某型伺服引氣閥蝶閥壓力損失分析

曹 靜， 原佳陽2， 徐 亮

(1.南京機(jī)電液壓工程研究中心 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210061；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

引言

伺服引氣閥是航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣渦輪起動(dòng)系統(tǒng)的重要組成元件；它連接輔助動(dòng)力裝置(APU)和空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)進(jìn)入下游渦輪起動(dòng)機(jī)氣體的流量和溫度，直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的第一次起動(dòng)；其性能的好壞對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的快速性穩(wěn)定性以及渦輪葉片的壽命有重要的影響[1-2]。蝶閥是伺服引氣閥的功率級(jí)主閥，其壓力損失特性直接影響著伺服引氣閥的流量和溫度控制精度[3]。

18世紀(jì)末，James Watt首次將蝶閥應(yīng)用于蒸汽機(jī)中[4-5]；1969年，James E Hemphill改進(jìn)了蝶閥結(jié)構(gòu)，減小了蝶板開啟的阻力矩，蝶閥開始了更大規(guī)模的應(yīng)用[6]。壓力損失特性作為蝶閥的重要特性之一，得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注；KIMURA等[7]建立了液壓蝶閥力矩特性和壓力損失特性的計(jì)算方法；SUN等[8]研究了蝶板表面粗糙度對(duì)流量系數(shù)的影響；CORBERA等[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)蝶閥流量、阻力矩和壓力損失進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化；SHEDID[10]研究了Al2O3/水納米流體流經(jīng)蝶閥時(shí)的壓力損失情況。楊志賢等[11]研究了液壓蝶閥的流量系數(shù)、液動(dòng)力矩等流動(dòng)特性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓蝶閥特性的研究較為少見。

針對(duì)某型伺服引氣閥中蝶閥的壓力損失特性進(jìn)行分析；建立蝶閥壓力損失計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，研究開啟角度、供氣壓力、供氣溫度和工作海拔高度對(duì)蝶閥壓力損失的影響；最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 伺服引氣閥工作原理

伺服引氣閥主要由減壓閥、電磁開關(guān)閥、單噴嘴擋板閥、作動(dòng)筒和蝶閥構(gòu)成；伺服引氣閥工作原理如圖1所示。減壓閥將減壓閥出口壓力穩(wěn)定在某一特定值，避免輔助動(dòng)力裝置供氣壓力波動(dòng)對(duì)伺服引氣閥工作狀態(tài)和性能的影響。初始狀態(tài)時(shí)，電磁開關(guān)閥不通電，工作在右位，此時(shí)作動(dòng)筒上下腔壓力均為環(huán)境壓力，作動(dòng)筒活塞在彈簧力作用下位于上極限位置，蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)需要蝶閥打開時(shí)，電磁開關(guān)閥得電，減壓閥出口的高壓氣體進(jìn)入作動(dòng)筒上腔， 作動(dòng)器活塞在壓力作用下伸出，通過四桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)蝶閥閥板開啟；通過控制單噴嘴擋板閥的噴嘴與擋板間隙可以調(diào)節(jié)作動(dòng)筒上腔壓力，進(jìn)而對(duì)蝶閥開啟角度進(jìn)行控制；根據(jù)閥板轉(zhuǎn)軸處角位移傳感器的反饋信號(hào)，對(duì)蝶閥開啟角度的伺服控制。

1.減壓閥 2.排氣孔 3.固定節(jié)流孔 4.電磁開關(guān)閥 5.單噴嘴擋板閥 6.作動(dòng)筒 7.蝶閥 8.角位移傳感器 9.電子控制器

如圖2所示為蝶閥氣流通道結(jié)構(gòu)示意圖，改變蝶閥開啟角度可以改變氣流通道的節(jié)流面積，從而控制下游渦輪起動(dòng)機(jī)的供氣量；圖中截面1和截面2分別為蝶閥氣流通道的入口截面和出口截面。

圖2 蝶閥氣流通道結(jié)構(gòu)示意圖

為了計(jì)算工作過程中蝶閥造成的壓力損失，根據(jù)實(shí)際的渦輪起動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，將蝶閥下游的渦輪起動(dòng)機(jī)氣流通道等效為沿軸向均勻分布的若干個(gè)節(jié)流通道，每個(gè)通道長(zhǎng)17 mm，總節(jié)流面積為2300 mm2，渦輪起動(dòng)機(jī)等效氣流通道示意圖如圖3所示。

圖3 渦輪起動(dòng)機(jī)等效氣流通道示意圖

2 蝶閥壓力損失計(jì)算方法

2.1 理論計(jì)算方法

若忽略氣流與管道黏性摩擦造成的壓力損失，則有蝶閥節(jié)流公式為[12-13]:

(1)

式中，Q1為通過蝶閥氣體的質(zhì)量流量，kg/s；p1為APU供氣壓力，Pa；p2為蝶閥下游氣體壓力，Pa；T1為APU供氣溫度，K；C為蝶閥閥口流量系數(shù)，取0.82； R為氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；k為絕熱指數(shù)，取1.4；A1為蝶閥節(jié)流面積，m2，忽略蝶閥板厚度，近似有:

(2)

式中，D為通過蝶閥閥板直徑，m；α為蝶閥開啟角度，rad。

渦輪起動(dòng)機(jī)等效氣流通道的節(jié)流公式為：

(3)

式中，Q2為通過渦輪起動(dòng)機(jī)氣體的質(zhì)量流量，kg/s；p0為大氣壓力，Pa；A2為蝶閥節(jié)流面積，m2；T2為蝶閥下游氣體溫度，K。

忽略氣體泄漏，并假設(shè)蝶閥前后氣體溫度不變，即:

Q1=Q2，T1=T2

(4)

綜上，聯(lián)立式(1)～式(4)，可以求得不同開啟角度時(shí)的蝶閥下游壓力p2。p2與APU供氣壓力p1的差值即為氣體流過蝶閥的壓力損失，記為Δp。

2.2 基于計(jì)算流體力學(xué)的蝶閥壓力損失數(shù)值計(jì)算

1) 三維流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

上游蝶閥與下游渦輪起動(dòng)機(jī)氣流通道共同構(gòu)成了待求解三維氣流流場(chǎng)；采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格將流場(chǎng)離散，并在蝶閥閥板表面和通道壁面上繪制邊界層。以流經(jīng)出口的氣體質(zhì)量流量為指標(biāo)，對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，確定了計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定且計(jì)算代價(jià)盡可能小的網(wǎng)格密度。如圖4所示，為最終確定的蝶閥開啟角度45°時(shí)的流場(chǎng)中心截面網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目約為50.5萬個(gè)。

圖4 流場(chǎng)中心截面網(wǎng)格(蝶閥開啟角度45°)

2) 邊界條件及求解器設(shè)置

設(shè)置圖2中截面1為流場(chǎng)入口，渦輪起動(dòng)機(jī)氣流出口為流場(chǎng)出口；流場(chǎng)入口和出口的壓力溫度條件隨伺服引氣閥工作海拔的變化而變化，如表1所示，為不同海拔高度時(shí)流場(chǎng)進(jìn)出口的邊界條件。

表1 不同海拔高度時(shí)流場(chǎng)進(jìn)出口的邊界條件

基于Fluent，采用分離的隱式求解器進(jìn)行流場(chǎng)求解；選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型，考慮流體黏性發(fā)熱和可壓縮性；采用COUPLED格式對(duì)速度和壓力進(jìn)行耦合，采用二階上風(fēng)離散格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及討論

如圖5所示， 為計(jì)算得到的流場(chǎng)中心截面壓力云圖。從圖中可以看出，隨著蝶閥開啟角度的增加， 蝶閥進(jìn)出口的靜壓和總壓壓差均減小，但靜壓和總壓的計(jì)算結(jié)果有所不相同，特別是蝶閥下游氣流速度較快，使得靜壓值遠(yuǎn)小于總壓。本研究計(jì)算統(tǒng)計(jì)截面1和截面2的平均總壓差值，作為氣流流經(jīng)蝶閥的壓力損失結(jié)果。

圖5 流場(chǎng)中心截面壓力云圖

3.1 供氣溫度對(duì)蝶閥壓力損失的影響

如圖6所示，為供氣壓力p1為335 kPa，出口壓力p0為101 kPa，出口溫度T0為15 ℃，蝶板開啟角度為63°(70%最大開度)時(shí)，供氣溫度對(duì)蝶閥壓力損失的影響。

根據(jù)式(1)，供氣溫度對(duì)氣體節(jié)流特性無較大影響，因此，如6a所示供氣溫度變化對(duì)蝶閥流場(chǎng)的總壓分布影響較小；并且，圖中6b表明，隨著供氣溫度T1的升高，蝶閥壓力損失Δp無明顯變化。

圖6 供氣溫度對(duì)蝶閥壓力損失的影響

3.2 入口壓力的影響

如圖7所示，為供氣溫度T1為190 ℃，出口壓力p0為101 kPa，出口溫度T0為15 ℃，蝶板開啟角度為63°時(shí)，供氣壓力對(duì)蝶閥壓力損失的影響。

圖7 供氣壓力對(duì)蝶閥壓力損失的影響

圖7a為蝶閥流場(chǎng)總壓與入口壓力比值云圖，從圖中可以看出，入口壓力的提高幾乎不影響蝶閥流場(chǎng)中總壓與供氣壓力的比值。圖7b中，隨著供氣壓力的升高，蝶閥兩側(cè)的總壓壓降呈線性增加；但蝶閥壓力損失占總壓降的百分比np基本不變，這說明入口壓力p1的改變不影響蝶閥和渦輪起動(dòng)機(jī)上的壓降分配比例。

3.3 海拔高度的綜合影響

海拔高度的改變使得供氣和環(huán)境的壓力溫度發(fā)生變化，根據(jù)表1的邊界條件，可得到如圖8所示的不同海拔高度對(duì)應(yīng)的蝶閥壓力損失。由于蝶閥壓力損失與溫度變化不相關(guān)，因此高海拔時(shí)蝶閥壓力損失的降低與供氣壓力的減小有關(guān)。

圖8 不同海拔高度的蝶閥壓力損失

4 蝶閥壓力損失的試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究對(duì)伺服引氣閥工作過程中蝶閥壓力損失的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)原理圖如圖9所示；供給壓力660 kPa，溫度190 ℃的高壓氣體，經(jīng)過定壓減壓閥后，輸出恒定壓力為335 kPa的氣體；氣流先后經(jīng)過伺服引氣閥氣流通道和渦輪起動(dòng)機(jī)等效節(jié)流孔；通過壓力表測(cè)量伺服引氣閥氣流通道前后壓力值。由于現(xiàn)有壓力表僅能測(cè)量氣體的靜壓力，為了避免氣流速度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，將入口壓力表置于氣流通道入口上游75 mm處，出口壓力表位于氣流通道出口下游700 mm處，這兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)處的管道直徑相同，氣體流速相同且均勻；兩個(gè)壓力表讀數(shù)的差值等于兩處氣體總壓力之差。

1.定壓減壓閥 2.流量計(jì) 3.入口壓力表 4.伺服引氣閥氣流通道 5.出口壓力表 6.渦輪起動(dòng)機(jī)等效節(jié)流孔

試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)節(jié)渦輪起動(dòng)機(jī)等效節(jié)流孔的節(jié)流面積為2300 mm2；然后控制蝶閥開啟角度為某一定值，通入高壓氣體，讀取兩壓力表讀數(shù)差值Δpx；讀取流量計(jì)讀數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量流量Q；之后，去除伺服引氣閥氣流通道，將原入口管道和出口管道直接連接，調(diào)節(jié)渦輪起動(dòng)機(jī)等效節(jié)流孔面積，當(dāng)氣體質(zhì)量流量等于Q時(shí)，讀取兩壓力表讀數(shù)差值Δp0作為測(cè)量管道的壓力損失。則蝶閥壓力損失Δp可表示為:

Δp=Δpx-Δp0

(5)

如圖10所示，為蝶閥壓力損失試驗(yàn)結(jié)果；得到了不同蝶閥開啟角度對(duì)應(yīng)的蝶閥壓力損失。從圖中可以看出，理論計(jì)算結(jié)果和CFD數(shù)值分析結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

圖10 蝶閥壓力損失試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 建立了蝶閥壓力損失計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算了蝶閥的壓力損失，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，本研究的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)蝶閥壓力損失情況；

(2) 計(jì)算結(jié)果表明，供氣壓力的升高增大了蝶閥壓力損失，但不改變蝶閥和渦輪起動(dòng)機(jī)上的壓降分配比例；而蝶閥壓力損失不受供氣溫度的影響；隨著蝶閥工作海拔的升高，其壓力損失逐漸降低。