曹 靜， 原佳陽2， 徐 亮

(1.南京機(jī)電液壓工程研究中心 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210061；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

引言

伺服引氣閥是航空發(fā)動機(jī)空氣渦輪起動系統(tǒng)的重要組成元件；它連接輔助動力裝置(APU)和空氣渦輪起動機(jī)，調(diào)節(jié)進(jìn)入下游渦輪起動機(jī)氣體的流量和溫度，直接作用于發(fā)動機(jī)的第一次起動；其性能的好壞對于發(fā)動機(jī)起動的快速性穩(wěn)定性以及渦輪葉片的壽命有重要的影響[1-2]。蝶閥是伺服引氣閥的功率級主閥，其壓力損失特性直接影響著伺服引氣閥的流量和溫度控制精度[3]。

18世紀(jì)末，James Watt首次將蝶閥應(yīng)用于蒸汽機(jī)中[4-5]；1969年，James E Hemphill改進(jìn)了蝶閥結(jié)構(gòu)，減小了蝶板開啟的阻力矩，蝶閥開始了更大規(guī)模的應(yīng)用[6]。壓力損失特性作為蝶閥的重要特性之一，得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注；KIMURA等[7]建立了液壓蝶閥力矩特性和壓力損失特性的計(jì)算方法；SUN等[8]研究了蝶板表面粗糙度對流量系數(shù)的影響；CORBERA等[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對蝶閥流量、阻力矩和壓力損失進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化；SHEDID[10]研究了Al2O3/水納米流體流經(jīng)蝶閥時的壓力損失情況。楊志賢等[11]研究了液壓蝶閥的流量系數(shù)、液動力矩等流動特性。目前，國內(nèi)外對航空發(fā)動機(jī)氣壓蝶閥特性的研究較為少見。

針對某型伺服引氣閥中蝶閥的壓力損失特性進(jìn)行分析；建立蝶閥壓力損失計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，研究開啟角度、供氣壓力、供氣溫度和工作海拔高度對蝶閥壓力損失的影響；最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 伺服引氣閥工作原理

伺服引氣閥主要由減壓閥、電磁開關(guān)閥、單噴嘴擋板閥、作動筒和蝶閥構(gòu)成；伺服引氣閥工作原理如圖1所示。減壓閥將減壓閥出口壓力穩(wěn)定在某一特定值，避免輔助動力裝置供氣壓力波動對伺服引氣閥工作狀態(tài)和性能的影響。初始狀態(tài)時，電磁開關(guān)閥不通電，工作在右位，此時作動筒上下腔壓力均為環(huán)境壓力，作動筒活塞在彈簧力作用下位于上極限位置，蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)需要蝶閥打開時，電磁開關(guān)閥得電，減壓閥出口的高壓氣體進(jìn)入作動筒上腔， 作動器活塞在壓力作用下伸出，通過四桿機(jī)構(gòu)推動蝶閥閥板開啟；通過控制單噴嘴擋板閥的噴嘴與擋板間隙可以調(diào)節(jié)作動筒上腔壓力，進(jìn)而對蝶閥開啟角度進(jìn)行控制；根據(jù)閥板轉(zhuǎn)軸處角位移傳感器的反饋信號，對蝶閥開啟角度的伺服控制。

1.減壓閥 2.排氣孔 3.固定節(jié)流孔 4.電磁開關(guān)閥 5.單噴嘴擋板閥 6.作動筒 7.蝶閥 8.角位移傳感器 9.電子控制器

如圖2所示為蝶閥氣流通道結(jié)構(gòu)示意圖，改變蝶閥開啟角度可以改變氣流通道的節(jié)流面積，從而控制下游渦輪起動機(jī)的供氣量；圖中截面1和截面2分別為蝶閥氣流通道的入口截面和出口截面。

圖2 蝶閥氣流通道結(jié)構(gòu)示意圖

為了計(jì)算工作過程中蝶閥造成的壓力損失，根據(jù)實(shí)際的渦輪起動機(jī)結(jié)構(gòu)，將蝶閥下游的渦輪起動機(jī)氣流通道等效為沿軸向均勻分布的若干個節(jié)流通道，每個通道長17 mm，總節(jié)流面積為2300 mm2，渦輪起動機(jī)等效氣流通道示意圖如圖3所示。

圖3 渦輪起動機(jī)等效氣流通道示意圖

2 蝶閥壓力損失計(jì)算方法

2.1 理論計(jì)算方法

若忽略氣流與管道黏性摩擦造成的壓力損失，則有蝶閥節(jié)流公式為[12-13]:

(1)

式中，Q1為通過蝶閥氣體的質(zhì)量流量，kg/s；p1為APU供氣壓力，Pa；p2為蝶閥下游氣體壓力，Pa；T1為APU供氣溫度，K；C為蝶閥閥口流量系數(shù)，取0.82； R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；k為絕熱指數(shù)，取1.4；A1為蝶閥節(jié)流面積，m2，忽略蝶閥板厚度，近似有:

(2)

式中，D為通過蝶閥閥板直徑，m；α為蝶閥開啟角度，rad。

渦輪起動機(jī)等效氣流通道的節(jié)流公式為：

(3)

式中，Q2為通過渦輪起動機(jī)氣體的質(zhì)量流量，kg/s；p0為大氣壓力，Pa；A2為蝶閥節(jié)流面積，m2；T2為蝶閥下游氣體溫度，K。

忽略氣體泄漏，并假設(shè)蝶閥前后氣體溫度不變，即:

Q1=Q2，T1=T2

(4)

綜上，聯(lián)立式(1)～式(4)，可以求得不同開啟角度時的蝶閥下游壓力p2。p2與APU供氣壓力p1的差值即為氣體流過蝶閥的壓力損失，記為Δp。

2.2 基于計(jì)算流體力學(xué)的蝶閥壓力損失數(shù)值計(jì)算

1) 三維流場網(wǎng)格劃分

上游蝶閥與下游渦輪起動機(jī)氣流通道共同構(gòu)成了待求解三維氣流流場；采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格將流場離散，并在蝶閥閥板表面和通道壁面上繪制邊界層。以流經(jīng)出口的氣體質(zhì)量流量為指標(biāo)，對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，確定了計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定且計(jì)算代價盡可能小的網(wǎng)格密度。如圖4所示，為最終確定的蝶閥開啟角度45°時的流場中心截面網(wǎng)格，對應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目約為50.5萬個。

圖4 流場中心截面網(wǎng)格(蝶閥開啟角度45°)

2) 邊界條件及求解器設(shè)置

設(shè)置圖2中截面1為流場入口，渦輪起動機(jī)氣流出口為流場出口；流場入口和出口的壓力溫度條件隨伺服引氣閥工作海拔的變化而變化，如表1所示，為不同海拔高度時流場進(jìn)出口的邊界條件。

表1 不同海拔高度時流場進(jìn)出口的邊界條件

基于Fluent，采用分離的隱式求解器進(jìn)行流場求解；選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型，考慮流體黏性發(fā)熱和可壓縮性；采用COUPLED格式對速度和壓力進(jìn)行耦合，采用二階上風(fēng)離散格式對控制方程進(jìn)行離散。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及討論

如圖5所示， 為計(jì)算得到的流場中心截面壓力云圖。從圖中可以看出，隨著蝶閥開啟角度的增加， 蝶閥進(jìn)出口的靜壓和總壓壓差均減小，但靜壓和總壓的計(jì)算結(jié)果有所不相同，特別是蝶閥下游氣流速度較快，使得靜壓值遠(yuǎn)小于總壓。本研究計(jì)算統(tǒng)計(jì)截面1和截面2的平均總壓差值，作為氣流流經(jīng)蝶閥的壓力損失結(jié)果。

圖5 流場中心截面壓力云圖

3.1 供氣溫度對蝶閥壓力損失的影響

如圖6所示，為供氣壓力p1為335 kPa，出口壓力p0為101 kPa，出口溫度T0為15 ℃，蝶板開啟角度為63°(70%最大開度)時，供氣溫度對蝶閥壓力損失的影響。

根據(jù)式(1)，供氣溫度對氣體節(jié)流特性無較大影響，因此，如6a所示供氣溫度變化對蝶閥流場的總壓分布影響較小；并且，圖中6b表明，隨著供氣溫度T1的升高，蝶閥壓力損失Δp無明顯變化。

圖6 供氣溫度對蝶閥壓力損失的影響

3.2 入口壓力的影響

如圖7所示，為供氣溫度T1為190 ℃，出口壓力p0為101 kPa，出口溫度T0為15 ℃，蝶板開啟角度為63°時，供氣壓力對蝶閥壓力損失的影響。

圖7 供氣壓力對蝶閥壓力損失的影響

圖7a為蝶閥流場總壓與入口壓力比值云圖，從圖中可以看出，入口壓力的提高幾乎不影響蝶閥流場中總壓與供氣壓力的比值。圖7b中，隨著供氣壓力的升高，蝶閥兩側(cè)的總壓壓降呈線性增加；但蝶閥壓力損失占總壓降的百分比np基本不變，這說明入口壓力p1的改變不影響蝶閥和渦輪起動機(jī)上的壓降分配比例。

3.3 海拔高度的綜合影響

海拔高度的改變使得供氣和環(huán)境的壓力溫度發(fā)生變化，根據(jù)表1的邊界條件，可得到如圖8所示的不同海拔高度對應(yīng)的蝶閥壓力損失。由于蝶閥壓力損失與溫度變化不相關(guān)，因此高海拔時蝶閥壓力損失的降低與供氣壓力的減小有關(guān)。

圖8 不同海拔高度的蝶閥壓力損失

4 蝶閥壓力損失的試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究對伺服引氣閥工作過程中蝶閥壓力損失的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)原理圖如圖9所示；供給壓力660 kPa，溫度190 ℃的高壓氣體，經(jīng)過定壓減壓閥后，輸出恒定壓力為335 kPa的氣體；氣流先后經(jīng)過伺服引氣閥氣流通道和渦輪起動機(jī)等效節(jié)流孔；通過壓力表測量伺服引氣閥氣流通道前后壓力值。由于現(xiàn)有壓力表僅能測量氣體的靜壓力，為了避免氣流速度對測量結(jié)果的影響，將入口壓力表置于氣流通道入口上游75 mm處，出口壓力表位于氣流通道出口下游700 mm處，這兩個測壓點(diǎn)處的管道直徑相同，氣體流速相同且均勻；兩個壓力表讀數(shù)的差值等于兩處氣體總壓力之差。

1.定壓減壓閥 2.流量計(jì) 3.入口壓力表 4.伺服引氣閥氣流通道 5.出口壓力表 6.渦輪起動機(jī)等效節(jié)流孔

試驗(yàn)時，首先調(diào)節(jié)渦輪起動機(jī)等效節(jié)流孔的節(jié)流面積為2300 mm2；然后控制蝶閥開啟角度為某一定值，通入高壓氣體，讀取兩壓力表讀數(shù)差值Δpx；讀取流量計(jì)讀數(shù)，得到對應(yīng)的氣體質(zhì)量流量Q；之后，去除伺服引氣閥氣流通道，將原入口管道和出口管道直接連接，調(diào)節(jié)渦輪起動機(jī)等效節(jié)流孔面積，當(dāng)氣體質(zhì)量流量等于Q時，讀取兩壓力表讀數(shù)差值Δp0作為測量管道的壓力損失。則蝶閥壓力損失Δp可表示為:

Δp=Δpx-Δp0

(5)

如圖10所示，為蝶閥壓力損失試驗(yàn)結(jié)果；得到了不同蝶閥開啟角度對應(yīng)的蝶閥壓力損失。從圖中可以看出，理論計(jì)算結(jié)果和CFD數(shù)值分析結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

圖10 蝶閥壓力損失試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 建立了蝶閥壓力損失計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，同時通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算了蝶閥的壓力損失，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比表明，本研究的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測蝶閥壓力損失情況；

(2) 計(jì)算結(jié)果表明，供氣壓力的升高增大了蝶閥壓力損失，但不改變蝶閥和渦輪起動機(jī)上的壓降分配比例；而蝶閥壓力損失不受供氣溫度的影響；隨著蝶閥工作海拔的升高，其壓力損失逐漸降低。