基于有效面積作用的膜盒式壓力比敏感元件設(shè)計

王戰(zhàn)生，崔國序

（1.中航工業(yè)太原航空儀表有限公司，太原030006；2.中航工業(yè)長春航空液壓控制有限公司，長春130102）

基于有效面積作用的膜盒式壓力比敏感元件設(shè)計

王戰(zhàn)生1，崔國序2

（1.中航工業(yè)太原航空儀表有限公司，太原030006；2.中航工業(yè)長春航空液壓控制有限公司，長春130102）

為研究膜盒作為壓力比敏感元件對航空發(fā)動機控制系統(tǒng)整體性能的影響，對1種航空發(fā)動機的氣動式防喘放氣活門結(jié)構(gòu)和工作原理進行了分析，提出了膜盒式壓力比敏感元件的概念。以力平衡方程為基礎(chǔ)建立了敏感元件膜盒的簡化物理模型，給出了不同壓力比膜盒的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法。結(jié)果表明：膜盒有效面積比參數(shù)與壓比參數(shù)呈反比關(guān)系，改變膜盒的有效面積比即可調(diào)整工作壓比。根據(jù)該方法設(shè)計的不同壓比膜盒已在多型發(fā)動機防喘放氣活門中應(yīng)用。

敏感元件；壓力比；膜盒；有效面積；航空發(fā)動機

0　引言

壓力比敏感元件是航空發(fā)動機控制系統(tǒng)中的重要基礎(chǔ)元件，其穩(wěn)定性和動態(tài)性能直接影響控制系統(tǒng)的整體性能［1］。膜片、膜盒等機械式彈性敏感元件常作為壓力、壓差敏感元件使用，但無法直接用于壓力比測量。用于壓力比測量時，需增加分壓器組合工作［2］。某型渦扇發(fā)動機的渦輪膨脹比調(diào)節(jié)器中即采用分壓器式的壓力比敏感元件用于測量控制機構(gòu)，但其工作穩(wěn)定性不夠理想［3］。

本文介紹了1種組合嵌套焊接波紋管結(jié)構(gòu)的膜盒式壓力比敏感元件，可以不需要結(jié)合分壓器而獨立用于壓力比測量控制。與分壓器式壓力比敏感元件相比，膜盒式壓力比敏感元件的準確度和工作穩(wěn)定性有明顯改善。

1　膜片、膜盒及焊接波紋管概述

膜片是金屬材料制成的帶有多圈同心波紋、硬中心和環(huán)形邊緣的薄片，常用材料有錫青銅、鈹青銅、不銹鋼、精密合金等，按形狀分為平膜片和波紋膜片。平膜片的剛度較大，允許的中心位移小，壓力與輸出位移大致呈拋物線關(guān)系；波紋膜片的剛度較小，允許的中心位移比平膜片的大，壓力與輸出位移可以呈線性關(guān)系。波紋膜片波形種類如圖1所示，其中包括正弦形、梯形、三角形、圓弧形等［4］。

圖1　波紋膜片波形種類

膜盒由2個波紋膜片沿周邊焊接構(gòu)成。將幾個膜盒沿硬中心依次疊加起來便是膜盒組（串）。膜盒的位移是2個膜片位移之和，膜盒組（串）的位移是各膜盒位移之和（膜盒組如圖2所示）。

圖2　膜盒組

膜盒根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為開口膜盒與閉口膜盒。開口膜盒又稱為壓力膜盒，可以用來測量膜盒內(nèi)外的壓力差；閉口膜盒又有真空膜盒與充填膜盒之分，真空膜盒可以測量外部的絕對壓力值，在閉口膜盒內(nèi)充填氣體、液體或飽和蒸汽，可以感受外部環(huán)境溫度的變化輸出位移或力［4］。

焊接波紋管采用多組環(huán)形膜片沿內(nèi)外邊緣依次焊接組合而成。與液壓成形波紋管相比，焊接波紋管具有形狀尺寸精度高、性能精度高、性能一致性好、壓縮量大等優(yōu)點。各類波形的焊接波紋管如圖3所示。根據(jù)膜片波形可分為對稱式波形（圖3中左列）和層疊式波形（圖3中右列）［5］。

以上幾種類型的彈性敏感元件都可以用來感受測量發(fā)動機控制過程中的各類壓力、壓差參數(shù)，但不適用于壓力比的測量。壓力比即2個壓力的比值，簡稱壓比?？諝猓ɑ蛉細猓毫Ρ仁潜硎景l(fā)動機性能或工作狀態(tài)的重要參數(shù)，例如壓氣機的增壓比、渦輪的膨脹比等。典型的機械式壓力比敏感元件如圖4所示。其由分壓器和薄膜式壓力（差）敏感元件組成，用來測量p3與p2的比值ε3=p3/p2。其中，分壓器由2個節(jié)流嘴和一定容積的中腔（分壓室）構(gòu)成，分壓器的中腔與薄膜式壓力（差）敏感元件的上腔相通，薄膜式壓力（差）敏感元件的下腔作用有p3氣體。進入分壓器的進氣壓力為p2，中腔壓力為p1，出口壓力為p0（通常為環(huán)境壓力），p2＞p1＞p0，并且p1/p2=常數(shù)［1］。

圖3　各類波形的焊接波紋管

圖4　分壓器式壓力比測量元件原理

某型發(fā)動機的防喘放氣活門中，使用了1種并聯(lián)組合嵌套結(jié)構(gòu)的焊接波紋管式壓力比敏感元件（簡稱膜盒）。與分壓器類型的壓力比敏感元件相比，該膜盒壓比元件具有尺寸緊湊、質(zhì)量輕、控制精度高和性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

2　放氣活門中的壓比膜盒

在航空發(fā)動機中，防止壓氣機喘振極其重要，某型發(fā)動機采用放氣活門防止發(fā)動機喘振，該型放氣活門帶有可以測量空氣壓比的膜盒。這種膜盒是放氣活門中的核心部件。放氣活門原理如圖5所示［6］。

圖5　放氣活門工作原理

該型航空發(fā)動機的壓氣機有2級，放氣活門裝在壓氣機機匣上，與2級壓氣機之間的空氣流道相通。放氣活門打開時可以放出2級壓氣機之間的空氣，使壓氣機工作線遠離喘振邊界，避免壓氣機喘振［9］。

放氣活門根據(jù)發(fā)動機第2級壓氣機后的空氣壓力與大氣壓力的比值（P2/P0）控制開閉。

在發(fā)動機停車時，放氣活門處于打開位置。在發(fā)動機起動后，P2/P0逐漸增大，當達到設(shè)定數(shù)值時，放氣活門關(guān)閉，此時壓氣機工作線已經(jīng)遠離喘振邊界。在發(fā)動機減速過程中，P2/P0逐漸減小，當達到設(shè)定數(shù)值時，放氣活門打開。

放氣活門的膜盒感受P2和P0，膜盒內(nèi)部作用著P2空氣壓力，膜盒外部作用著P0空氣壓力。在發(fā)動機加速過程中，當P2/P0增大到調(diào)定值時，膜盒因伸長而關(guān)小薄膜控制腔的泄漏口，控制腔（節(jié)流嘴B下游）壓力升高，薄膜左移關(guān)閉活塞腔的泄漏口，活塞腔內(nèi)壓力升高，活塞克服彈簧力下移，通過扇形齒輪將活門關(guān)閉。

在發(fā)動機減速過程中，當P2/P0減小到調(diào)定值時，膜盒收縮，薄膜右移，活塞腔內(nèi)壓力降低，活塞在彈簧力作用下上移，通過扇形齒輪打開活門。

放氣活門安裝在壓氣機機匣錐形段上方，主要結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成（如圖6所示）：（1）壓力控制部分（包括膜盒、氣濾組件、節(jié)流片、穩(wěn)流片）；（2）活門控制部分（包括齒套、彈簧、齒輪、軸封、活門殼體組件等）；（3）信號輸出部分（包括微動開關(guān)、滾輪彈性片等）。

圖6　放氣活門結(jié)構(gòu)

放氣活門開/閉的準確性非常重要，準確測量P2/P0是關(guān)鍵。膜盒是放氣活門中測量P2/P0壓比的核心敏感部件。

3　膜盒的結(jié)構(gòu)與壓力比特性分析

膜盒剖視和結(jié)構(gòu)分別如圖7、8所示。膜盒由一大一小2個焊接波紋管并聯(lián)嵌套后通過上膜片、中心桿與底座組合焊接而成，2個焊接波紋管與上膜片、中心桿與底座組合形成的封閉腔為真空狀態(tài)。底座上安裝有止動套，常壓下與中心桿底部接觸止動［15］。

圖7　膜盒剖視

圖8　膜盒結(jié)構(gòu)

在膜盒工作時，外界環(huán)境壓力P0不變的情況下，隨內(nèi)腔壓力P2增大（P2/P0增大），膜盒中心桿與止動套脫離止動并產(chǎn)生向上的位移，直至P2達到規(guī)定值，位移達到最大值；反之，內(nèi)腔壓力P2減?。≒2/P0減?。r，膜盒中心桿逐漸向下位移，直至與止動套接觸止動。外界環(huán)境壓力P0對應(yīng)于不同的飛行高度。膜盒中心桿位移同時取決于P2、P0的影響，膜盒的最大位移值與P2/P0的比值相關(guān)。以上特性也決定了放氣活門在不同飛行高度的動作點僅與P2/P0相關(guān)，而不受飛行高度氣壓P0絕對值的影響。

圖9　簡化物理模型

簡化的膜盒物理模型如圖9所示。從圖中可見，2個焊接波紋管相當于2個不同端面積（A0、A2）的活塞，該端部面積對應(yīng)于焊接波紋管的有效面積A0。2個活塞構(gòu)成組合體，分別感受相向的均布壓力P0、P2作用，當P2×A2＞P0× A0時，F(xiàn)2＞F0，中心桿向上移動，反之向下移動。P2× A2=P0×A0時，組合體兩端力平衡，膜盒中心桿處于動作點位置［7］。

根據(jù)力平衡方程P2·A2=P0·A0，可得P2：P0=A0：A2。亦即感受P0、P2的焊接波紋管有效面積之比等于壓縮比的反比。通過對樣件膜盒結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和驗算，證實了上述關(guān)系。膜盒參數(shù)計算對比見表1。從表中可見，某型膜盒的A0/A2=5.9，放氣活門P2/P0=6，二者基本一致。需要指出的是，以上簡化模型中忽略了焊接波紋管的剛性反力作用。在設(shè)計焊接波紋管時，在滿足強度、耐壓和工藝性等要求的前提下，應(yīng)盡可能減小其剛度值。

4　膜盒設(shè)計與計算

在將膜盒用于其他壓比控制用途時，需改變膜盒結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整A0/A2。放氣活門用于其他渦軸發(fā)動機時，因發(fā)動機總增壓比發(fā)生變化，活門工作點也必須隨之變化，其中核心部件膜盒的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)需相應(yīng)變化。例如BB、CC型號發(fā)動機分別提出工作點為4、5、7、9等壓比參數(shù)的需求，原有的壓比為6的膜盒無法滿足需求。保持膜盒A0不變，調(diào)整A2的大小，從而改變A0/A2，使之與目標壓比值一致。這樣做使得膜盒外形尺寸保持不變，避免了放氣活門配合安裝零件變化，減少了設(shè)計變更環(huán)節(jié)，簡化了工藝難度，保持零組件通用性，提高設(shè)計標準化程度（表1）。

表1　膜盒參數(shù)計算對比

焊接波紋管有效面積A=f0πR2，表示波紋管輸出的集中力與輸入的均布力之比，cm2，反映了波紋管的均布力轉(zhuǎn)化能力。式中符號含義及計算示例見表2［5］。

表2　焊接波紋管參數(shù)計算

根據(jù)以上方法設(shè)計的壓比為4的膜盒已裝于BB發(fā)動機，工作情況良好。壓比為9的膜盒的特性曲線如圖11所示，目前正在試制、驗證過程中。從圖中可見，4條曲線代表同一膜盒4種P0狀態(tài)（對應(yīng)于氣壓高度0、3000、4500、6000 m）下的壓比-位移關(guān)系，4條曲線斜率雖然不同，但全部匯聚于1點，說明膜盒在該點的位移只與壓比相關(guān)，而與P0值無關(guān)。該點對應(yīng)的壓比值即膜盒壓比動作點，是由膜盒結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的固有屬性，不受外界其他參數(shù)變化的影響。在深入分析其工作原理的基礎(chǔ)上，進行逆向工程設(shè)計，按照有效面積作用原理，調(diào)整膜盒內(nèi)部小膜盒串的膜片直徑尺寸，即可獲得4～10范圍的任一壓比結(jié)果。在不改變放氣活門的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝尺寸的前提下，實現(xiàn)放氣活門產(chǎn)品的系列化，滿足了更多發(fā)動機型號的使用需求。

圖10　確定平板型波紋管f0，，的曲線

圖11　膜盒壓比-位移特性曲線

5　結(jié)束語

該膜盒式壓比敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特，在1個組件上嵌套2只焊接波紋管，使元件在承受內(nèi)壓和外壓時具有了2個不同的有效面積值，從而實現(xiàn)壓力比的測量。大小2只焊接波紋管的有效面積之比與膜盒壓比性能呈反比關(guān)系。

與分壓器式壓力比測量元件相比，該膜盒式壓比元件具有尺寸緊湊、質(zhì)量輕、控制精度高和性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。在使用特性方面有以下不同之處：首先，該膜盒適用于2個絕對壓力之比值的測量控制；其次，該膜盒工作時需要由止動狀態(tài)到達規(guī)定壓比工作點，而不是在壓比變化時由平衡狀態(tài)輸出位移。

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（編輯：張寶玲）

Design of Capsule Pressure-Ratio Sensitive Element Based on Effect of Effective Area

WANG Zhan-sheng1，CUI Guo-xu2
（1.AVIC Taiyuan Aero-instruments Co.，Ltd.Taiyuan，China，030006；2.AVIC Changchun Aviation Hydraulic Controls Co.，Ltd.Changchun，China，130102）

In order to research the influence of capsule pressure-ratio sensitive element on performance of aeroengine control system，the structure and working principle of an aeroengine pneumatic anti-surge bleed valve were analyzed and the concept of capsule pressureratio sensitive element was performed.The simplified physical model of the sensitive element capsule was established based on the equilibrium equation，as well as the method of parameter design of different pressure-ratio capsule.The results show that the pressure-ratio parameter is inversely proportional to the effective area parameter.The pressure-ratio will change with the effective area changing.The different pressure-ratio diaphragm has been used in multi type engines anti-surge bleed valves according to the design method.

sensitive element；pressure-ratio；capsule；effective area；aeroengine

V 233.7+31

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.013

2016-02-21

王戰(zhàn)生（1970），男，研究員級高級工程師，主要從事膜盒、波紋管等彈性敏感元件的技術(shù)研究工作，E-mail：wzs.1122@163.com。

引用格式：王戰(zhàn)生，崔國序.基于有效面積作用的膜盒式壓力比敏感元件設(shè)計［J］.航空發(fā)動機，2016，42（5）：76-80.WANGZhansheng，CUIGuoxu.Designof capsulestylepressure-ratiosensitiveelementbasedoneffectionofeffctivearea［J］.Aeroengine，2016，42（5）：76-80.