高壓小流量穩(wěn)流型調(diào)節(jié)器特性研究

陳維宇，程亞威，李小明，張赤民

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

在現(xiàn)代高壓補(bǔ)燃液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的精度和保持工況以及能使主要參數(shù) (推力、混合比)能按一定的規(guī)律變化，在發(fā)生器燃料路設(shè)置了穩(wěn)流型流量調(diào)節(jié)器（以下簡稱調(diào)節(jié)器），以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的主級(jí)工況穩(wěn)定；同時(shí)，調(diào)節(jié)器作為發(fā)動(dòng)機(jī)最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作性能的高低直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的好壞。該調(diào)節(jié)器流量小，工作壓降范圍寬，調(diào)節(jié)精度要求高。為此研制了一種能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求的調(diào)節(jié)器。目前國內(nèi)外常用的流量調(diào)節(jié)器有直接作用式和間接作用式調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器采用了直接作用式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠。本文結(jié)合調(diào)節(jié)器的研制，敘述了該調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，對(duì)影響其性能的因素進(jìn)行了分析，給出了試驗(yàn)結(jié)果。

1 調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，調(diào)節(jié)器采用的結(jié)構(gòu)形式主要有兩類：直接作用式和間接作用式。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)器的功能要求、技術(shù)指標(biāo)要求，采用了直接作用式調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)方案。

1.1 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，主要由殼體1、齒套2、齒輪軸3、調(diào)節(jié)彈簧4、導(dǎo)向套5、活塞環(huán)6、滑閥7、滑閥座8等零件組成；第一級(jí)節(jié)流副位于導(dǎo)向套上，第二級(jí)節(jié)流副位于滑閥座上。

1.2 調(diào)節(jié)器工作原理

調(diào)節(jié)器是利用反饋原理進(jìn)行工作的。作用在敏感面積上的壓力方向始終與滑閥關(guān)閉的方向一致，而彈簧力則是朝向滑閥打開的方向，通過對(duì)作用于敏感面積上的壓差力與彈簧力、摩擦力等進(jìn)行比較，控制第二級(jí)節(jié)流副的遮蓋量，來保持第一級(jí)節(jié)流副壓降基本不變。其工作過程如下：假設(shè)入口壓力增加，而出口壓力不變時(shí)，則作用于敏感面積前后的壓差增加，滑閥的平衡受到破壞，使滑閥朝關(guān)閉方向移動(dòng)，從而第二級(jí)節(jié)流副流阻增大，這樣導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的內(nèi)腔壓力增加，反過來又使敏感面積前后的壓差減小，抑制滑閥繼續(xù)朝滑閥關(guān)閉方向移動(dòng)，最終使作用于滑閥上的力處于平衡狀態(tài)，保持第一級(jí)節(jié)流副壓差基本不變；反之，入口壓力降低，出口壓力不變時(shí)，則作用于敏感面積上的壓差也減小，滑閥朝打開方向移動(dòng)，使第二級(jí)節(jié)流副流阻減小，這樣調(diào)節(jié)器的內(nèi)腔壓力降低，反過來又使作用于敏感面積上的壓差增加，抑制滑閥繼續(xù)朝滑閥打開方向移動(dòng)，最終使作用于滑閥上的力處于平衡狀態(tài)，保持第一級(jí)節(jié)流副壓降基本不變。同理，當(dāng)入口壓力不變，出口壓力變化時(shí)，作用于敏感面積上力的平衡被破壞，通過反饋?zhàn)饔?，保持第一?jí)節(jié)流副壓降基本不變。

2 調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性及影響因素分析

靜態(tài)特性包括流量特性和負(fù)載特性，流量特性反映的是控制特性，即調(diào)節(jié)器流量與外部控制信號(hào)的變化關(guān)系；而負(fù)載特性反映的是抗干擾能力，即在外部壓降變化時(shí)調(diào)節(jié)器流量的變化關(guān)系，可用調(diào)節(jié)精度來衡量。

2.1 調(diào)節(jié)器靜態(tài)方程及計(jì)算

2.1.1 調(diào)節(jié)器靜態(tài)方程

調(diào)節(jié)器的靜態(tài)方程可由流量平衡、壓力平衡及力平衡方程得出，調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性由下列方程構(gòu)成：

1)流量方程

a.第一級(jí)節(jié)流副流量

式中：q1為第一級(jí)節(jié)流副流量，kg/s；μ1為第一級(jí)節(jié)流副流量系數(shù)，無量綱系數(shù)；A0為第一級(jí)節(jié)流副過流面積，m2；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；Δp1第一級(jí)節(jié)流副壓降，Pa。

b.第二級(jí)節(jié)流副流量

式中：q2為第二級(jí)節(jié)流副流量，kg/s；μ2為第二級(jí)節(jié)流副流量系數(shù)，無量綱系數(shù)；A(x)為第二級(jí)節(jié)流副過流面積，m2；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；Δp2為第二級(jí)節(jié)流副壓降，Pa。

c.環(huán)形縫隙流量

在調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)中，對(duì)調(diào)節(jié)器性能產(chǎn)生影響的還有3處泄漏通道：活塞環(huán)與導(dǎo)向套、滑閥與滑閥座、滑閥與滑閥座桿。由于環(huán)形泄漏通道的間隙很小，雷諾數(shù)Re小于一定值時(shí)，流體處于層流狀態(tài)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通過環(huán)形泄漏通道的流量qml：

式中：qml為環(huán)形泄漏通道的泄漏量，kg/s；l為環(huán)形泄漏通道長度，m；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；Δp為環(huán)形泄漏通道壓降，Pa，ε為偏心率，無量綱系數(shù)；μ為介質(zhì)的動(dòng)力粘度，Pa·s；δ為環(huán)形泄漏通道的徑向配合間隙，m；d為環(huán)形泄漏通道直徑，m。

根據(jù)方程3，通過活塞環(huán)、滑閥與滑閥座的環(huán)形泄漏通道的流量：

式中的符號(hào)與公式（3）意義相同，下標(biāo)表示不同的泄漏位置；

d.第二級(jí)節(jié)流副泄漏通道的流量：

式中：qml3為第二級(jí)節(jié)流副泄漏通道的泄漏量，kg/s；μ3為第二級(jí)節(jié)流副流量系數(shù)，無量綱系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；Δp2為第二級(jí)節(jié)流副壓降，Pa；δ3為第二級(jí)節(jié)流副泄漏通道的徑向配合間隙，m；l3為第二級(jí)節(jié)流副遮蓋部分三角形孔周長，m；N為三角形窗口數(shù)量

2)滑閥的作用力平衡方程

式中：A為敏感面積，m2；x為第二級(jí)節(jié)流副的遮蓋量，m；x0為調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量，m；K為調(diào)節(jié)彈簧剛度，N/m；Fm為滑閥運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，N；FT為液動(dòng)力，N。

液動(dòng)力計(jì)算方程：

式中：δk為滑閥刃邊厚度，m；H(x)為第二級(jí)節(jié)流副節(jié)流處的滑閥邊緣長度，m。

3)流量連續(xù)方程

式中：q為調(diào)節(jié)器入口、出口流量，kg/s。

4)第二級(jí)節(jié)流副的流通面積

式中：A(x)為第二級(jí)節(jié)流副過流面積，m2；B為三角形窗口底邊長，m；L為三角形窗口高度，m。

5）壓力平衡方程

式中：Δp為調(diào)節(jié)器總壓降，Pa；

根據(jù)方程（1）～（10）通過迭代計(jì)算可以確定在某一額定流量下，調(diào)節(jié)器流量與壓降的關(guān)系，從而可以得出調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度。

2.1.2 靜態(tài)誤差分析

為確定調(diào)節(jié)器的靜態(tài)誤差，對(duì)方程（1），（3），（4），（6）進(jìn)行微分，可以得到：

由 方 程 （3），（4），（5），（13），（14），（15），（16），（17）可以推出

從方程（16）即可確定調(diào)節(jié)器的靜態(tài)誤差。在水流量為0.63 kg/s時(shí)，根據(jù)方程（16）計(jì)算出的調(diào)節(jié)器壓降在3 MPa和9 MPa時(shí)的靜態(tài)誤差分別為-1.35%和+1.02%。

2.2 調(diào)節(jié)器靜態(tài)性能的影響因素分析

從方程（16）可知，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度主要與敏感面積、調(diào)節(jié)彈簧剛度、第一道節(jié)流窗口壓降的選取及工作壓降范圍內(nèi)第二道節(jié)流窗口的行程、泄漏量、作用于滑閥上的流體動(dòng)力，摩擦力及環(huán)形泄漏通道的流量等因素有關(guān)。

從方程（16）可以看出，在入口流量一定的情況下，泄漏通道的流量增加，則第一級(jí)節(jié)流副主流道的流量減小，靜態(tài)誤差增大。流量越小，靜態(tài)誤差將越大；同時(shí)，第二級(jí)節(jié)流副的泄漏通道流量越大，則使主流道的流量變小，第二節(jié)流副面積減小，滑閥位移增量增加，也使靜態(tài)誤差增大。另外，第一級(jí)節(jié)流副的泄漏通道的泄漏量還對(duì)調(diào)節(jié)器的流量特性有一定影響。

對(duì)不同介質(zhì)，其動(dòng)力粘度、密度是不同的。從方程（3）可以看出，泄漏量與動(dòng)力粘度成反比，與密度成正比。以水和煤油為例，水的動(dòng)力粘度比煤油低，而密度比煤油高，因此，煤油通過環(huán)形縫隙中泄漏量比水小；另外由于通過滑閥的泄漏量小，滑閥位移變化量也減小。因此，根據(jù)方程（16），以煤油為介質(zhì)時(shí)，其調(diào)節(jié)精度比水高。

綜上所述，影響調(diào)節(jié)器靜態(tài)性能的因素很多，調(diào)節(jié)器的靜態(tài)誤差是各種因素共同作用的結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)不能僅單純考慮某一因素的影響；此外，這些因素往往還與調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，因此須對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

對(duì)所研制的調(diào)節(jié)器產(chǎn)品進(jìn)行了液流試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：調(diào)節(jié)器的水流量可以在0.2～0.8 kg/s范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，流量與角度基本呈線性關(guān)系（見圖 2）。

由于制造誤差和第一級(jí)節(jié)流副壓降變化等因素引起的誤差對(duì)流量特性的影響不大，擬合曲線與試驗(yàn)曲線的線性度相關(guān)系數(shù)在0.998以上。水流量在0.3～0.63 kg/s時(shí)，壓降為3～11 MPa范圍，流量均能保持穩(wěn)定，靜態(tài)誤差在±2%以內(nèi)，試驗(yàn)曲線見圖3。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較一致性較好。

3.2 調(diào)節(jié)器的加載特性

調(diào)節(jié)器的加載特性是指調(diào)節(jié)器的壓降由零突然增加至某一壓降下的其流量響應(yīng)特性，反映的是調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)特性，可以通過第一級(jí)節(jié)流副壓降的變化反映出來。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，即滑閥由靜止到運(yùn)動(dòng)，然后再穩(wěn)定的過程，其目的是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)器的工作特性。當(dāng)調(diào)節(jié)器壓差為零時(shí)，在彈簧力作用下，第二級(jí)節(jié)流副處于最大開度，隨著出口閥門快速打開，滑閥來不及響應(yīng)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的峰值流量。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，隨著調(diào)節(jié)器出口閥門的打開，調(diào)節(jié)器壓降發(fā)生變化，調(diào)節(jié)器流量也隨之變化。加載特性試驗(yàn)系統(tǒng)見圖4。

從試驗(yàn)曲線（見圖5）可以看出調(diào)節(jié)器第一級(jí)節(jié)流副（p1-p2）的變化趨勢，隨著調(diào)節(jié)器壓降的增加，第一級(jí)節(jié)流副的壓降（p1-p2）迅速增加，并伴有一峰值，峰值流量約為穩(wěn)定調(diào)定流量的2倍（調(diào)節(jié)器流量的變化趨勢可以從第一級(jí)節(jié)流副的壓力變化情況反映出來），隨后開始下降，共經(jīng)過約40 ms后流量趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

對(duì)所研制的調(diào)節(jié)器進(jìn)行了計(jì)算分析并通過液流試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

1)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度小于2%，水流量可在0.2～0.8 kg/s范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)；

2)對(duì)影響調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度的主要因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為對(duì)小流量調(diào)節(jié)器而言，內(nèi)部流道的泄漏量是影響其性能的一個(gè)重要因素。

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