大型暫沖式風(fēng)洞調壓閥設計與特性實(shí)驗

　　暫沖式風(fēng)洞依靠上游的壓力調節閥控制風(fēng)洞運行壓力，調壓閥的壓力調節性能和精度決定了風(fēng)洞的壓力控制精度。環(huán)狀縫隙型式的調壓閥可獲得線(xiàn)性或近似線(xiàn)性的調節特性，且具有閥后氣流對稱(chēng)性好、調節范圍寬、閥芯移動(dòng)過(guò)程中阻力變化均勻等優(yōu)點(diǎn)，適合用于風(fēng)洞調壓。為了進(jìn)一步增大調壓閥的流通能力，可采取雙閥并聯(lián)調壓的方式。給出了某大型暫沖式風(fēng)洞主調壓閥的型面設計方法和性能預測，并給出了性能實(shí)測結果。

　　符號說(shuō)明

　　S———閥門(mén)套筒調節行程，mm

　　Smax———閥門(mén)套筒的最大調節行程，mm

　　———閥門(mén)套筒的相對調節行程， =S/Smax

　　D———閥門(mén)前后管道直徑，mm

　　Ft———閥門(mén)前后管道截面積，mm2

　　———閥門(mén)初始開(kāi)啟面積比，

　　———最大開(kāi)啟面積比，

　　———指數特性曲線(xiàn)與直線(xiàn)特性曲線(xiàn)過(guò)渡點(diǎn)

　　———閥門(mén)環(huán)狀縫隙面積與管道截面積之比

　　———節流時(shí)閥門(mén)環(huán)狀縫隙面積與管道面積之比

　　x———型面橫坐標，mm

　　y———型面縱坐標，mm

　　p02———閥后總壓，Pa

　　p01———閥前總壓，Pa

　　ν———壓力恢復系數，ν=p02/p01

　　λ2——————閥后管道速度系數

　　Z(λ)———沖量函數

　　K———比熱比，空氣k=1.4

　　G———氣流流量，kg/s

　　R———氣體常數，J/(kg·K)

　　V———氣源容積，m3

　　To———氣體總溫，K

　　在下吹式跨超聲速風(fēng)洞中，壓力調節閥用于控制穩定段內的氣流壓力，風(fēng)洞運行過(guò)程中，隨著(zhù)氣源壓力的下降，通過(guò)控制系統調節控制調壓閥的開(kāi)度，以保證穩定段內氣流壓力穩定在某一運行壓力值，維持風(fēng)洞的正常運行。由于大型暫沖式風(fēng)洞試驗對其調壓閥氣動(dòng)力要求的特殊性：(1)與調節機構有關(guān)的節流阻力應當均勻地變化，以保持相同閥芯位移引起相近的壓力變化;(2)應具有很高的調節速度，以減小風(fēng)洞的耗氣量;(3)調壓閥應具有較小的全開(kāi)位置阻力，以提高氣源的截止壓力;(4)壓力調節特性(能力)在理論上的可預知性，以確保對風(fēng)洞調壓能力的實(shí)現。因此，采用工業(yè)管道閥門(mén)難以滿(mǎn)足要求。

　　目前風(fēng)洞中常用調壓閥有以下幾種類(lèi)型：(1)窗孔型套筒閥，其優(yōu)點(diǎn)是閥后氣流對稱(chēng)性好，調節特性可適應風(fēng)洞運行壓力控制的要求，但存在壓力調節范圍窄、套筒移動(dòng)過(guò)程阻力變化不均勻和全開(kāi)位置阻力大等缺點(diǎn);(2)錐形調壓閥，它具有調節范圍寬和操作慣性大的特點(diǎn);(3)環(huán)狀縫隙調壓閥，其可在主要工作狀態(tài)下獲得線(xiàn)性或近似線(xiàn)性的調節特性，且具有閥后氣流對稱(chēng)性好，調節范圍寬，閥芯移動(dòng)過(guò)程中阻力變化均勻及全開(kāi)狀態(tài)阻力小等優(yōu)點(diǎn)。另外，相關(guān)的文獻表明其調壓特性的理論模型預測值與試驗結果吻合良好�；�于上述特點(diǎn)，國內外新建的暫沖式風(fēng)洞多采用該類(lèi)型的調壓閥，比如我國最大的2.4m×2.4m引射式跨聲速風(fēng)洞主調壓閥采用的就是環(huán)狀縫隙調壓閥，較好地滿(mǎn)足了風(fēng)洞調壓性能需求，其結構簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 環(huán)狀縫隙調壓閥結構簡(jiǎn)圖

　　介紹了我國某大型超聲速風(fēng)洞主調壓閥的氣動(dòng)設計和相關(guān)調試結果。

1、調壓閥設計工況介紹

　　該大型超聲速風(fēng)洞試驗段尺寸為2m×2m，試驗ma數范圍為1.5～4.0，采用全柔壁噴管實(shí)現馬赫數的階梯變化。同時(shí)需要實(shí)現降速壓和增速壓運行，風(fēng)洞流量范圍約(300～4000)kg/s，要適應如此寬廣的運行壓力和流量范圍，上游調壓閥的配置將是一個(gè)難點(diǎn)。

　　同時(shí)，由于風(fēng)洞采用中壓氣源供氣，系統容積有限。假如氣源總容積約1萬(wàn)立方米，儲氣最高壓力約2MPa，運行最低截止壓力約0.6MPa，則極限情況下風(fēng)洞運行時(shí)間約為35s。因此為了滿(mǎn)足風(fēng)洞吹風(fēng)時(shí)間的需求，要求閥門(mén)具有快速的壓力調節能力以增長(cháng)穩定運行時(shí)間，具有良好的壓力調節精度滿(mǎn)足對風(fēng)洞總壓控制精度的要求。

2、設計思想和原則

　　該控制閥的設計思想是：充分利用引導性試驗研究成果和吸取以往大型暫沖式風(fēng)洞控制閥設計建設中的成熟經(jīng)驗，降低技術(shù)風(fēng)險。同時(shí)采用可靠的工程設計方法確保其壓力調節特性滿(mǎn)足風(fēng)洞寬廣運行范圍和精度要求。

　　設計原則：統籌風(fēng)洞高馬赫數和低馬赫數壓力調節需求，覆蓋風(fēng)洞全馬赫數調節范圍;統籌風(fēng)洞性能和效率，確保高效、實(shí)用、經(jīng)濟。

3、氣動(dòng)設計

　　3.1、閥門(mén)配置方案確定

　　該超聲速風(fēng)洞具有試驗馬赫數和壓力運行范圍寬的特點(diǎn)，采用單一的閥門(mén)配置進(jìn)行壓力調節時(shí)存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是閥門(mén)調壓特性曲線(xiàn)難以兼顧風(fēng)洞所有的運轉馬赫數，對在非設計點(diǎn)下風(fēng)洞的調壓精度、運行時(shí)間均會(huì )造成不利影響;二是閥門(mén)口徑大，依托國內工業(yè)基礎進(jìn)行制造困難。為解決該矛盾，采取了主閥與旁路閥并聯(lián)組合調壓的型式，氣動(dòng)輪廓見(jiàn)圖2。旁路閥只有全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài)，無(wú)調壓型面曲線(xiàn)，在試驗段馬赫數較低、流量較大的狀態(tài)下，通過(guò)開(kāi)啟旁路閥改善主調壓閥的壓力調節特性，滿(mǎn)足風(fēng)洞所有運轉狀態(tài)的壓力調節。這種閥門(mén)配置方式通過(guò)了引導性試驗的驗證，確定是可行的。

圖2 閥門(mén)配置方案

　　3.2、閥門(mén)管徑D

　　根據氣動(dòng)總體性能設計參數、氣源工作壓力以及閥后氣流速度的限制經(jīng)驗參數等因素綜合確定主調壓閥直徑約2m，旁路閥直徑約1.2m。風(fēng)洞所有運行馬赫數下的閥后管道內氣流速度系數λ值限制在0.05～0.50范圍內。

　　3.3、閥芯最大行程

　　閥芯最大行程Smax取值要合理，行程太大則驅動(dòng)功率大，且軸向尺寸大，行程太小則控制過(guò)于靈敏而影響調節精度。根據風(fēng)洞性能要求，國內外使用的環(huán)狀縫隙調壓閥調節行程多為(0.15～0.70)D。根據該風(fēng)洞尺寸大的特點(diǎn)，為使調壓系統延時(shí)效應與壓力穩定性(縮短壓力非穩定過(guò)程)之間得到合理的協(xié)調，主調壓閥閥芯行程取值Smax=0.325D，約650mm。

　　3.4、閥門(mén)最大和最小開(kāi)度

　　閥門(mén)最大開(kāi)度 取值過(guò)大時(shí)，閥門(mén)調壓過(guò)程會(huì )過(guò)于緩慢。過(guò)小的 值，使氣罐終止使用壓力過(guò)高，特別不利于中壓氣罐貯氣壓力的充分利用。根據中壓氣源的氣罐終止使用壓力及流量特性，調壓閥最大開(kāi)度 值約為60.4%。閥門(mén)最小開(kāi)度 的取值需確保閥后最低壓力的實(shí)現。根據控制閥門(mén)的工作壓力與流量調節范圍，閥門(mén)最小開(kāi)度 取值范圍為0.005～0.025，主調壓閥門(mén)最小開(kāi)度 值約為2%。

　　3.5、閥門(mén)型面特性曲線(xiàn)

　　為保證壓力調節的穩定性，閥門(mén)型面曲線(xiàn)常取為指數特性曲線(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)在于任何調節狀態(tài)下，閥后壓力相對變化量基本上是呈線(xiàn)性比例于閥門(mén)調節行程的相對位移量，有利于閥門(mén)控制系統設計與壓力調節。該風(fēng)洞主調壓閥采用“修正指數特性”曲線(xiàn)作為調壓型面的設計方程。型面前段采用指數特性方程，尾段采用直線(xiàn)過(guò)渡到最大開(kāi)度，構成一條完整的閥門(mén)型面結構特性曲線(xiàn)。為了關(guān)閉緊密，閥門(mén)全閉至最小開(kāi)度之間以直線(xiàn)連接，然后相切過(guò)渡到指數特性曲線(xiàn)，直到閥門(mén)調節行程的約70%，后段采用的直線(xiàn)與指數特性方程出口處相切到全行程。后兩段曲線(xiàn)方程為：

　　閥門(mén)型面曲線(xiàn)由下列幾何特性方程組數值解求解得到，型面曲線(xiàn)坐標系見(jiàn)圖3。

圖3　閥門(mén)型面坐標系

　　由上式計算得到的主調壓閥幾何特性曲線(xiàn)方程如下，相對開(kāi)度隨閥芯變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 閥門(mén)相對開(kāi)度

　　3.6、閥門(mén)調壓特性預測

　　閥門(mén)在節流過(guò)程為等焓假設條件下，可以導出以下方程組：

(a)在 > 　　時(shí)，即氣流流過(guò)閥門(mén)的速度系數λ<1時(shí)：

　　即λ=1：

　　(b) 　　，即λ<1：

　　在旁路閥門(mén)開(kāi)啟情況下，上述計算公式中的閥門(mén)開(kāi)度F珚表示主調壓閥與旁路閥流通面積總和與閥門(mén)前后管道截面積之比。由上述閥門(mén)在節流與非節流狀態(tài)下的方程即可得到閥門(mén)的調壓特性曲線(xiàn)，具體的推算這里不再重復，下面給出預測結果。

　　旁路閥關(guān)閉狀態(tài)下的主調壓閥調壓性能預測曲線(xiàn)見(jiàn)圖5�？梢钥闯鲭S著(zhù)試驗段馬赫數的增加，閥后速度系數λ減小，調壓性能曲線(xiàn)整體上移，相同閥芯相對位置下的閥后和閥前壓比逐漸增大。在相同馬赫數下，調壓閥性能曲線(xiàn)的前段和尾段變化曲率較小，中間部分變化曲率較大，這是主要的壓力調節區間。該區間調壓敏感，閥芯運行穩定。

圖5　閥門(mén)調壓特性預測曲線(xiàn)(旁路閥關(guān)閉)

　　另外，可以看出采用單閥時(shí)在低馬赫數(Ma=1.5)下的流通能力明顯不足，閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的壓比最大約為0.52，這會(huì )導致風(fēng)洞運行時(shí)氣源的截止壓力偏高，氣源供氣能力難以充分發(fā)揮，難以滿(mǎn)足風(fēng)洞低馬赫數和大流量下運行時(shí)對吹風(fēng)時(shí)間的要求，這也是為什么需要配置旁路的直接原因。

　　旁路閥開(kāi)啟狀態(tài)下的調壓性能預測曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。對比圖5可以看出由于旁路閥開(kāi)啟大大增加了閥門(mén)的初始流通能力，在閥芯全部打開(kāi)時(shí)，所有低馬赫數下的壓比均大于0.90，運行時(shí)氣源的截止壓力大大降低，低馬赫數運行時(shí)，閥門(mén)調壓能力大大增強。因此采用雙閥并聯(lián)調壓可很好解決低馬赫數下單閥調壓能力不足的問(wèn)題。

圖6 閥門(mén)調壓特性預測曲線(xiàn)(旁路閥開(kāi)啟)

4、調試結果與分析

　　風(fēng)洞穩態(tài)運行時(shí)閥門(mén)前后總壓實(shí)測結果如圖7所示�？梢钥闯鲩y門(mén)調壓特性曲線(xiàn)實(shí)測結果與理論預測曲線(xiàn)吻合良好。閥芯的運動(dòng)區域主要集中在最大位移的40%～70%，此區域閥門(mén)具有較高的調節靈敏度和較好的氣流動(dòng)態(tài)品質(zhì)。因此，對于大口徑的調壓閥，上述理論設計方法完全可滿(mǎn)足工程應用的需要。

圖7 閥門(mén)調壓特性理論與實(shí)測結果對比(旁路閥關(guān)閉)

　　圖8給出了低馬赫數時(shí)旁路閥開(kāi)啟狀態(tài)下調壓特性曲線(xiàn)的理論與實(shí)測結果對比，可以看出實(shí)測結果較理論值略有偏低。分析原因可能是由于閥后壓力滯后所致。因為該測試數據為旁路閥預先開(kāi)啟，主閥勻速打開(kāi)時(shí)閥后的動(dòng)態(tài)壓力值。無(wú)旁路閥開(kāi)啟，其它馬赫數下的閥門(mén)聯(lián)合調壓特性曲線(xiàn)，有待進(jìn)一步的試驗數據補充和驗證。

圖8 閥門(mén)調壓特性理論與實(shí)測結果對比(旁路閥開(kāi)啟)

5、基本結論

　　環(huán)狀縫隙調壓閥型式可滿(mǎn)足暫沖式風(fēng)洞的壓力調節能力需求。為了匹配寬廣流量下的壓力調節精度要求，可通過(guò)設置旁路閥，采取雙閥并聯(lián)調節的方式。同時(shí)對于大型的環(huán)狀縫隙調壓閥的調壓特性曲線(xiàn)，理論預測與實(shí)際性能吻合良好。