渦流閥調(diào)節(jié)特性冷流實驗研究*

孫 兵，楊振華，權(quán)維利，戚 軍

(中國航天科工集團第六研究院第41所，呼和浩特 010010)

0 引言

固體火箭發(fā)動機的推力調(diào)節(jié)技術(shù)是其重要的發(fā)展方向之一，也是實現(xiàn)武器系統(tǒng)強生存能力、多任務(wù)平臺、高攔截能力的重要的技術(shù)途徑之一。截止目前，國內(nèi)外學(xué)者探索出了很多實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機推力大小調(diào)節(jié)的技術(shù)途徑和設(shè)計方案［1-2］。其中，渦流閥方案由于其具有軟調(diào)節(jié)、無動密封問題、調(diào)節(jié)范圍較大以及響應(yīng)較快的優(yōu)點而備受關(guān)注。I.Greenberg等人［3］利用冷氣進行了渦流閥調(diào)節(jié)固體發(fā)動機的參數(shù)計算方法研究。Rolf K.Brodersen等人［4］進行了渦流閥構(gòu)型設(shè)計的理論分析和實驗研究，實現(xiàn)了9∶1的最大調(diào)節(jié)比。R J Woolhouse等人［5］利用工作介質(zhì)為空氣的實驗器和CFD技術(shù)研究了流體渦流放大器性能。國內(nèi)一些院校、企業(yè)也開展了相關(guān)工作［2，6-11］，涉及方案分析、原理實驗、推力計算方法以及地面原理樣機實驗等。由目前的研究可以發(fā)現(xiàn)，實驗研究方面主要以熱試車為主，但也有研究人員嘗試使用全冷流進行渦流閥方案性能的實驗研究及參數(shù)計算，并且證明了使用冷流方法完全可行。文中利用全冷流方法針對渦流閥方案的響應(yīng)性能及調(diào)節(jié)能力開展了試驗研究。

1 實驗系統(tǒng)

圖1 冷流實驗系統(tǒng)

圖2 渦流閥結(jié)構(gòu)

為了能夠更好的掌握渦流閥的調(diào)節(jié)性能及響應(yīng)特性，利用冷流實驗系統(tǒng)(見圖1)對固定結(jié)構(gòu)的渦流閥實驗器進行了實驗。通過改變控制流的路數(shù)、控制流的壓強研究渦流閥的性能影響。實驗系統(tǒng)主要由主流模擬氣源、控制流模擬氣源、渦流閥實驗器、時序控制器、數(shù)據(jù)采集器及閥門管路等組成。主流模擬氣源和控制流模擬氣源采用壓縮氮氣源，主要由氣瓶、匯流排、減壓器等組成;渦流閥實驗器(見圖2)采用固定幾何結(jié)構(gòu)，4個控制流接口，根據(jù)實驗工況進行控制流接口數(shù)量的使用;時序控制器主要實現(xiàn)系統(tǒng)中的開關(guān)閥門的打開、關(guān)閉時刻的控制;數(shù)據(jù)采集器主要進行實驗中主流模擬氣源、控制流模擬氣源和渦流室的壓強信號的采集;控制流模擬管路中設(shè)置有氣流分流器，分流器可以將控制流分成多股送進渦流閥實驗器，根據(jù)工況要求可以實現(xiàn)1股、2股、3股及4股氣流的分配。實驗系統(tǒng)中設(shè)置了3個壓強采集點，設(shè)置位置分別為主流模擬管路中減壓器和截止閥的中間、控制流模擬管路中分流器以及渦流閥渦流室內(nèi)。

2 實驗結(jié)果及分析

為了更好的說明渦流閥方案的性能，定義4個性能參數(shù)來表征:壓強調(diào)節(jié)比、效費比、響應(yīng)時間以及升壓速率。壓強調(diào)節(jié)比定義為渦流室內(nèi)控制流噴入后的壓強和噴入前壓強的比值;效費比定義為主流氣源壓強的變化量與控制流壓強的比值，表征單位壓強的控制流所能實現(xiàn)的調(diào)節(jié)能力;響應(yīng)時間為渦流室壓強在控制流噴入后調(diào)節(jié)上升段的響應(yīng)時間，由開始上升變化的起點到變化到穩(wěn)定值的90%的點所需時間，具體的定義如圖3所示;升壓速率定義為渦流室壓強變化量與時間的比值，表征渦流室壓強變化的快慢。

圖3 響應(yīng)時間定義圖

為了獲得不同工況下渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能，分別開展了4股氣流、3股氣流和2股氣流作為控制流的實驗，實驗工況及實驗結(jié)果如表1所示，渦流室的壓強-時間曲線如圖4所示。

由表1可以看出，工況test4-1與test3-1調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)比較接近，工況test4-1的控制流壓強高于工況test3-1，工況test4-1供應(yīng)路數(shù)比工況test3-1的多一路;工況test3-1與test3-3調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)比較接近，工況test3-3的控制流壓強高于工況test3-1;工況test3-2與 test2-1調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)以及控制流的壓強比較接近，工況test3-2的控制流供應(yīng)路數(shù)比工況test2-1的多一路;工況test2-1與test2-2調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)比較接近，工況test2-2的控制流壓強高于工況test2-1。由表1可以看出，不管噴入控制流前主流和渦流室的壓強為多少，噴入控制流后的壓強都與控制流壓強接近，也就說控制流的壓強決定了調(diào)節(jié)的壓強。

表1 實驗工況及實驗結(jié)果

圖4 渦流室壓強-時間曲線圖

由表1實驗結(jié)果可以看出，工況test4-1的調(diào)節(jié)比、效費比以及升壓速率都大于工況test3-1，但是工況test4-1的響應(yīng)時間要大于工況test3-1，這說明提高控制流的壓強和流量有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能;工況test3-3的的調(diào)節(jié)比、效費比以及升壓速率都大于工況test3-1，這說明提高控制流的壓強有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能，由工況test2-1與test2-2的比較也可以說明該結(jié)論;工況test3-2的調(diào)節(jié)比、效費比以及升壓速率都大于工況test2-1，這說明提高控制流的流量有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能。

由表1可以看出，工況test4-1和工況test2-1的壓強變化量接近，工況test4-1的升壓速率要高于工況test2-1，這說明提高控制流的壓強和流量有利于提高渦流閥方案的響應(yīng)特性;工況test3-2和工況test3-3的壓強變化量接近，工況test3-3的升壓速率要高于工況test3-2，這說明提高控制流的壓強有利于提高渦流閥方案的響應(yīng)特性。

3 結(jié)論

由實驗結(jié)果及分析可以獲得以下結(jié)論:

1)控制流壓強決定了渦流閥方案調(diào)節(jié)后發(fā)動機的工作壓強;

2)提高控制流的壓強和流量有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能;

3)在壓強變化量相當(dāng)?shù)那闆r下，提高控制流的壓強和流量有利于提高渦流閥方案的響應(yīng)性能。

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