三轉(zhuǎn)子式流體比例控制器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

黃英杰,白坤雪,馬小錄,李國占,王玉剛,張洪軍

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江杭州310018；2.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七〇五研究所，陜西西安 710077)

0 前言

由燃燒劑、氧化劑和冷卻劑配比而成的三組元推進(jìn)劑廣泛應(yīng)用于水下熱動(dòng)力系統(tǒng)，顯著提高了水下航行體的航程、安靜性和可靠性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。然而，推進(jìn)劑能效的發(fā)揮強(qiáng)烈依賴于三組元推進(jìn)劑的配比比例精度，這一直是制約水下熱動(dòng)力系統(tǒng)品質(zhì)的重要瓶頸。

比例控制器決定了三組元推進(jìn)劑的配比比例精度，它本質(zhì)上是由3套共軸同轉(zhuǎn)速的容積式計(jì)量部件構(gòu)成，工作時(shí)3路組元分別流入比例控制器中相互獨(dú)立的3路流道。燃料泵決定3路的總流量，理論上3路組元的體積流量比例取決于3套計(jì)量部件的容積比即軸向尺寸，且不受外界環(huán)境變化影響；但由于比例控制器內(nèi)泄漏的影響，3路組元的實(shí)際配比比例精度往往不高[1]。國內(nèi)學(xué)者采用理論分析、試驗(yàn)和仿真等手段對(duì)比例控制器進(jìn)行了研究。羅凱等人[2]指出配合間隙和工作壓差決定了滑片式比例控制器的泄漏量，并結(jié)合各種影響因素運(yùn)用中值優(yōu)化思想給出了比例調(diào)節(jié)方法。王鷹等人[3]基于羅茨流量計(jì)的工作原理，提出了羅茨式比例控制器并分析了前后壓差對(duì)其泄漏量的影響，且進(jìn)一步研究了面積利用系數(shù)、定子內(nèi)徑和端面間隙等參數(shù)對(duì)比例控制器配比精度的影響[4]。王路等人[5]基于橢圓齒輪流量計(jì)工作原理，提出了橢圓齒輪式比例控制器并對(duì)其各泄漏影響因素進(jìn)行了分析，通過比例中值優(yōu)化提高配比精度。最近，孟睿等人[6]則采用數(shù)值模擬研究了工作壓差、配合間隙和葉片數(shù)對(duì)滑片式比例控制器的影響規(guī)律。

綜上所述，由于比例控制器使用場合特殊，國內(nèi)外相關(guān)公開資料很少且當(dāng)前技術(shù)問題始終沒有徹底解決，因此研制高配比精度的比例控制器是提升水下熱動(dòng)力系統(tǒng)品質(zhì)亟需解決的難題。

鑒于此，本文作者基于三轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理，提出了三轉(zhuǎn)子式比例控制器，搭建了比例控制器試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)所研制的工程樣機(jī)進(jìn)行測試，以驗(yàn)證三轉(zhuǎn)子式比例控制器在定流量和變流量工況下的性能。

1 比例控制器結(jié)構(gòu)形式

三轉(zhuǎn)子式比例控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括3套容積式計(jì)量部件、上端蓋、軸承板、下端蓋、齒輪組和齒輪蓋等主要零件。其中，容積式計(jì)量部件由鋼體外殼、矩形排量轉(zhuǎn)子和圓弧形阻漏轉(zhuǎn)子構(gòu)成，而且排量轉(zhuǎn)子通過葉片槽與傳動(dòng)軸連接，阻漏轉(zhuǎn)子通過孔軸配合與傳動(dòng)軸連接；排量轉(zhuǎn)子與阻漏轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)軸采用滑動(dòng)軸承進(jìn)行支撐和減小摩擦，并通過齒輪組實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。上端蓋與下端蓋均為凸臺(tái)設(shè)計(jì)并與鋼體外殼配合，設(shè)置有密封槽和軸承孔。軸承板則為平板結(jié)構(gòu)，也設(shè)置有密封槽和軸承孔。齒輪蓋則用來防異物、防塵、防潤滑油流失等。三轉(zhuǎn)子式比例控制器通過4根對(duì)角螺栓實(shí)現(xiàn)定位和固定，且其中2根對(duì)角螺栓為階梯狀。

2 工作原理

如圖2所示，三轉(zhuǎn)子式比例控制器的每套計(jì)量部件均由不銹鋼外殼及內(nèi)含的2個(gè)排量轉(zhuǎn)子和1個(gè)阻漏轉(zhuǎn)子構(gòu)成，而且3個(gè)轉(zhuǎn)子分別安裝在3個(gè)聯(lián)動(dòng)軸上，其中排量轉(zhuǎn)子在其半圓柱型腔室內(nèi)正向旋轉(zhuǎn)，阻漏轉(zhuǎn)子則以排量轉(zhuǎn)子一半轉(zhuǎn)速在其90°柱型腔室內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)。任意時(shí)刻任意旋轉(zhuǎn)位置，外殼、阻漏轉(zhuǎn)子和至少1個(gè)排量轉(zhuǎn)子均會(huì)形成1個(gè)封閉腔室，以防止上下游流體之間的相互流動(dòng)[7]。比例控制器的3套計(jì)量部件結(jié)構(gòu)上完全相同，其軸向高度依據(jù)配比比例設(shè)計(jì)，實(shí)際工作時(shí)3路組元分別流入各自的計(jì)量部件，共同推動(dòng)比例控制器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而任意流量工況下3路組元均按照控制比例輸出。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

比例控制器試驗(yàn)測試系統(tǒng)由離心泵、變頻器、流量計(jì)、壓力表、壓力變送器、背壓閥和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖3所示。其中,變頻器用于調(diào)整離心泵的功率，主管路最大供給壓力為0.25 MPa，分為燃燒劑、氧化劑和冷卻劑3個(gè)支路且每個(gè)支路均安裝球形節(jié)流閥以調(diào)整供給壓力。3個(gè)電磁流量計(jì)分別測量3路的流量，流量計(jì)下游安裝了壓力表便于調(diào)整比例控制器各組元的入口壓力，而且比例控制器各組元管路的上下游均安裝了壓力變送器以獲得壓力損失。比例控制器3路出口在主管路匯合，而且此主管路安裝了背壓閥以調(diào)節(jié)管路壓力，背壓閥下游連接封閉水箱，水箱出口則與離心泵入口連接，形成封閉循環(huán)系統(tǒng)以保證水質(zhì)清潔。

試驗(yàn)測試時(shí)先啟動(dòng)離心泵，然后打開水箱出口閥門，流體經(jīng)主管路一分三，分別進(jìn)入3個(gè)支路和流量計(jì)，經(jīng)三轉(zhuǎn)子式比例控制器調(diào)節(jié)后在下游主管路匯合，最終流入水箱。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 定流量工況時(shí)比例控制器的性能

通過調(diào)整離心泵的功率來改變管路流量，研究不同流量時(shí)三轉(zhuǎn)子式比例控制器的配比比例。

圖4給出了不同流量工況點(diǎn)時(shí)比例控制器的配比比例。可知：定流量工況時(shí)，比例控制器氧化劑路的配比比例約為39%，冷卻劑路的配比比例約為42%，可見兩路的配比比例較為穩(wěn)定且無明顯波動(dòng)。此外，不同流量工況點(diǎn)之間的配比比例也一致。

圖5給出了三轉(zhuǎn)子式比例控制器氧化劑路的配比比例精度。可知：流量為10 L/min時(shí)，氧化劑路的配比比例精度在-4%～5%內(nèi)；流量為20 L/min時(shí)，氧化劑路的配比比例精度在-2%～2%內(nèi)；而流量為30 L/min時(shí)，氧化劑路的配比比例精度在-3%～5%內(nèi)。由此可知比例控制器氧化劑路的配比比例精度約為(38.75±5)%，配比比例精度可達(dá)5.0%。

圖6給出了三轉(zhuǎn)子式比例控制器冷卻劑路的配比比例精度。可知：流量為10 L/min時(shí)，冷卻劑路的配比比例精度在-4%～2%內(nèi)；流量為20 L/min時(shí)，冷卻劑路的配比比例精度在-1%～1%內(nèi)，流量為30 L/min時(shí)，冷卻劑路的配比比例精度在-2%～2%內(nèi)。由此可知比例控制器冷卻劑路的配比比例約為(42.65±4)%，配比精度高達(dá)4%。

表1給出了不同流量時(shí)三轉(zhuǎn)子式比例控制器各組元管路的壓力損失和配比比例。可知：相同流量工況下，比例控制器燃燒劑路造成的壓力損失最大，氧化劑路造成的壓力損失次之，冷卻劑路造成的壓力損失最小，而且比例控制器各組元管路造成的壓力損失隨著流量的增大而增加。比例控制器造成的壓力損失均低于0.05 MPa。此外，不同流量工況點(diǎn)時(shí)三轉(zhuǎn)子式比例控制器各組元的配比比例較為穩(wěn)定。

表1 比例控制器各組元管路的壓力損失

4.2 變流量工況時(shí)比例控制器的性能

通過緩慢調(diào)節(jié)離心泵的功率使得管路流量平穩(wěn)增大，研究管路流量逐漸增至最大流量時(shí)三轉(zhuǎn)子式比例控制器的性能。

圖7給出了流量逐漸增大時(shí)三轉(zhuǎn)子式比例控制器的配比比例。可知：比例控制器的配比比例隨著流量的變化而圍繞平均值微小波動(dòng)，而且配比比例波動(dòng)幅值隨著流量的增大而減小。這可能是由于雖然比例控制器的間隙泄漏量隨著流量的增大而增大，但泄漏量所占比例卻隨著流量的增大而減小，即間隙泄漏對(duì)比例控制配比比例的影響逐漸減小。

圖8給出了流量逐漸增大時(shí)三轉(zhuǎn)子式比例控制器的配比比例精度。可知：管路動(dòng)態(tài)變化時(shí)，比例控制器的配比比例精度較大，而且配比比例精度隨著流量的增大而減小，這是因?yàn)榇罅髁繒r(shí)比例控制器的配比比例更為穩(wěn)定。此外，冷卻劑路的配比比例精度也低于氧化劑路，這可能是因?yàn)槔鋮s劑路的流量較大時(shí)泄漏量所占比例較小。因此，后續(xù)減少配合間隙的泄漏量是提升三轉(zhuǎn)子式比例控制器性能的有效途徑。

圖9給出了三轉(zhuǎn)子式比例控制器3路造成的壓力損失。可知：管路流量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，比例控制器造成的壓力損失存在顯著波動(dòng)，而且燃燒劑和氧化劑路造成的壓力損失隨著流量的增加而增大，冷卻劑路造成的壓力損失則隨流量無顯著變化。此外，所測流量范圍內(nèi)燃燒劑路造成的壓力損失最大，氧化劑路造成的壓力損失次之，冷卻劑造成的壓力損失最小。

5 結(jié)語

文中基于三轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理，提出了三轉(zhuǎn)子式比例控制器且在某大學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)工程樣機(jī)進(jìn)行了測試，分析了大量程流量范圍內(nèi)比例控制器的配比比例精度。主要得出以下結(jié)論：

(1)研制的三轉(zhuǎn)子式比例控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件易加工、小流量易啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，而且運(yùn)動(dòng)部件無往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)。

(2)三轉(zhuǎn)子式比例控制器在各流量工況點(diǎn)的配比比例較為穩(wěn)定且接近設(shè)計(jì)理論值，配比比例精度較高，配比比例精度在5%以內(nèi)。

(3)三轉(zhuǎn)子式比例控制器在流量動(dòng)態(tài)變化時(shí)其配比比例存在波動(dòng)，而且配比比例精度隨著流量的增大而減小。

(4)三轉(zhuǎn)子式比例控制器造成的壓力損失隨著流量的增加而增大，且燃燒劑路的壓力損失最大，冷卻劑路的壓力損失最小。