ)上組建試驗系統(tǒng)并進行該閥的調(diào)節(jié)試驗研究。試驗系統(tǒng)的仿真與試驗結(jié)果表明, 進氣控制閥的設(shè)計與理論分析模型是正確的, 該試驗系統(tǒng)可用于氣動發(fā)動機的聯(lián)合仿真與試驗研究。

氣動發(fā)動機; 進氣控制閥; 試驗系統(tǒng); 仿真

0 引言

斜盤式氣動發(fā)動機[1](以下簡稱發(fā)動機)是為滿足特殊工作環(huán)境需求而設(shè)計的一種新型氣動發(fā)動機。該發(fā)動機是一種以高壓空氣為工質(zhì)的多次、短時工作制機器(工作次數(shù)可達萬次以上, 每次工作時間僅為2 s左右), 能在短時間內(nèi)快速啟動, 并輸出相應(yīng)的力矩。該發(fā)動機可通過改變進氣壓力獲得不同的動力特性。為了滿足發(fā)動機這種工作特性, 在原潛艇魚雷發(fā)射裝置機械式進氣控制閥基礎(chǔ)上, 設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)發(fā)動機進氣流量的進氣控制閥。該閥在給定氣瓶初始壓力情況下, 可根據(jù)發(fā)動機不同工況需求改變發(fā)動機進氣流量。

在該閥研制完成后, 需開展相關(guān)試驗對該閥的調(diào)節(jié)性能進行驗證, 其目的一是檢驗該閥的動作可靠性與調(diào)節(jié)性能; 二是根據(jù)試驗結(jié)果檢驗閥的理論分析模型并進行修正, 為后續(xù)與發(fā)動機的聯(lián)合試驗做準備。為此開展進氣控制閥試驗系統(tǒng)的設(shè)計, 并進行試驗系統(tǒng)工作過程的建模與仿真, 最后組建試驗系統(tǒng)并進行試驗。

1 進氣控制閥結(jié)構(gòu)組成與試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 進氣控制閥結(jié)構(gòu)組成

發(fā)動機進氣控制閥的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要由閥體、緩沖器及針閥三部分組成。在控制閥打開過程中, 緩沖器通過控制閥芯的運動來控制閥的開啟面積變化規(guī)律, 進而控制發(fā)動機的進氣規(guī)律。而緩沖活塞運動速度的調(diào)整則可通過調(diào)節(jié)針閥的流通面積來實現(xiàn)。

圖1 進氣控制閥原理圖

1.2 進氣控制閥試驗系統(tǒng)設(shè)計

在與發(fā)動機進行聯(lián)合試驗前需先進行進氣控制閥的試驗, 為此設(shè)計其試驗系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 進氣控制閥試驗系統(tǒng)原理圖

在進氣控制閥試驗系統(tǒng)中, 氣瓶1為試驗用氣源。氣瓶2主要用于接收進氣控制閥排出的空氣。在試驗系統(tǒng)中用壓力傳感器測量進氣控制閥工作中氣瓶的壓力變化, 閥芯的頂桿用連接桿通過連接桿連接位移傳感器來測量閥芯運動位移。

試驗系統(tǒng)的工作原理為: 在試驗前, 要完成氣瓶1充氣以及緩沖器注水工作。氣瓶充氣時電磁閥2關(guān)閉, 電磁閥1打開, 氣瓶1的空氣經(jīng)過單向閥、三通, 進入控制閥閥芯(見圖2)的背腔, 在閥芯彈簧彈力和氣瓶氣體壓力作用下控制閥關(guān)閉, 氣瓶1壓力越大, 閥關(guān)閉得越緊。緩沖器注水是將與控制閥聯(lián)通的截止閥打開, 注水水瓶給緩沖器的活塞腔注水, 直至檢查水瓶有水出現(xiàn), 再關(guān)閉截止閥。發(fā)動機要工作時, 電磁閥1關(guān)閉, 電磁閥2打開, 將閥芯背腔中的空氣排到大氣中, 這時作用在閥芯的氣體力大于彈簧彈力, 閥芯向上運動, 控制閥打開, 氣瓶1中的高壓空氣進入氣瓶2。試驗結(jié)束時氣瓶2中的空氣排到大氣中。

2 進氣控制閥試驗系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

試驗系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型主要包括進氣控制閥模型與氣瓶模型。

2.1 進氣控制閥模型

1) 流經(jīng)控制閥的氣體流量模型

氣瓶1中的空氣經(jīng)控制閥流進氣瓶2的空氣流量可按照準穩(wěn)態(tài)概念進行計算。假設(shè)氣體的流動過程是等熵的, 根據(jù)空氣動力學(xué)理論[2], 氣瓶1和2之間的空氣流量為

2) 進氣控制閥特形孔開啟面積計算模型

根據(jù)發(fā)動機氣動系統(tǒng)聯(lián)合仿真結(jié)果所設(shè)計的進氣控制閥特形孔形狀如圖3所示。

圖3 進氣控制閥特形孔形狀圖

式中,0為閥芯開始運動到特形孔打開時閥芯運動的距離。

3) 控制閥閥芯運動數(shù)學(xué)模型

在控制閥打開的過程中, 閥芯與緩沖活塞的慣性力比起作用于其上的力要小得多, 可以略去。因此, 閥芯的開啟速度只取決于緩沖器中的水經(jīng)活塞上腔流出針閥外的體積流量。控制閥閥芯上升的速度與活塞工作面積的乘積, 則是水經(jīng)活塞上腔流向針閥外的體積流量。另外, 控制閥閥芯的行程有限, 它的上升行程達到極限行程后就不能動了, 因此控制閥閥芯運動速度可表示為

式中: x為閥芯的位移; xm為閥芯的極限行程; Shs為緩沖器活塞面積, ; Szf為針閥處流通面積, Szf =p d1hsina(1-hsin 2a/2 d1), h, d1及a見圖4; rd為緩沖器內(nèi)水的密度; pq為緩沖活塞下腔中的瞬間壓強; jo為針閥處間隙流量系數(shù)。

針閥處的流量系數(shù)的大小與針閥處的雷諾數(shù)、閥座倒角長度、針閥閥芯到閥座的距離有關(guān), 其關(guān)系表達式如下

式中, 雷諾數(shù)表達式以及0,值的選取參見文獻[3]。對針閥處的流量系數(shù)以及雷諾數(shù)的計算方法為: 以最大流量系數(shù)計算流量、壓力、雷諾數(shù)初值, 用流量表達式、雷諾數(shù)表達式、壓力方程以及流量系數(shù)方程逐次逼近流量、壓力、雷諾數(shù)和流量系數(shù)[4]。

p是控制閥閥芯運動速度計算的關(guān)鍵?？砂聪率接嬎?/p>

2.2 氣瓶模型

該模型用于描述試驗系統(tǒng)工作過程中, 氣瓶中氣體的壓力、溫度以及質(zhì)量的變化。由于試驗系統(tǒng)工作時間很短(2 s左右), 因此假設(shè)氣瓶的供氣過程為絕熱過程, 由氣體熱力學(xué)定律推導(dǎo)有[5]

若忽略氣體的泄漏, 根據(jù)質(zhì)量守恒定律有

3 進氣控制閥的仿真與試驗

根據(jù)以上建立的試驗系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 以4階龍格-庫塔算法作為求解微分方程的基本算法, 編制仿真程序。在給定初始條件下, 運用仿真程序即可對試驗系統(tǒng)工作過程進行仿真。

在進氣控制閥加工完成后, 依據(jù)所設(shè)計的試驗系統(tǒng)圖(見圖2), 組建了試驗系統(tǒng), 并進行了試驗。

3.1 試驗系統(tǒng)的試驗與仿真結(jié)果

為摸索進氣控制閥的動作與流量調(diào)節(jié)特性, 試驗中對不同氣瓶的充氣壓力、不同的針閥高度都進行了試驗。這里僅給出部分試驗與仿真結(jié)果。

圖5 , h=2 mm時氣瓶1壓力

圖6 , h=2 mm時氣瓶2壓力

圖7 , h=2 mm時閥芯位移

圖8 , h=4 mm時氣瓶1壓力

圖10 , h=4 mm時閥芯位移

圖11 , 不同針閥高度時氣瓶1壓力

圖12 , 不同針閥高度時氣瓶2壓力

圖13 , 不同針閥高度時閥芯位移

3.2 試驗與仿真結(jié)果分析

通過試驗與仿真結(jié)果分析, 得出以下結(jié)論。

1) 進氣控制閥的試驗結(jié)果與理論仿真結(jié)果基本接近, 這說明進氣控制閥的設(shè)計與理論分析模型是基本正確的。

2) 進氣控制閥在試驗中能夠可靠地開關(guān), 這說明進氣控制閥控制氣路的設(shè)計是成功的。

3) 在試驗中, 同一初始條件下的試驗一般做2~3次。從試驗結(jié)果來看, 每次試驗氣瓶1和2的壓力與進氣控制閥閥芯位移的變化曲線是基本一致的, 這說明進氣控制閥的工作性能是穩(wěn)定的。

4) 在試驗中, 不同氣瓶壓力、不同針閥高度條件下的試驗結(jié)果表明, 該進氣控制閥可調(diào)節(jié)氣瓶1進入氣瓶2的氣體流量, 見圖6～圖13。因而, 在使用時可通過調(diào)節(jié)發(fā)射氣瓶的初始壓力與針閥的高度來獲得所需進氣流量。

5) 進氣控制閥的氣路存在一個氣路延時, 試驗中最大延時可達1s(為了與試驗結(jié)果對比, 圖中的仿真結(jié)果相應(yīng)增加了這個延時)。該延時是由控制氣路的氣容造成的, 而且延時時間與氣瓶壓力有關(guān), 氣瓶初始壓力越大則延時時間越短。

4 結(jié)束語

以進氣控制閥試驗系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ), 通過進行仿真與試驗, 對該閥的動作可靠性、調(diào)節(jié)性能、理論模型等進行了驗證。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比表明, 該閥的設(shè)計及其理論分析模型是基本正確的, 通過改變氣瓶初始壓力或針閥高度可滿足發(fā)動機不同工況對空氣流量需求。

[1] 練永慶, 王樹宗. 斜盤式氣動發(fā)動機動力學(xué)仿真[J]. 機械工程學(xué)報, 2008, 44(1): 243-248.

Lian Yong-qing, Wang Shu-zong. Dynamic Simulation of the Air-powered Swashplate Engine[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(1): 243-248.

[2] 王保國, 劉淑艷. 氣體動力學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005: 104-106.

[3] 何存興.液壓元件[M].北京: 機械工業(yè)出版社,1982: 396-397.

[4] 姜福祥, 郁凱元. 變流量系數(shù)模型對先導(dǎo)式溢流閥靜態(tài)仿真結(jié)果影響的研究[J], 機床與液壓, 2003, 31(2): 174-176. Jiang Fu-xiang, Yu Kai-yuan.The Research on the Effect of Variable Discharge Coefficient Models on the Results of Steady-State Simulation of Pilot Relief Valve[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2003, 31(2): 174-176.

[5] 王樹宗, 練永慶, 陳一雕. 氣動式水下武器發(fā)射裝置內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型[J]. 彈道學(xué)報, 2003, 15(1): 21-26. Wang Shu-zong, Lian Yong-qing, Chen Yi-diao. The Mathemaitc Model of the Underwater Compressed-air Launcher[J]. Journal of Ballistics, 2003, 15(1): 21-26.

Simulation and Experiment of an Inlet Control Valve for Air Powered Engine

LIAN Yong-qing, TIAN Bing, CHEN Yi-hui

(New Weaponry Technology & Application Research Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To satisfy different flow rate demand of air powered engine, a new kind of inlet control valve is designed for the engine with variable flow based on the original mechanical launching valve. An experimental system of the inlet control valve is designed, a mathematical model of the experimental system is established, and simulation is performed. Consequently, the experimental system is set up, and the inlet control valve is tested. The simulation and experimental results indicate the rationality and validity of the design and the theoretical analysis of the inlet control valve. This experimental system may be used in joint simulation and experiment of the air powered engine.

air powered engine; inlet control valve; experiment system; simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2011)02-0236-05

2010-11-05;

2010-12-25.

練永慶(1973-), 男, 博士, 講師, 主要研究方向為魚雷動力與水下發(fā)射技術(shù).

(責任編輯: 許 妍)