大型暫沖式風(fēng)洞調(diào)壓閥設(shè)計(jì)與特性實(shí)驗(yàn)

黃知龍，徐大川，張國(guó)彪

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621000）

符 號(hào) 說(shuō) 明

S—— 閥門(mén)套筒調(diào)節(jié)行程，mm

—— 閥門(mén)套筒的相對(duì)調(diào)節(jié)行程，=S／Smax

Ft—— 閥門(mén)前后管道截面積，mm2

—— 最大開(kāi)啟面積比，max=Fmax／Ft

—— 閥門(mén)環(huán)狀縫隙面積與管道截面積之比

x—— 型面橫坐標(biāo)，mm

p02—— 閥后總壓，Pa

ν—— 壓力恢復(fù)系數(shù)，ν=p02／p01

Z（λ）—— 沖量函數(shù)

Smax—— 閥門(mén)套筒的最大調(diào)節(jié)行程，mm

D—— 閥門(mén)前后管道直徑，mm

—— 閥門(mén)初始開(kāi)啟面積比，=Fmin／Ft

—— 指數(shù)特性曲線與直線特性曲線過(guò)渡點(diǎn)

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

y—— 型面縱坐標(biāo)，mm

p01—— 閥前總壓，Pa

λ2—— 閥后管道速度系數(shù)

K—— 比熱比，空氣k=1.4

G—— 氣流流量，kg／s

V—— 氣源容積，m3

R—— 氣體常數(shù)，J／（kg·K）

T0—— 氣體總溫，K

0 引 言

在下吹式跨超聲速風(fēng)洞中，壓力調(diào)節(jié)閥用于控制穩(wěn)定段內(nèi)的氣流壓力，風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中，隨著氣源壓力的下降，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制調(diào)壓閥的開(kāi)度，以保證穩(wěn)定段內(nèi)氣流壓力穩(wěn)定在某一運(yùn)行壓力值，維持風(fēng)洞的正常運(yùn)行。由于大型暫沖式風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其調(diào)壓閥氣動(dòng)力要求的特殊性：（1）與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有關(guān)的節(jié)流阻力應(yīng)當(dāng)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(yīng)具有很高的調(diào)節(jié)速度，以減小風(fēng)洞的耗氣量；（3）調(diào)壓閥應(yīng)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(diào)節(jié)特性（能力）在理論上的可預(yù)知性，以確保對(duì)風(fēng)洞調(diào)壓能力的實(shí)現(xiàn)。因此，采用工業(yè)管道閥門(mén)難以滿足要求。

目前風(fēng)洞中常用調(diào)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(duì)稱性好，調(diào)節(jié)特性可適應(yīng)風(fēng)洞運(yùn)行壓力控制的要求，但存在壓力調(diào)節(jié)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(diào)壓閥，它具有調(diào)節(jié)范圍寬和操作慣性大的特點(diǎn)；（3）環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥，其可在主要工作狀態(tài)下獲得線性或近似線性的調(diào)節(jié)特性，且具有閥后氣流對(duì)稱性好，調(diào)節(jié)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(xiàn)表明其調(diào)壓特性的理論模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，國(guó)內(nèi)外新建的暫沖式風(fēng)洞多采用該類(lèi)型的調(diào)壓閥，比如我國(guó)最大的2.4m×2.4m 引射式跨聲速風(fēng)洞主調(diào)壓閥采用的就是環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥，較好地滿足了風(fēng)洞調(diào)壓性能需求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

介紹了我國(guó)某大型超聲速風(fēng)洞主調(diào)壓閥的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和相關(guān)調(diào)試結(jié)果。

圖1 環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of orbicular-gap control valve

1 調(diào)壓閥設(shè)計(jì)工況介紹

該大型超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為2m×2m，試驗(yàn)Ma數(shù)范圍為1.5～4.0，采用全柔壁噴管實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)的階梯變化。同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)降速壓和增速壓運(yùn)行，風(fēng)洞流量范圍約（300～4000）kg／s，要適應(yīng)如此寬廣的運(yùn)行壓力和流量范圍，上游調(diào)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(tǒng)容積有限。假如氣源總?cè)莘e約1萬(wàn)立方米，儲(chǔ)氣最高壓力約2MPa，運(yùn)行最低截止壓力約0.6MPa，則極限情況下風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間約為35s。因此為了滿足風(fēng)洞吹風(fēng)時(shí)間的需求，要求閥門(mén)具有快速的壓力調(diào)節(jié)能力以增長(zhǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，具有良好的壓力調(diào)節(jié)精度滿足對(duì)風(fēng)洞總壓控制精度的要求。

2 設(shè)計(jì)思想和原則

該控制閥的設(shè)計(jì)思想是：充分利用引導(dǎo)性試驗(yàn)研究成果和吸取以往大型暫沖式風(fēng)洞控制閥設(shè)計(jì)建設(shè)中的成熟經(jīng)驗(yàn)，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)采用可靠的工程設(shè)計(jì)方法確保其壓力調(diào)節(jié)特性滿足風(fēng)洞寬廣運(yùn)行范圍和精度要求。

設(shè)計(jì)原則：統(tǒng)籌風(fēng)洞高馬赫數(shù)和低馬赫數(shù)壓力調(diào)節(jié)需求，覆蓋風(fēng)洞全馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍；統(tǒng)籌風(fēng)洞性能和效率，確保高效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)。

3 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 閥門(mén)配置方案確定

該超聲速風(fēng)洞具有試驗(yàn)馬赫數(shù)和壓力運(yùn)行范圍寬的特點(diǎn)，采用單一的閥門(mén)配置進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時(shí)存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是閥門(mén)調(diào)壓特性曲線難以兼顧風(fēng)洞所有的運(yùn)轉(zhuǎn)馬赫數(shù)，對(duì)在非設(shè)計(jì)點(diǎn)下風(fēng)洞的調(diào)壓精度、運(yùn)行時(shí)間均會(huì)造成不利影響；二是閥門(mén)口徑大，依托國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)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(diào)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(diào)壓型面曲線，在試驗(yàn)段馬赫數(shù)較低、流量較大的狀態(tài)下，通過(guò)開(kāi)啟旁路閥改善主調(diào)壓閥的壓力調(diào)節(jié)特性，滿足風(fēng)洞所有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的壓力調(diào)節(jié)。這種閥門(mén)配置方式通過(guò)了引導(dǎo)性試驗(yàn)的驗(yàn)證，確定是可行的。

圖2 閥門(mén)配置方案Fig.2 Configuration of control valve

3.2 閥門(mén)管徑D

根據(jù)氣動(dòng)總體性能設(shè)計(jì)參數(shù)、氣源工作壓力以及閥后氣流速度的限制經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等因素綜合確定主調(diào)壓閥直徑約2m，旁路閥直徑約1.2m。風(fēng)洞所有運(yùn)行馬赫數(shù)下的閥后管道內(nèi)氣流速度系數(shù)λ 值限制在0.05～0.50范圍內(nèi)。

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(qū)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(diào)節(jié)精度。根據(jù)風(fēng)洞性能要求，國(guó)內(nèi)外使用的環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥調(diào)節(jié)行程多為（0.15～0.70）D。根據(jù)該風(fēng)洞尺寸大的特點(diǎn)，為使調(diào)壓系統(tǒng)延時(shí)效應(yīng)與壓力穩(wěn)定性（縮短壓力非穩(wěn)定過(guò)程）之間得到合理的協(xié)調(diào)，主調(diào)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max取值過(guò)大時(shí)，閥門(mén)調(diào)壓過(guò)程會(huì)過(guò)于緩慢。過(guò)小的max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(jù)中壓氣源的氣罐終止使用壓力及流量特性，調(diào)壓閥最大開(kāi)度max值約為60.4%。

閥門(mén)最小開(kāi)度min的取值需確保閥后最低壓力的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)控制閥門(mén)的工作壓力與流量調(diào)節(jié)范圍，閥門(mén)最小開(kāi)度min取值范圍為0.005～0.025，主調(diào)壓閥門(mén)最小開(kāi)度min值約為2%。

3.5 閥門(mén)型面特性曲線

為保證壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，閥門(mén)型面曲線常取為指數(shù)特性曲線。優(yōu)點(diǎn)在于任何調(diào)節(jié)狀態(tài)下，閥后壓力相對(duì)變化量基本上是呈線性比例于閥門(mén)調(diào)節(jié)行程的相對(duì)位移量，有利于閥門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與壓力調(diào)節(jié)。該風(fēng)洞主調(diào)壓閥采用“修正指數(shù)特性”曲線作為調(diào)壓型面的設(shè)計(jì)方程。型面前段采用指數(shù)特性方程，尾段采用直線過(guò)渡到最大開(kāi)度，構(gòu)成一條完整的閥門(mén)型面結(jié)構(gòu)特性曲線。為了關(guān)閉緊密，閥門(mén)全閉至最小開(kāi)度之間以直線連接，然后相切過(guò)渡到指數(shù)特性曲線，直到閥門(mén)調(diào)節(jié)行程的約70%，后段采用的直線與指數(shù)特性方程出口處相切到全行程。后兩段曲線方程為：

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

圖3 閥門(mén)型面坐標(biāo)系Fig.3 Coordinates of valve profile

由上式計(jì)算得到的主調(diào)壓閥幾何特性曲線方程如下，相對(duì)開(kāi)度隨閥芯變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度Fig.4 Relative aperture of valve

3.6 閥門(mén)調(diào)壓特性預(yù)測(cè)

閥門(mén)在節(jié)流過(guò)程為等焓假設(shè)條件下，可以導(dǎo)出以下方程組：

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

（b））≤＊），即λ=1：

在旁路閥門(mén)開(kāi)啟情況下，上述計(jì)算公式中的閥門(mén)開(kāi)度表示主調(diào)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(jié)流與非節(jié)流狀態(tài)下的方程即可得到閥門(mén)的調(diào)壓特性曲線，具體的推算這里不再重復(fù)，下面給出預(yù)測(cè)結(jié)果。

旁路閥關(guān)閉狀態(tài)下的主調(diào)壓閥調(diào)壓性能預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)圖5?？梢钥闯鲭S著試驗(yàn)段馬赫數(shù)的增加，閥后速度系數(shù)λ減小，調(diào)壓性能曲線整體上移，相同閥芯相對(duì)位置下的閥后和閥前壓比逐漸增大。在相同馬赫數(shù)下，調(diào)壓閥性能曲線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(diào)節(jié)區(qū)間。該區(qū)間調(diào)壓敏感，閥芯運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 閥門(mén)調(diào)壓特性預(yù)測(cè)曲線（旁路閥關(guān)閉）Fig.5 Prediction of valve regulating characteristic（with bypass valve closed）

另外，可以看出采用單閥時(shí)在低馬赫數(shù)（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(dǎo)致風(fēng)洞運(yùn)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，難以滿足風(fēng)洞低馬赫數(shù)和大流量下運(yùn)行時(shí)對(duì)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(diào)壓性能預(yù)測(cè)曲線見(jiàn)圖6。對(duì)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(shù)下的壓比均大于0.90，運(yùn)行時(shí)氣源的截止壓力大大降低，低馬赫數(shù)運(yùn)行時(shí)，閥門(mén)調(diào)壓能力大大增強(qiáng)。因此采用雙閥并聯(lián)調(diào)壓可很好解決低馬赫數(shù)下單閥調(diào)壓能力不足的問(wèn)題。

圖6 閥門(mén)調(diào)壓特性預(yù)測(cè)曲線（旁路閥開(kāi)啟）Fig.6 Prediction of valve regulating characteristic（with bypass valve opened）

4 調(diào)試結(jié)果與分析

風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)閥門(mén)前后總壓實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯鲩y門(mén)調(diào)壓特性曲線實(shí)測(cè)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)曲線吻合良好。閥芯的運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要集中在最大位移的40%～70%，此區(qū)域閥門(mén)具有較高的調(diào)節(jié)靈敏度和較好的氣流動(dòng)態(tài)品質(zhì)。因此，對(duì)于大口徑的調(diào)壓閥，上述理論設(shè)計(jì)方法完全可滿足工程應(yīng)用的需要。

圖7 閥門(mén)調(diào)壓特性理論與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（旁路閥關(guān)閉）Fig.7 Test and prediction comparison of regulating characteristic（with bypass valve closed）

圖8給出了低馬赫數(shù)時(shí)旁路閥開(kāi)啟狀態(tài)下調(diào)壓特性曲線的理論與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以看出實(shí)測(cè)結(jié)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?yàn)樵摐y(cè)試數(shù)據(jù)為旁路閥預(yù)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(shù)下的閥門(mén)聯(lián)合調(diào)壓特性曲線，有待進(jìn)一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)充和驗(yàn)證。

圖8 閥門(mén)調(diào)壓特性理論與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比（旁路閥開(kāi)啟）Fig.8 Test and prediction comparison of regulating characteristic（with bypass valve opened）

5 基本結(jié)論

環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥型式可滿足暫沖式風(fēng)洞的壓力調(diào)節(jié)能力需求。為了匹配寬廣流量下的壓力調(diào)節(jié)精度要求，可通過(guò)設(shè)置旁路閥，采取雙閥并聯(lián)調(diào)節(jié)的方式。同時(shí)對(duì)于大型的環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥的調(diào)壓特性曲線，理論預(yù)測(cè)與實(shí)際性能吻合良好。

［1］ 劉政崇.高低速風(fēng)洞氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

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究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，1971.［3］ 黃知龍.2m×2m超聲速風(fēng)洞控制閥及管道氣動(dòng)設(shè)計(jì)［R］.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，2005.