季 軍,鄧祥東,白玉平,宋孝宇,李 勇

(1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院,沈陽(yáng) 100034; 2.高速高雷諾數(shù)氣動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 100034)

0 引 言

以噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛行器，其高速?lài)娏鲗?duì)飛行器縱向氣動(dòng)特性、舵面效率、鉸鏈力矩以及操控性和穩(wěn)定性均有一定影響。為了確定噴流對(duì)繞飛行器外部流動(dòng)的干擾，充分利用有利干擾，合理布局飛行器有關(guān)部件，減少飛行器阻力，提高飛行器的操縱和穩(wěn)定性品質(zhì)，飛行器均需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的噴流風(fēng)洞試驗(yàn)。

FL-3風(fēng)洞噴流試驗(yàn)過(guò)程與TPS試驗(yàn)類(lèi)似，其中一個(gè)很重要的部分是要求高精度的噴管推力測(cè)量能力，而要達(dá)到通常0.2％～0.3％的推力測(cè)量精度，首先需要具備噴流氣體流量達(dá)1～2g/s、相對(duì)精度約0.1％～0.2％的控制精度[1-4]。因此流量的精確控制是噴流、TPS試驗(yàn)最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

目前國(guó)產(chǎn)最好的模擬調(diào)節(jié)閥流量控制精度僅為0.5％，進(jìn)口閥門(mén)精度雖然滿(mǎn)足0.1％的指標(biāo)要求[5]，但由于噴流試驗(yàn)一次吹風(fēng)過(guò)程流量和壓力調(diào)節(jié)跨度大、調(diào)壓閥工作點(diǎn)選定困難等原因，導(dǎo)致進(jìn)口閥門(mén)的實(shí)際使用效果難以保證。同時(shí)普通調(diào)節(jié)閥存在行程較短、閥門(mén)動(dòng)作具有一定的非線(xiàn)性、壓力調(diào)節(jié)滯后嚴(yán)重、管路間相互干擾等問(wèn)題，因此選擇傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥作為噴流試驗(yàn)流量和壓力控制閥門(mén)存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)字閥技術(shù)是解決以上技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的方法之一，本文嘗試采用數(shù)字閥技術(shù)實(shí)現(xiàn)FL-3風(fēng)洞噴流試驗(yàn)高壓氣體流量、壓力的高精度控制。

1 數(shù)字閥的設(shè)計(jì)指標(biāo)和技術(shù)難點(diǎn)

FL-3風(fēng)洞數(shù)字閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)為：(1) 最高承壓10.0MPa；(2) 實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性和階梯變流量?jī)煞N工況；(3) 閥前壓力為3.5MPa時(shí)流量控制范圍為5～5000g/s，絕對(duì)控制精度為±5g/s，相對(duì)控制精度優(yōu)于0.1％FS；(4) 壓力控制范圍：0.1～3.5MPa；(5) 穩(wěn)定控制響應(yīng)時(shí)間小于30s。

數(shù)字閥的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 數(shù)字閥要求的流量調(diào)節(jié)精度高、范圍大、響應(yīng)快難以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字閥要求流量控制精度達(dá)±5g/s，相對(duì)精度0.1％FS，同時(shí)要求流量調(diào)節(jié)范圍大、穩(wěn)定時(shí)間短，如何快速實(shí)現(xiàn)流量高精度調(diào)節(jié)是一個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。

(2) 流量調(diào)節(jié)控制策略設(shè)計(jì)難。數(shù)字閥理論上以二進(jìn)制最小步進(jìn)連續(xù)調(diào)節(jié)，但由于噴管的實(shí)際加工精度與理論設(shè)計(jì)可能存在較大差異，很可能導(dǎo)致同一工作條件下，流量值分布不連續(xù)或出現(xiàn)振蕩。

2 數(shù)字閥的總體方案

本研究的數(shù)字閥由并聯(lián)、面積按二進(jìn)制規(guī)則排列的11位噴管組成，圖1為其中1位的裝配示意圖。氣流依次經(jīng)過(guò)電磁閥、高壓軟管和噴管后流出，系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)關(guān)不同位的電磁閥來(lái)控制每位管路的通斷以達(dá)到組合出不同流量的目的，同時(shí)起到壓力的精確控制。

圖1 數(shù)字閥系統(tǒng)分路示意圖

為提高系統(tǒng)的防腐性和避免雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的危害，數(shù)字閥管路均采用不銹鋼材質(zhì)?？紤]到方便拆卸、維修及經(jīng)濟(jì)性，電磁閥采用螺紋連接，同時(shí)為避免管路焊接變形對(duì)電磁閥的影響，管路中段采用高壓軟管連接。

3 數(shù)字閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1數(shù)字閥的控制閥門(mén)

用于控制數(shù)字閥通斷的閥門(mén)是數(shù)字閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵之一，閥門(mén)需要在切換過(guò)程中不產(chǎn)生沖擊和滯后，不同通路閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間還需要盡量保持一致，閥門(mén)切換時(shí)間越短越好。而傳統(tǒng)的快速開(kāi)關(guān)閥門(mén)通常開(kāi)關(guān)時(shí)間都在0.5s以上，且高壓作用下的沖擊與滯后問(wèn)題不易解決，難以滿(mǎn)足高精度數(shù)字閥設(shè)計(jì)要求。

電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間一般較短，可以滿(mǎn)足數(shù)字閥設(shè)計(jì)要求，但其中的通用電磁閥開(kāi)閉時(shí)壓差直接作用于閥門(mén)上，高壓作用下也易產(chǎn)生沖擊與滯后，而對(duì)于其中的套筒式電磁閥，壓差對(duì)閥門(mén)的作用力小，適合高壓環(huán)境下閥門(mén)的快速開(kāi)關(guān)，且性能安全可靠，因此選擇德國(guó)生產(chǎn)的二位二通套筒式電磁閥作為數(shù)字閥通斷閥門(mén)，如圖2所示。

圖2 套筒式電磁閥示意圖

考慮到該電磁閥不同類(lèi)型的開(kāi)關(guān)時(shí)間存在一定差異(見(jiàn)表1)，其口徑為32mm的電磁閥開(kāi)關(guān)最大時(shí)間達(dá)0.44s，遠(yuǎn)大于其它類(lèi)型電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)間。為了減少各閥門(mén)在參數(shù)上尤其是時(shí)間上的差異，增加閥門(mén)切換過(guò)程中的穩(wěn)定性，同時(shí)也減少系統(tǒng)中閥門(mén)的種類(lèi)，且方便維護(hù)和管理，數(shù)字閥系統(tǒng)均選用孔徑在25mm以?xún)?nèi)的電磁閥(數(shù)字閥系統(tǒng)大口徑通路則采用多位孔徑為25mm的電磁閥組合實(shí)現(xiàn))，閥門(mén)控制時(shí)間均在0.1s左右，相對(duì)于傳統(tǒng)通斷閥門(mén)具有較大優(yōu)勢(shì)，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 套筒式電磁閥參數(shù)

3.2數(shù)字閥的噴管設(shè)計(jì)

數(shù)字閥噴管型面設(shè)計(jì)同樣是數(shù)字閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，數(shù)字閥要有高的壓力控制能力，同時(shí)要保證整體閥門(mén)在工作范圍內(nèi)總壓損失盡量小，故選擇文氏噴管作為數(shù)字閥噴管。

根據(jù)文氏管的4種工作狀態(tài)可知，在等熵條件下，噴管喉道氣流達(dá)到聲速的條件是下游靜壓小于臨界壓力，當(dāng)給定不同的喉道與出口面積之比q(λ)時(shí)，均可求出不同的壓比π(λ)。本文數(shù)字閥噴管q(λ)均取為0.384，等熵情況下出口靜壓在0.964倍入口總壓以下時(shí)，即在出口靜壓與入口總壓壓差超過(guò)0.05倍時(shí)即可達(dá)臨界狀態(tài)，以往使用經(jīng)驗(yàn)表明，如果出口靜壓與入口總壓壓差超過(guò)0.09[6-7]倍，則噴管達(dá)到臨界狀態(tài)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料[5-7]，本研究的文氏噴管設(shè)計(jì)采用以下準(zhǔn)則：

(1) 噴管整個(gè)收縮段至喉道下游某點(diǎn)(此點(diǎn)斜率與圓錐段的斜率相等)曲線(xiàn)半徑相等，即為一個(gè)圓弧段，圓弧半徑取為喉道半徑的3.635倍。資料表明[7]，這樣可保證附面層對(duì)流量系數(shù)的影響量大致等于由喉道彎曲產(chǎn)生的徑向速度對(duì)流量系數(shù)產(chǎn)生的影響；

(2) 圓弧段與噴管圓錐擴(kuò)散段相切；

(3) 加工過(guò)程中避免形成圓柱形喉道；

(4) 本文噴管的收縮比(噴管入口面積與喉道面積之比)統(tǒng)一取為5.82。文獻(xiàn)[7]指出這可使噴管的入口馬赫數(shù)僅在0.1附近，且總壓損失較小，即使發(fā)生分離，總壓損失也只在0.7％左右；

(5) 本文噴管收縮段長(zhǎng)度均取為1.438倍的噴管喉道直徑；

(6) 關(guān)于圓錐擴(kuò)散段的擴(kuò)張角，要求并不非常嚴(yán)格，只要確保氣流不分離同時(shí)又能保證擴(kuò)壓效率，一般建議取4°～6°，本文噴管設(shè)計(jì)取擴(kuò)張角為5°。

根據(jù)以上準(zhǔn)則，本文數(shù)字閥選用11位數(shù)字閥，噴管各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)和相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖3和表2所示。其中m為設(shè)計(jì)噴管入口總壓3.5MPa、總溫288K時(shí)的質(zhì)量流量，d為喉道直徑，DE為噴管出口直徑，Di為噴管入口直徑，a為擴(kuò)張段半擴(kuò)角，R為收縮段曲線(xiàn)半徑，L1表示噴管入口到喉道處的長(zhǎng)度，L2表示從相切點(diǎn)到噴管出口的長(zhǎng)度。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)數(shù)字閥閥前氣流總溫為288K，總壓3.5MPa時(shí)，前10位數(shù)字閥最大流量為5.115kg/s，為了利于其它大流量試驗(yàn)，必要時(shí)開(kāi)啟第11位數(shù)字閥，此時(shí)最大流量達(dá)10.235kg/s。

圖3 數(shù)字閥噴管尺寸參數(shù)

表2數(shù)字閥噴管截面尺寸(單位mm)

Table2Thenozzlesizesofthedigitalvalve

m/(kg·s?1)dDEL2DiL1R10．0050．8741．413．072．111．261．5920．011．2361．994．332．981．782．2530．021．7482．826．134．222．513．1840．042．4723．998．675．973．564．4950．083．4965．6412．268．435．036．3560．164．9437．9817．3411．97．118．9970．326．99111．2824．5216．8710．0512．7180．649．88715．9634．6823．8514．2217．9791．2813．98222．5649．0433．7320．1125．41101．2813．98222．5649．0433．7320．1125．41111．2813．98222．5649．0433．7320．1125．41注：數(shù)字閥第10位和11位分別采用2個(gè)和4個(gè)尺寸與第9位相同的噴管實(shí)現(xiàn)。

4 數(shù)字閥的調(diào)試

4.1FL-3風(fēng)洞高壓供氣與控制系統(tǒng)

FL-3風(fēng)洞的高壓氣源由4個(gè)總?cè)莘e為60m3的高壓貯氣罐組成，設(shè)計(jì)壓力為10MPa，空氣壓縮機(jī)為2臺(tái)，單臺(tái)排氣量為8m3/min，空氣經(jīng)干燥、過(guò)濾后進(jìn)入氣源。

整個(gè)高壓供氣系統(tǒng)如圖4所示，壓縮空氣自氣源流出，經(jīng)安全閥、總閘閥、三級(jí)減壓閥、電動(dòng)截止閥和科式流量計(jì)后進(jìn)入數(shù)字閥，進(jìn)行噴流和TPS等試驗(yàn)時(shí)，高壓氣體在流經(jīng)數(shù)字閥后通過(guò)供氣膠管、供氣軟接頭和供氣支撐進(jìn)入飛行器模型尾噴管。

1 Total pressure transducer; 2 The 11 digital Valve; 3 Static pressure transducer; 4 PT100 temperature transducer; 5 Coriolis mass flowmeter; 6 High pressure flexible hoses; 7 Electric check valve; 8 Pressure gauge; 9 Relieve valve group; 10 Brake valve; 11 Relief valve; 12 Gas tank(60m3,100atm); 13 Wind tunnel test section

圖4 FL-3風(fēng)洞噴流試驗(yàn)配套設(shè)備

Fig.4SketchofthrustvectoringtestingsysteminFL-3

流量及壓力控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、采集板、高精度壓力傳感器、科式流量計(jì)和數(shù)字閥等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制方法上采用PID算法進(jìn)行流量或總壓反饋控制。

4.2數(shù)字閥地面測(cè)試結(jié)果

FL-3風(fēng)洞數(shù)字閥安裝示意圖如圖5所示。圖6為數(shù)字閥目標(biāo)流量為100、300和500g/s時(shí)流量隨時(shí)間的變化控制曲線(xiàn)，3條曲線(xiàn)均在15s內(nèi)穩(wěn)定在目標(biāo)值±1g/s范圍內(nèi)，該流量控制精度達(dá)±1g/s。圖7則為目標(biāo)流量為400和600g/s的流量控制曲線(xiàn)，該流量情況下流量控制精度稍差，控制精度在±3g/s范圍內(nèi)。其它流量調(diào)試結(jié)果表明，F(xiàn)L-3風(fēng)洞數(shù)字閥流量控制精度均小于設(shè)計(jì)指標(biāo)±5g/s，且效果平穩(wěn)，重復(fù)性好，穩(wěn)定時(shí)間均小于15s。

圖5 FL-3風(fēng)洞噴流數(shù)字閥

(1#、2#流量均設(shè)定為100g/s,3#、4#流量均設(shè)定為300g/s,5#、6#流量均設(shè)定為500g/s)

圖6 線(xiàn)性變流量控制曲線(xiàn)

Fig.6Controlcurvesofmassflow

圖8為FL-3風(fēng)洞某飛機(jī)雙噴推力矢量試驗(yàn)噴流總壓精確控制曲線(xiàn)，該飛機(jī)噴管最大狀態(tài)與加力狀態(tài)下噴流總壓分別為260和360kPa，對(duì)應(yīng)的流量分別為1698和2200g/s，結(jié)果表明數(shù)字閥的噴流壓力控制精度優(yōu)于0.3％。

但該數(shù)字閥也存在二進(jìn)制系統(tǒng)的固有缺陷(見(jiàn)圖9)，即數(shù)字閥文氏噴管由于加工問(wèn)題，部分喉道的實(shí)際流量和設(shè)計(jì)流量出現(xiàn)一定差異，導(dǎo)致在同一工作壓力條件下，個(gè)別流量控制精度有一定下降，需要進(jìn)一步剔除不滿(mǎn)足加工精度的噴管。

(1#、2#流量均設(shè)定為400g/s,3#、4#流量均設(shè)定為600g/s)

(1#、2#總壓均設(shè)定為260kPa,3#、4#總壓均設(shè)定為360kPa)

圖9 階梯變流量控制曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

所設(shè)計(jì)的FL-3風(fēng)洞噴流試驗(yàn)數(shù)字閥流量絕對(duì)控制精度小于±5g/s，相對(duì)精度優(yōu)于0.1％FS，且具有可調(diào)范圍寬、響應(yīng)時(shí)間快、效果平穩(wěn)無(wú)毛刺等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)簡(jiǎn)化了控制形式及供氣管路結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了FL-3風(fēng)洞噴流試驗(yàn)流量和壓力的高精度控制要求。另外如果更換口徑更小的文氏噴管，相信流量控制精度可進(jìn)一步提高至±1～±2g/s。

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作者簡(jiǎn)介:

季軍(1985-)，男，廣西桂林人，碩士，工程師。研究方向：高速風(fēng)洞動(dòng)力模擬、噴流試驗(yàn)研究。通信地址：遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)陽(yáng)山路1號(hào)(100034)。E-mail: yuanfangjijun@163.com