FL-3風洞噴流試驗高精度數字閥的設計與實現

季 軍,鄧祥東,白玉平,宋孝宇,李 勇

(1.中國航空工業空氣動力研究院,沈陽 100034; 2.高速高雷諾數氣動力航空科技重點實驗室,沈陽 100034)

0 引 言

以噴氣發動機為動力的飛行器，其高速噴流對飛行器縱向氣動特性、舵面效率、鉸鏈力矩以及操控性和穩定性均有一定影響。為了確定噴流對繞飛行器外部流動的干擾，充分利用有利干擾，合理布局飛行器有關部件，減少飛行器阻力，提高飛行器的操縱和穩定性品質，飛行器均需進行專門的噴流風洞試驗。

FL-3風洞噴流試驗過程與TPS試驗類似，其中一個很重要的部分是要求高精度的噴管推力測量能力，而要達到通常0.2％～0.3％的推力測量精度，首先需要具備噴流氣體流量達1～2g/s、相對精度約0.1％～0.2％的控制精度[1-4]。因此流量的精確控制是噴流、TPS試驗最為基礎和關鍵的環節。

目前國產最好的模擬調節閥流量控制精度僅為0.5％，進口閥門精度雖然滿足0.1％的指標要求[5]，但由于噴流試驗一次吹風過程流量和壓力調節跨度大、調壓閥工作點選定困難等原因，導致進口閥門的實際使用效果難以保證。同時普通調節閥存在行程較短、閥門動作具有一定的非線性、壓力調節滯后嚴重、管路間相互干擾等問題，因此選擇傳統的調節閥作為噴流試驗流量和壓力控制閥門存在一定的技術風險。

數字閥技術是解決以上技術風險的方法之一，本文嘗試采用數字閥技術實現FL-3風洞噴流試驗高壓氣體流量、壓力的高精度控制。

1 數字閥的設計指標和技術難點

FL-3風洞數字閥系統設計主要技術指標為：(1) 最高承壓10.0MPa；(2) 實現線性和階梯變流量兩種工況；(3) 閥前壓力為3.5MPa時流量控制范圍為5～5000g/s，絕對控制精度為±5g/s，相對控制精度優于0.1％FS；(4) 壓力控制范圍：0.1～3.5MPa；(5) 穩定控制響應時間小于30s。

數字閥的技術難點主要體現在以下幾個方面：

(1) 數字閥要求的流量調節精度高、范圍大、響應快難以實現。數字閥要求流量控制精度達±5g/s，相對精度0.1％FS，同時要求流量調節范圍大、穩定時間短，如何快速實現流量高精度調節是一個主要技術難點。

(2) 流量調節控制策略設計難。數字閥理論上以二進制最小步進連續調節，但由于噴管的實際加工精度與理論設計可能存在較大差異，很可能導致同一工作條件下，流量值分布不連續或出現振蕩。

2 數字閥的總體方案

本研究的數字閥由并聯、面積按二進制規則排列的11位噴管組成，圖1為其中1位的裝配示意圖。氣流依次經過電磁閥、高壓軟管和噴管后流出，系統通過開關不同位的電磁閥來控制每位管路的通斷以達到組合出不同流量的目的，同時起到壓力的精確控制。

圖1 數字閥系統分路示意圖

為提高系統的防腐性和避免雜質對系統的危害，數字閥管路均采用不銹鋼材質。考慮到方便拆卸、維修及經濟性，電磁閥采用螺紋連接，同時為避免管路焊接變形對電磁閥的影響，管路中段采用高壓軟管連接。

3 數字閥設計的關鍵技術

3.1數字閥的控制閥門

用于控制數字閥通斷的閥門是數字閥系統設計成功與否的關鍵之一，閥門需要在切換過程中不產生沖擊和滯后，不同通路閥門的開關時間還需要盡量保持一致，閥門切換時間越短越好。而傳統的快速開關閥門通常開關時間都在0.5s以上，且高壓作用下的沖擊與滯后問題不易解決，難以滿足高精度數字閥設計要求。

電磁閥的開關時間一般較短，可以滿足數字閥設計要求，但其中的通用電磁閥開閉時壓差直接作用于閥門上，高壓作用下也易產生沖擊與滯后，而對于其中的套筒式電磁閥，壓差對閥門的作用力小，適合高壓環境下閥門的快速開關，且性能安全可靠，因此選擇德國生產的二位二通套筒式電磁閥作為數字閥通斷閥門，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型的開關時間存在一定差異(見表1)，其口徑為32mm的電磁閥開關最大時間達0.44s，遠大于其它類型電磁閥開關時間。為了減少各閥門在參數上尤其是時間上的差異，增加閥門切換過程中的穩定性，同時也減少系統中閥門的種類，且方便維護和管理，數字閥系統均選用孔徑在25mm以內的電磁閥(數字閥系統大口徑通路則采用多位孔徑為25mm的電磁閥組合實現)，閥門控制時間均在0.1s左右，相對于傳統通斷閥門具有較大優勢，可以滿足設計要求。

表1 套筒式電磁閥參數

3.2數字閥的噴管設計

數字閥噴管型面設計同樣是數字閥系統設計的關鍵因素，數字閥要有高的壓力控制能力，同時要保證整體閥門在工作范圍內總壓損失盡量小，故選擇文氏噴管作為數字閥噴管。

根據文氏管的4種工作狀態可知，在等熵條件下，噴管喉道氣流達到聲速的條件是下游靜壓小于臨界壓力，當給定不同的喉道與出口面積之比q(λ)時，均可求出不同的壓比π(λ)。本文數字閥噴管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，即在出口靜壓與入口總壓壓差超過0.05倍時即可達臨界狀態，以往使用經驗表明，如果出口靜壓與入口總壓壓差超過0.09[6-7]倍，則噴管達到臨界狀態。

根據國內外相關資料[5-7]，本研究的文氏噴管設計采用以下準則：

(1) 噴管整個收縮段至喉道下游某點(此點斜率與圓錐段的斜率相等)曲線半徑相等，即為一個圓弧段，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流量系數的影響量大致等于由喉道彎曲產生的徑向速度對流量系數產生的影響；

(2) 圓弧段與噴管圓錐擴散段相切；

(3) 加工過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)統一取為5.82。文獻[7]指出這可使噴管的入口馬赫數僅在0.1附近，且總壓損失較小，即使發生分離，總壓損失也只在0.7％左右；

(5) 本文噴管收縮段長度均取為1.438倍的噴管喉道直徑；

(6) 關于圓錐擴散段的擴張角，要求并不非常嚴格，只要確保氣流不分離同時又能保證擴壓效率，一般建議取4°～6°，本文噴管設計取擴張角為5°。

根據以上準則，本文數字閥選用11位數字閥，噴管各項設計參數和相應的計算結果如圖3和表2所示。其中m為設計噴管入口總壓3.5MPa、總溫288K時的質量流量，d為喉道直徑，DE為噴管出口直徑，Di為噴管入口直徑，a為擴張段半擴角，R為收縮段曲線半徑，L1表示噴管入口到喉道處的長度，L2表示從相切點到噴管出口的長度。

經計算，當數字閥閥前氣流總溫為288K，總壓3.5MPa時，前10位數字閥最大流量為5.115kg/s，為了利于其它大流量試驗，必要時開啟第11位數字閥，此時最大流量達10.235kg/s。

圖3 數字閥噴管尺寸參數

表2數字閥噴管截面尺寸(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：數字閥第10位和11位分別采用2個和4個尺寸與第9位相同的噴管實現。

4 數字閥的調試

4.1FL-3風洞高壓供氣與控制系統

FL-3風洞的高壓氣源由4個總容積為60m3的高壓貯氣罐組成，設計壓力為10MPa，空氣壓縮機為2臺，單臺排氣量為8m3/min，空氣經干燥、過濾后進入氣源。

整個高壓供氣系統如圖4所示，壓縮空氣自氣源流出，經安全閥、總閘閥、三級減壓閥、電動截止閥和科式流量計后進入數字閥，進行噴流和TPS等試驗時，高壓氣體在流經數字閥后通過供氣膠管、供氣軟接頭和供氣支撐進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風洞噴流試驗配套設備

Fig.4SketchofthrustvectoringtestingsysteminFL-3

流量及壓力控制系統由計算機、采集板、高精度壓力傳感器、科式流量計和數字閥等組成閉環控制系統，該系統控制方法上采用PID算法進行流量或總壓反饋控制。

4.2數字閥地面測試結果

FL-3風洞數字閥安裝示意圖如圖5所示。圖6為數字閥目標流量為100、300和500g/s時流量隨時間的變化控制曲線，3條曲線均在15s內穩定在目標值±1g/s范圍內，該流量控制精度達±1g/s。圖7則為目標流量為400和600g/s的流量控制曲線，該流量情況下流量控制精度稍差，控制精度在±3g/s范圍內。其它流量調試結果表明，FL-3風洞數字閥流量控制精度均小于設計指標±5g/s，且效果平穩，重復性好，穩定時間均小于15s。

圖5 FL-3風洞噴流數字閥

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

圖6 線性變流量控制曲線

Fig.6Controlcurvesofmassflow

圖8為FL-3風洞某飛機雙噴推力矢量試驗噴流總壓精確控制曲線，該飛機噴管最大狀態與加力狀態下噴流總壓分別為260和360kPa，對應的流量分別為1698和2200g/s，結果表明數字閥的噴流壓力控制精度優于0.3％。

但該數字閥也存在二進制系統的固有缺陷(見圖9)，即數字閥文氏噴管由于加工問題，部分喉道的實際流量和設計流量出現一定差異，導致在同一工作壓力條件下，個別流量控制精度有一定下降，需要進一步剔除不滿足加工精度的噴管。

(1#、2#流量均設定為400g/s,3#、4#流量均設定為600g/s)

(1#、2#總壓均設定為260kPa,3#、4#總壓均設定為360kPa)

圖9 階梯變流量控制曲線

5 結 論

所設計的FL-3風洞噴流試驗數字閥流量絕對控制精度小于±5g/s，相對精度優于0.1％FS，且具有可調范圍寬、響應時間快、效果平穩無毛刺等優點，同時簡化了控制形式及供氣管路結構，滿足了FL-3風洞噴流試驗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一步提高至±1～±2g/s。

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作者簡介:

季軍(1985-)，男，廣西桂林人，碩士，工程師。研究方向：高速風洞動力模擬、噴流試驗研究。通信地址：遼寧省沈陽市皇姑區陽山路1號(100034)。E-mail: yuanfangjijun@163.com