李久龍 歐陽雪（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

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流量調(diào)節(jié)閥在液氧供應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李久龍 歐陽雪
（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

摘 要：目前對(duì)深冷介質(zhì)的流量控制方式主要有文氏管組和調(diào)節(jié)閥兩種方式，而調(diào)節(jié)閥作為自動(dòng)化技術(shù)中最常用的執(zhí)行元件之一，較文氏管組具有智能化程度高，設(shè)備配置簡(jiǎn)潔，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用方便靈活且可以對(duì)流量實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。本文依據(jù)實(shí)際液氧供應(yīng)系統(tǒng)，經(jīng)冷調(diào)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析調(diào)節(jié)閥對(duì)液氧流量的調(diào)節(jié)精度，并與理論值進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)閥在深冷環(huán)境中的使用技術(shù)特性，并對(duì)流量精度的主要影響因素進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：深冷；調(diào)節(jié)閥；液氧；精度

0 引言

液氧供應(yīng)系統(tǒng)作為某發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)中的核心工位，液氧經(jīng)過加熱器加熱汽化后向燃燒室提供氧氣，以此來模擬使用環(huán)境。由于在試驗(yàn)過程中需要實(shí)現(xiàn)多種工況，所以對(duì)氧流量要求變化范圍較大，一般從幾千克到幾十千克不等。因此，液氧供應(yīng)系統(tǒng)必須滿足流量跨度范圍大、流量連續(xù)可調(diào)的要求，實(shí)現(xiàn)此功能的一個(gè)手段就是在管路系統(tǒng)中設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。本文針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)，對(duì)流量調(diào)節(jié)閥在實(shí)際使用過程中的一些技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)閥在深冷環(huán)境中的使用技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

圖1補(bǔ)氧系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

1 調(diào)節(jié)閥的使用方法簡(jiǎn)介

1.1 調(diào)節(jié)閥的分類

目前有4種分類方式：（1）按驅(qū)動(dòng)方式分類，分為自力式和驅(qū)動(dòng)式；（2）按照閥門參數(shù)分類，可按照閥門的公稱尺寸、公稱壓力、工作溫度、閥體材料及、管道的連接方式以及閥門的操縱方式分類；（3）按照用途和作用分類，分為流量調(diào)節(jié)閥、液面調(diào)節(jié)閥、壓力調(diào)節(jié)閥和溫度調(diào)節(jié)閥；（4）按照結(jié)構(gòu)形式分類，分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥和智能型調(diào)節(jié)閥。

表1調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)表

表2系統(tǒng)冷調(diào)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 調(diào)節(jié)閥的選型步驟

針對(duì)液體介質(zhì)調(diào)節(jié)閥，主要特性參數(shù)包括：qvL—液體體積流量；p1—閥前絕對(duì)壓力；p2—閥后絕對(duì)壓力；s—壓降比；ρL—液體密度；R—可調(diào)比；Pc—液體臨界壓力；Pv—液體飽和蒸氣壓；FL—液體壓力恢復(fù)系數(shù)；FF—液體臨界壓力比系數(shù)。

一般情況下，通過計(jì)算或查表獲得以上參數(shù)，按照工作情況，判定介質(zhì)的性質(zhì)、阻塞流狀況及雷諾數(shù)，然后對(duì)流量系數(shù)Kv進(jìn)行計(jì)算，對(duì)求得的Kvmax進(jìn)行圓整，最后對(duì)調(diào)節(jié)閥的開度、可調(diào)比進(jìn)行驗(yàn)算，確定閥門最終規(guī)格和Kv值。通常，調(diào)節(jié)閥針對(duì)液體介質(zhì)流量系數(shù)Kv計(jì)算方法按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，考慮到低溫閥門及介質(zhì)的多個(gè)系數(shù)受溫度影響較大，應(yīng)對(duì)該公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

2 調(diào)節(jié)閥的使用技術(shù)研究

2.1 對(duì)象描述

目前，理想的調(diào)節(jié)閥流量特性主要包括：直線、對(duì)數(shù)、拋物線及快開4種。本系統(tǒng)所選閥門為德國(guó)Prevent公司的產(chǎn)品，為對(duì)數(shù)流量特性流量調(diào)節(jié)閥，滿開度時(shí)流量系數(shù)Kv值為6.3，其流量系數(shù)與開度的關(guān)系為：

其中，n為閥門最大流量系數(shù)與在任意工況下的流量系數(shù)之比，即n=Kvmax/Kvn；h為閥門開度，及h=H/H100；Kvs為全開度（H100）時(shí)的公稱Kv值。

根據(jù)試驗(yàn)工況，調(diào)節(jié)閥選型主要參數(shù)見表1。

圖2采用液氮、液氧冷調(diào)，閥門的開度—流量系數(shù)特性曲線

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特性

液氧供應(yīng)系統(tǒng)組成如圖1所示，采用高壓氮?dú)鈹D壓方式將貯箱中液氧通過氣動(dòng)截止閥、過濾器、高壓液氧輸送管道及液氧流量調(diào)節(jié)裝置，最后噴入液氧/空氣摻混器，經(jīng)與空氣混合，形成富氧空氣源進(jìn)入試車臺(tái)，完成補(bǔ)氧過程。其中，液氧流量測(cè)量裝置為科氏流量計(jì)，測(cè)量精度5‰，與調(diào)節(jié)閥形成閉環(huán)控制，并由試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)總流阻不超過0.5MPa。

因液氧系統(tǒng)一般先用液氮進(jìn)行冷凍，在液氮調(diào)試合格的基礎(chǔ)上再使用液氧調(diào)試，所以分別用液氮、液氧兩種介質(zhì)進(jìn)行冷調(diào)來獲得系統(tǒng)特性，部分調(diào)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

圖3調(diào)節(jié)閥對(duì)液氧流量的控制結(jié)果

由表2結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)冷調(diào)過程中對(duì)閥門的開度從10%到100%分別進(jìn)行測(cè)試，總體情況為在閥門開度較小時(shí)流量調(diào)節(jié)誤差偏大，正常開度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)精度在10%以內(nèi)，個(gè)別工況點(diǎn)受調(diào)節(jié)閥背壓變化調(diào)節(jié)精度略受影響。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

閥門經(jīng)過液氮、液氧調(diào)試，所獲得的真實(shí)閥門開度與流量系數(shù)關(guān)系曲線如圖2 所示。

由圖2可見，調(diào)節(jié)閥在液氮、液氧介質(zhì)調(diào)試過程中，理論開度-流量系數(shù)曲線和實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)一致，與壓降比s=0.9吻合。

通過對(duì)某型號(hào)試驗(yàn)臺(tái)補(bǔ)氧系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)，選擇典型的數(shù)次試驗(yàn)，各補(bǔ)氧流量如圖3所示。圖中縱坐標(biāo)qmL表示設(shè)定工況的液氧質(zhì)量流量，單位為kg/s，橫坐標(biāo)time表示試驗(yàn)時(shí)間，單位s。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)閥在使用過程中產(chǎn)生的誤差主要有以下幾個(gè)原因：

（1）受發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器反壓影響，調(diào)節(jié)閥出口壓力波動(dòng)較大，致使閥門進(jìn)出口壓差不穩(wěn)定，導(dǎo)致閥門開度隨壓差不斷變化，閥門處于震蕩狀態(tài)，所以在液氧流量控制圖中出現(xiàn)波動(dòng)曲線。

（2）調(diào)節(jié)精度受溫度影響較大，在等壓條件下，溫度對(duì)液氧的密度ρL、飽和蒸氣壓Pv、液體臨界壓力比系數(shù)FF等均有較大影響，總體趨勢(shì)是隨著溫度升高，閥門Kv值增大。經(jīng)計(jì)算，針對(duì)液氧介質(zhì)溫度T每上升10K，流量調(diào)節(jié)誤差增大2%～5%。

（3）由于試驗(yàn)介質(zhì)為低溫液體，在實(shí)際使用過程中，流過調(diào)節(jié)閥喉部的介質(zhì)不可避免地會(huì)存在氣-液兩相流，調(diào)節(jié)過程基本為等熵，當(dāng)調(diào)節(jié)閥壓降低于低溫介質(zhì)汽化壓力時(shí)，實(shí)際流量將小于理論值。

需要說明的一點(diǎn)是本次試驗(yàn)所有工況對(duì)應(yīng)的壓降比值DPF均小于1，不存在閃蒸情況。對(duì)液體的調(diào)節(jié)過程也伴隨噪聲的產(chǎn)生，在此不做相關(guān)討論。

結(jié)論

通過液氧供給系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了對(duì)數(shù)調(diào)節(jié)閥在液氧和液氮兩種介質(zhì)環(huán)境下的使用特性參數(shù)，并根據(jù)調(diào)節(jié)閥對(duì)液氧流量的控制曲線圖，分別對(duì)閥后壓力、溫度以及兩相流三種因素對(duì)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度的影響原因和影響程度進(jìn)行分析?；谀壳霸囼?yàn)數(shù)據(jù)有限，精確量化以上因素對(duì)精度的影響程度還較為困難，后期可以對(duì)溫度和兩相流兩個(gè)因素對(duì)調(diào)節(jié)閥的工作特性影響程度進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)閥在深冷環(huán)境中的調(diào)節(jié)精度。

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中圖分類號(hào)：TQ116

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A