多路熱氣流量控制及其在防除冰試驗中的應用

趙 照,易 賢,2,冉 林,熊建軍*

(1.中國空氣動力研究與發展中心 結冰與防除冰重點實驗室,四川 綿陽 621000;2.中國空氣動力研究與發展中心 空氣動力學國家重點實驗室,四川 綿陽 621000)

飛機防除冰系統是飛機安全防護設計的重要環節,其可保證飛機在結冰環境下安全飛行[1-4]。目前,防除冰方法主要包括熱氣防除冰、電熱防除冰、機械防除冰、液體防除冰等[5-6]。其中,熱氣防除冰方法因其穩定性好、操作簡單、能源利用率高等優點,被廣泛應用于機翼與發動機防除冰中[7]。為驗證熱氣防除冰系統的效果,在真實飛行試驗之前,基于結冰風洞開展熱氣防除冰試驗是防除冰系統設計的主要手段。20世紀50年代起,美國開展了一系列飛機模型結冰與防除冰試驗,并獲取了大量防除冰系統驗證數據[8-9]。由于技術限制,國內開展相關熱氣防除冰研究較晚,隨著3 m×2 m結冰風洞的建成及航空事業的發展,針對防除冰試驗的需求越來越多[10-11],流量精確控制是保證結冰風洞熱氣防除冰試驗成功的關鍵技術。

目前,普遍采用調節閥對供氣氣體流量進行調節,但調節閥控制存在調節精度低和受下游環境影響大的缺點[12],此外,熱氣防除冰試驗還存在多路供氣試驗需求,調節閥控制存在多路流量控制耦合的問題。臨界流文氏管具有受下游環境影響小和保持流量恒定的特性,其流通流量只和前端壓力、溫度以及喉道面積有關[13],可以保證輸出精確、穩定的流量,被廣泛應用于發動機燃料流量控制[14]、氣體流量測量與控制等領域[15-16]。臨界流文氏管流量控制主要通過改變前端供氣壓力與流通面積實現,由于供氣系統壓力限制,固定喉道文氏管的臨界流文氏管流量控制能力有限,單個固定喉道文氏管大多用于流量測量與固定流量控制,因此改變流通面積是實現大范圍流量控制的主要手段。康洪銘等[17]通過研制數字閥進行供氣流量控制,通過控制電磁閥開關比例組成不同的流量流通面積實現流量大范圍調節,但是受空間限制,數字閥數量有限,無法實現更加精確的流量控制。胡悅等[18]設計了一種可調式文氏管,應用于變馬赫數風洞,實現了馬赫數為2～4時對應模擬參數的連續變化。陳元杰等[19]開展了變面積臨界流文丘里噴嘴特性研究,分析了不同節流體的流動特性。上述相關可調式文氏管研究表明可調式文氏管對于流量調節具有精度高、可調范圍大的優點,但針對多路供氣流量連續調節的研究較少,如何實現多路流量精準控制是多路熱氣防除冰試驗成功的關鍵。

針對多路熱氣流量控制耦合問題,提出采用背壓閥對多路流量控制進行解耦,設計了多路熱氣流量控制系統,結合針閥與臨界流文氏管流量計,實現多路熱氣供氣流量連續精確控制。

1 多路熱氣流量控制系統與控制原理

多路流量控制系統組成如圖1所示,氣源主路通過氣源旁路的背壓閥穩定流量控制單元入口壓力,利用流量控制單元進行流量控制,實現壓力與流量解耦。圖1中,背壓閥由TJ1與TJ2兩個調節閥組成,具備精確調節能力,ZF為針閥,FL為臨界流文氏管流量計。對于一次試驗中進行多個部件防除冰系統驗證的工況,通過增加流量控制單元通道即可完成多路熱氣供氣防除冰試驗。

圖1 多路流量控制系統組成

臨界流文氏管工作原理是流量控制系統的設計依據,當臨界流文氏管喉道出口壓力與入口壓力之比(即背壓比)小于某一數值、喉道氣流達到聲速、背壓比再減小時,喉道氣流速度不再變化,即達到臨界狀態,臨界流狀態氣體質量流量可由式(1)計算[20]:

(1)

式中:Cd為流出系數;C*為臨界流函數;A為喉道面積;Pt為臨界管前端氣流總壓;R為氣體常數;M為摩爾質量;Tt為臨界管前端氣流總溫。

由式(1)可知,氣流流量只和文氏管前端總壓、總溫和喉道面積有關,因此只要保證文氏管前端壓力與溫度穩定,流通文氏管的氣流流量只和喉道面積有關,通過改變喉道面積即可控制氣流流量。

2 流量控制單元設計

2.1 總體結構設計

多路熱氣流量控制系統由多個流量控制單元組成,單路流量控制單元結構設計如圖2所示,主要由針閥、臨界流文氏管流量計、連接管道和法蘭等設備組成,其工作原理是以臨界流文氏管流量計測得流量作為反饋,通過電作動筒的運動來控制針閥閥芯的軸向直線運動,從而改變針閥喉道面積,實現流量的精確控制。

圖2 流量控制單元結構設計

2.2 針閥

針閥主要由閥體、針閥孔板套、針閥閥芯、針閥喉道、電作動筒等部分組成,如圖3所示。

圖3 針閥示意圖

為防止氣流沖擊下針閥閥芯發生振動,造成流量控制產生較大誤差,采用整流孔套來進行整流,以降低針閥推桿附近的氣流不均勻度。同時為實現來流分配、提高流量控制時針閥前段氣流壓力穩定性,流量控制單元設計有穩壓閥體。閥體由腔體主體和蓋板組成,兩者之間的密封通過金屬密封墊實現。腔體左側連接進氣管路與電作動筒,右側與針閥喉道相連,電作動筒套筒與腔體之間通過金屬密封墊密封,確保作動筒運動時保持良好的密封。

為滿足流量控制要求,需對針閥閥芯與喉道尺寸進行設計。文氏管在滿足臨界條件后,根據目標流量、文氏管前端壓力范圍、溫度范圍,基于流量計算公式(1)即可計算喉道面積。系統設計最大供氣壓力為1.5 MPa,最高氣體溫度為400 ℃,單路流量控制范圍為0～750 g/s,代入公式可計算得到最小喉道直徑為20.88 mm,考慮系統設計余量,喉道直徑設計為22 mm。

為保證針閥閥芯運動精度,電作動筒由電動缸、電機計驅動器、減速器和光柵尺組成。采用同軸傳動,選用精密滾珠絲杠、高精度減速器,傳動平穩、精確,可承受較大的推力和壓力,通過預緊,可以徹底消除軸向間隙。以光柵尺作為位置定位傳感器,實現電作動筒的精準定位。為滿足流量控制精度要求,需要設計合適的電作動筒導程,在導程定位精度為0.05 mm時可以滿足0.3%的流量控制精度。

2.3 臨界流文氏管流量計

臨界流文氏管流量計位于針閥后端,采用臨界流流量測量原理,用于測量真實流量。

在文氏管前后布置壓力測量點與溫度測量點,在測量點前端采用蜂窩器進行整流,保證測量截面氣流均勻。該流量計的優點是測量精度高,可對針閥位置進行實時標定,通過更換不同喉道直徑的文氏管可實現寬范圍流量測量。

2.4 控制系統設計

控制系統采用PC+西門子S7-1200系列PLC系統+流量控制單元的方式。PLC控制系統通過Profinet 總線接入風洞工業以太環網,PC通過網絡將流量控制命令發送給PLC控制器,控制器以光柵尺編碼器反饋驅動電作動筒,將閥芯運動至目標位置,同時以臨界流文氏管流量計測得流量值為反饋,細調針閥開度,直至精度滿足要求。

硬件設計主要包括PLC控制系統、電機計驅動器和光柵尺等。PLC控制系統選用西門子1200系列PLC,配備相應I/O模塊、RS485通信模塊、觸摸屏等。其中,I/O模塊用于采集流量控制單元的溫度、壓力等參數以及輸出控制命令,RS485通信模塊用于與光柵尺編碼器、驅動器等設備通信,觸摸屏用于本地監視與控制。電機及驅動器選用松下AC系列,可通過RS485通信模塊與PLC控制器連接。光柵尺由鋁型材、光柵尺、安裝端蓋、讀數頭和信號電纜(帶插頭)等部分組成,可通過RS485通信方式與PLC控制器連接。

軟件設計主要包括底層的PLC流量控制程序設計、上位機軟件設計以及本地觸摸屏面板程序設計,考慮到上位機軟件與本地觸摸屏操作方式相似,主要介紹PLC流量控制策略與上位機軟件試驗流程控制策略。

2.4.1 PLC流量控制程序設計

PLC流量控制是由上位機發送流量給定命令,基于多路流量之和,調節背壓閥將流量控制單元入口壓力穩定在某值(該值由調試結果得出,可滿足流量要求)附近,基于各支路流量設定值,控制針閥位置改變流通面積,實現各支路流量精確控制。控制流程如圖4所示。

圖4 控制流程

2.4.2 上位機軟件設計

流量控制系統與供氣系統是一個整體,考慮系統兼容性及操作便利性,上位機基于LabVIEW設計,流量控制系統程序嵌入原熱氣供氣防除冰系統,流量控制系統軟件運行邏輯如圖5所示,主要包括系統準備、壓力控制和流量控制等操作。

圖5 流量控制系統軟件運行邏輯

3 性能分析與試驗應用

3.1 多路熱氣供氣控制分析

對于多路流量控制,一路流量發生變化會對另一路帶來干擾,每路之間存在耦合,為了實現多路精確流量控制,需要對流量控制進行解耦。基于流量控制單元的工作原理,采用壓力+開度組合的方式,通過系統旁路背壓閥實時閉環控制流量以控制單元入口的壓力,由式(1)可知,只要保證所有支路入口處壓力穩定,基于入口壓力與各路控制的目標流量可以計算各路針閥喉道面積大小,改變針閥開度即可實現多路流量精確控制。

流量的精準控制首先需要保證入口壓力的穩定性。以某支路流量控制為例,針閥喉道直徑為22 mm,以8 mm喉道直徑的文氏管流量計作為流量測量裝置,獲取流量調節過程中針閥入口壓力P1、針閥出口與臨界流文氏管入口壓力P2與流量值LFL的變化曲線,如圖6所示。

圖6 流量控制單元參數變化

入口壓力P1設置為1 MPa,在流量變化過程中,針閥入口壓力P1保持在1 MPa附近,控制精度達到±0.3%,表明氣源旁路的調壓裝置能夠在流量變化時保持針閥入口壓力穩定,當針閥開度固定,即位置固定時,臨界流文氏管入口壓力P2保持穩定,由臨界流狀態氣體質量流量公式可知,管路流量保持穩定,表明在氣流流動過程中,針閥保持穩定,軸向位置保持不變,可以輸出穩定的流量。

在針閥入口壓力為1 MPa時,開度為0～100%的流量變化曲線如圖7所示。

圖7 流量隨開度變化曲線

在第一拐點前,也就是0～4%開度區間中,流量顯示為0,原因是此時流量計后端壓力P2與前端壓力之比不滿足臨界條件,流量計無法給出準確流量。在第二拐點后,即在35%～100%開度區間中,流量值不隨針閥開度變化,原因是針閥吼道尺寸大于臨界流文氏管,在這一階段針閥喉道不滿足臨界狀態,開度變化對針閥后端壓力影響極小。在4%～35%開度區間,流量隨針閥開度線性變化,此時針閥喉道與臨界流文氏管都處于臨界狀態,流量線性度較好。

為驗證多路流量控制解耦,在一個支路穩定控制流量的同時,改變另一支路針閥位置,測試多路流量控制解耦能力。如圖8所示,在支路流量LFL1變化時,流量控制單元入口壓力P1與LFL2保持穩定,支路流量改變對其他支路流量控制影響較小。

圖8 多路解耦控制驗證

3.2 針閥開度標定分析

針閥在設計時存在位置誤差,針閥位置誤差影響著流通面積,從而影響流量控制精度。為保證針閥流量控制的準確性,采用標準文氏管流量裝置對針閥位置進行標定,標定方法如下。

① 在針閥后端安裝標準文氏管流量計,實時獲取其測量流量值。

② 調節針閥入口壓力至穩定值,實時獲取針閥入口/出口壓力與溫度值。

③ 在4%～30%開度區間內選取8個針閥開度,分別為4%、6%、8%、10%、15%、20%、25%、30%,從理論位置3開始,以固定速度調節針閥位置至設定開度,每個位置停留20 s,完成最后一個位置數據測量后,重復進行針閥位置調節。

④ 將標準文氏管流量計實際測量流量、針閥入口/出口壓力與溫度等參數代入式(1)即可獲得真實針閥實際開度。

圖9為針閥計算流量LZFL與臨界流文氏管流量LFL隨理論開度變化對比結果。由圖9可知,流量隨針閥開度線性變化,兩者變化趨勢相同,符合設計預期。針閥計算流量略小于臨界流流量計測得流量,原因是針閥初始位置存在誤差,理論開度小于真實開度,通過開度修正,即可提高針閥流量控制精度。

圖9 針閥計算流量與臨界文氏管流量對比

3.3 電作動筒導程控制精度分析

電作動筒導程精度影響針閥位置調節分辨率。為滿足流量控制精度需求,需對電作動筒導程控制精度進行設計。以入口最大壓力1.5 MPa為例,選取3個控制精度的導程,分別為0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm,計算不同位置流量控制精度。如圖10所示,0.02 mm與0.05 mm的導程控制精度能夠滿足0.3%的控制精度指標要求,因此導程控制精度設計為0.05 mm可滿足系統設計需求。

圖10 不同導程控制精度分析

3.4 臨界流文氏管流量計測量精度分析

由式(1)可知,臨界流文氏管流量計測量精度受入口壓力、溫度、喉道面積、臨界流函數和流出系數等參數影響,因此傳感器的測量精度和加工誤差等都會對流量測量精度產生影響。

由GB/T 21188—2007/ISO 9300:2005可知,臨界流函數與入口壓力與溫度有關。熱氣供氣為過濾干空氣,溫度在250～600 K范圍內,壓力在20 MPa以下時,臨界流函數C*可由式(2)計算。

(2)

因此對于確定溫度與壓力的臨界流函數可以認作常量,式(1)中的R與M也為常量。對式(1)誤差進行分析,可得:

(3)

根據實際計量檢定情況,壓力傳感器測量精度為±0.05%,喉道面積精加工精度為±0.05%,溫度傳感器精度為±0.5 ℃,流出系數相對誤差為±0.2%。將上述數據代入式(3),可計算得出流量測量精度約為±0.3%。

3.5 流量控制系統雙路供氣試驗應用

系統建成后多次成功應用于防除冰試驗,以某進氣道部件雙路熱氣供氣防除冰試驗為例,2個供氣支路目標流量分別為35 g/s與40 g/s。兩個支路流量調節曲線如圖11所示。圖11中的LFL1、LFL,1-S、LFL2與LFL,2-S分別指通道1實際流量、通道1設置流量、通道2實際流量與通道2設置流量。流量控制單元前端氣動球閥開啟后,雙路熱氣流量在10 s左右即可穩定在目標值附近,兩個支路超調量均小于2.5%,通道1最大絕對誤差為0.21 g/s,最大相對誤差為0.6%,通道2最大絕對誤差為0.23 g/s,最大相對誤差為0.58%,精度滿足試驗需求。

圖11 雙路流量調節曲線

4 結論

本文針對多路熱氣流量控制耦合問題,提出了采用背壓閥對多路流量控制進行解耦,設計了多路熱氣流量控制系統,并應用于結冰風洞防除冰試驗,得到以下結論。

① 多路熱氣流量控制系統可實現多路流量精確控制,有效解決多路控制耦合問題。

② 在滿足臨界流條件,保持入口壓力穩定時,流量隨針閥開度呈線性變化,可通過針閥實時調整流量大小。

③ 分析了入口壓力、溫度、喉道面積、臨界流函數、流出系數等參數對流量測量精度的影響,臨界流文氏管流量計測量精度可達±0.3%。

④ 結冰風洞雙路熱氣防除冰試驗表明,多路熱氣流量控制系統應用效果較好,流量調節響應速度快,控制精度高,穩定后最大相對誤差均小于0.6%,為高精度多路熱氣防除冰試驗提供了有力支撐。