低速TPS試驗內(nèi)式流量控制技術(shù)研究

胡卜元, 黃 勇, 章貴川, 章榮平

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

現(xiàn)代噴氣式飛機(jī)設(shè)計中，通常采用“飛機(jī)/發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計方法”[1]，將飛機(jī)和發(fā)動機(jī)作為整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而獲得優(yōu)良的內(nèi)流特性和更高的外部氣動效率，提高飛機(jī)的性能。在風(fēng)洞中開展動力模擬試驗是開展飛機(jī)/發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計的主要研究手段。風(fēng)洞中常用的噴氣動力模擬試驗技術(shù)有引射式動力模擬試驗技術(shù)和渦輪動力模擬器(以下簡稱TPS)試驗技術(shù)[2]。其中，TPS試驗技術(shù)是最為先進(jìn)的噴氣動力模擬風(fēng)洞試驗技術(shù)。在TPS試驗技術(shù)中，作為發(fā)動機(jī)模擬器的TPS單元需采用高壓空氣驅(qū)動，因此，高壓供氣流量的控制技術(shù)是TPS關(guān)鍵技術(shù)之一。

20世紀(jì)60年代末，美國的風(fēng)洞最先應(yīng)用TPS試驗技術(shù)開展了C-5A銀河運(yùn)輸機(jī)、DC-10客機(jī)等型號的動力模擬試驗[3]，隨后這一試驗技術(shù)成為了評估運(yùn)輸機(jī)發(fā)動機(jī)動力影響的重要手段[4-6]。20世紀(jì)80年代，歐洲的德國-荷蘭風(fēng)洞群(簡稱DNW)也發(fā)展了TPS試驗技術(shù)，并開展了空客A300、A320等飛機(jī)的動力模擬試驗[7-9]，為這些飛機(jī)的研制作出了巨大的貢獻(xiàn)。在高壓供氣流量控制技術(shù)方面，國外最初采用單純的外式流量控制技術(shù)，試驗方式以半模TPS試驗為主；隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展了集控制、測量于一體的內(nèi)式流量控制技術(shù)，試驗方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀PS試驗為主。國內(nèi)的風(fēng)洞試驗研究單位也開展了TPS試驗技術(shù)研究，發(fā)展了相應(yīng)的內(nèi)式流量控制技術(shù)[10-14]，但系統(tǒng)集成度與國外仍有一定的差距。

外式流量控制裝置安裝在模型外部，通常通過數(shù)字閥進(jìn)行流量控制和測量。數(shù)字閥由多路不同流通面積的電磁閥組成，通過電磁閥的開閉組合控制流量。數(shù)字閥體積龐大，無法直接安裝在風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)部，只能通過引入模型內(nèi)部的供氣管路對TPS單元供氣。供氣管路通過空氣橋跨越內(nèi)式天平的固定端(非測量端)和浮動端(測量端)，然后與模型上的TPS單元相連。受模型空間限制，一般只能安裝2路空氣橋，因而無法對2臺以上的TPS單元實施控制[13-14]。內(nèi)式流量控制裝置安裝在模型內(nèi)部，通常通過針閥和流量計組合對流量進(jìn)行控制和測量。與外式流量控制裝置相比，內(nèi)式流量控制裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 結(jié)構(gòu)更為緊湊，可以安裝在內(nèi)部空間相對充裕的模型頭部，實現(xiàn)對2臺以上的TPS單元進(jìn)行流量控制；(2) 從流量控制裝置至TPS單元之間的管路距離短，控制和測量響應(yīng)更快，氣流壓力和流量更加穩(wěn)定。

本文研制的內(nèi)式流量控制裝置，采用雙喉道設(shè)計方案，集成了高精度流量控制、測量功能，可同時實現(xiàn)4臺TPS單元流量精確控制和測量，滿足4發(fā)渦扇運(yùn)輸機(jī)的動力模擬試驗需求。

1 流量控制裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

根據(jù)一維等熵流理論[15]可知，當(dāng)拉瓦爾噴管喉道氣流達(dá)到聲速(臨界狀態(tài))時，通過噴管的氣流流量僅取決于噴管喉道上游的氣流總壓，流量按以下公式計算：

(1)

式中：m為氣流質(zhì)量流量，kg/s；pt為喉道上游氣流總壓，Pa；Tt為喉道上游氣流總溫，K；A*為喉道面積，m2。

由公式(1)可知，如果保持上游總壓和溫度恒定，氣流流量與噴管喉道面積成線性關(guān)系，通過改變噴管喉道面積就能控制氣流流量。

1.2 總體方案

根據(jù)前述原理，本文設(shè)計了一種雙喉道流量控制裝置，主要包括針閥、文丘里流量計、電作動筒等部件(見圖1)。其中，針閥為流量控制系統(tǒng)，由針閥噴管、針閥頂針等組成；文丘里流量計為流量測量系統(tǒng)，由文丘里噴管、壓力和溫度傳感器等組成；電作動筒為運(yùn)動控制系統(tǒng)，由伺服電機(jī)、同步帶系統(tǒng)、滾珠絲杠、光柵尺、導(dǎo)軌等組成。

其工作原理是，當(dāng)針閥噴管和文丘里噴管(二者均為拉瓦爾噴管)喉道的氣流均達(dá)到聲速(臨界狀態(tài))后，通過電作動筒驅(qū)動針閥內(nèi)的頂針運(yùn)動，改變針閥噴管喉道面積，實現(xiàn)流量控制。原理圖見圖2。

圖1 總體方案

圖2 原理圖

1.3 針閥與文丘里噴管喉道匹配設(shè)計

1.3.1 文丘里噴管喉道直徑計算

文丘里噴管喉道直徑與TPS單元的渦輪參數(shù)有關(guān)。本文設(shè)計的流量控制裝置專用于AEF-0135A型TPS單元的流量控制，該型TPS單元的渦輪主要參數(shù)為：渦輪入口面積AC=232.5331 mm2；渦輪入口總壓ptC=3.2 MPa；渦輪入口總溫TtC=298.15 K；額定流量：mC=1 kg/s。

根據(jù)TPS單元的渦輪參數(shù)，考慮高壓空氣沿管路和流量計輸送的壓力損失，確定文丘里噴管的上游氣流參數(shù)為：額定總壓ptV=4.1 MPa；額定總溫TtV=298.15 K；額定流量mV=1 kg/s。

將以上氣流參數(shù)代入公式(1)，得到喉道面積AV=104mm2，喉道直徑為DV=11.5 mm。

1.3.2 針閥噴管喉道直徑計算

考慮氣流通過連接管路及針閥噴管的總壓損失，確定針閥噴管上游的氣流參數(shù)為：額定總壓ptN=5.0 MPa；額定總溫TtN=298.15 K；額定流量mN=1 kg/s。

將以上氣流參數(shù)代入公式(1)，得到喉道面積AN=85 mm2，喉道直徑DN=10 mm。

1.3.3 針閥與文丘里噴管喉道直徑的匹配計算

在雙喉道設(shè)計中，要保證喉道處氣流為聲速流，喉道之間的管路氣流為亞聲速流，而不能出現(xiàn)超聲速流。出現(xiàn)超聲速流的條件為[15]：

(2)

其中，σ是針閥噴管擴(kuò)散段內(nèi)氣流出現(xiàn)最強(qiáng)激波時的總壓比。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，將針閥噴管與文丘里噴管的面積比(噴管喉道面積/噴管出口面積)均設(shè)定為0.25。查文獻(xiàn)[17]的附表5和7可得，針閥噴管的激波總壓比為σ=0.346，即AV≥2.89AN時，喉道之間管路氣流為超聲速流。而在本設(shè)計中，AV=1.22AN，此工況下，喉道之間的管路氣流為亞聲速流，滿足設(shè)計要求。

針閥工作時，通過改變針閥喉道的面積來控制氣流的總壓和流量，因此必須驗證針閥開度最小時，喉道之間是否產(chǎn)生超聲速氣流。假設(shè)針閥噴管喉道面積減小至原來的1/10，即AV=12.20AN，此時，通過查表可得σ=0.039，即AV≥25.64AN時，喉道之間才會出現(xiàn)超聲速流。顯然AV=12.20AN時，喉道間的氣流仍然為亞聲速流，滿足設(shè)計要求。

1.4 電作動筒設(shè)計

電作動筒主要由伺服電機(jī)、同步帶系統(tǒng)、滾珠絲杠、光柵尺、導(dǎo)軌等組成。其中，伺服電機(jī)為動力源，滾珠絲杠、同步帶和導(dǎo)軌等為傳動部件，光柵尺為位置反饋傳感器。

電作動筒采用全數(shù)字式伺服控制、計算機(jī)自適應(yīng)在線補(bǔ)償與自適應(yīng)振動抑制、模塊化設(shè)計與開放式可重構(gòu)的全數(shù)字控制系統(tǒng)等技術(shù)，將傳動、驅(qū)動、位移測量、伺服控制等功能有機(jī)地整合成一個模塊。系統(tǒng)原理圖見圖3。

為提高控制精度，由直線位移反饋(光柵尺反饋)、角位移反饋(編碼器反饋)構(gòu)成雙反饋回路，位移控制精度優(yōu)于0.01mm。電作動筒的性能指標(biāo)如表1所示。

圖3 電作動筒原理圖

表1 電作動筒性能指標(biāo)Table 1 Electric actuator performance

2 地面校核試驗

為校核該裝置的性能，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的TPS地面實驗室進(jìn)行了地面校核試驗(見圖4)。

圖4 校核試驗

試驗時，定義針閥喉道面積為0時的針閥頂針位置為0 mm，針閥喉道面積最大時的頂針位置為75 mm，頂針從0 mm運(yùn)動到75 mm，針閥喉道面積逐漸增大。

2.1 分辨率試驗結(jié)果分析

圖5給出了流量控制分辨率試驗結(jié)果曲線，圖中橫坐標(biāo)為針閥頂針位置，縱坐標(biāo)為流量對針閥頂針位移的導(dǎo)數(shù)(dm/dx)。從圖中可知，dm/dx最大約為0.015 kg/(s·mm)，而電作動筒的定位精度為0.01 mm，因此，流量控制分辨率可控制在0.15 g/s范圍內(nèi)。

圖5 控制分辨率試驗曲線圖

2.2 精度試驗結(jié)果分析

圖6給出了精度試驗結(jié)果曲線，圖中橫坐標(biāo)為針閥頂針位置，縱坐標(biāo)為流量。表2給出了不同針閥頂針位置的流量控制重復(fù)性精度。

圖6 流量控制重復(fù)性精度曲線圖

表2 流量控制重復(fù)性精度Table 2 Mass flow control tests repeatability accuracy

從圖6和表2可知，試驗結(jié)果具有較好的重復(fù)性，在針閥頂針行程范圍內(nèi)，流量控制精度均在3 g/s以內(nèi)。

流量控制精度低于分辨率的原因在于：流量控制精度除了與裝置本身的性能有關(guān)外，還與上游的供氣流量(總壓)控制精度相關(guān)。TPS地面實驗室的上游供氣流量(總壓)由數(shù)字閥系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)的數(shù)字閥數(shù)量較少，控制精度相對較低，從而導(dǎo)致本裝置的流量控制精度下降。

2.3 針閥頂針位移與流量的關(guān)系

圖7給出了針閥頂針位移與流量的關(guān)系圖。由圖可知：(1) 在一定的針閥頂針行程范圍內(nèi)，流量與針閥頂針位移基本呈線性變化關(guān)系，且隨上游供氣流量(總壓)的增加，線性段范圍逐漸擴(kuò)大。這說明在該段針閥行程范圍內(nèi)，針閥與文丘里噴管喉道均達(dá)到聲速(臨界狀態(tài))，二者具有良好的匹配關(guān)系；(2) 當(dāng)針閥行程超過某個臨界值后，頂針行程變化對流量幾乎沒有影響。這說明此時針閥和文丘里噴管喉道未達(dá)到聲速，不滿足臨界工作條件。

圖7 針閥頂針位移與流量的關(guān)系圖

Fig.7Relationshipbetweenneedlevalvesizeandmassflowrate

3 風(fēng)洞試驗驗證

在中國空氣動力研究與發(fā)展中心8 m×6 m風(fēng)洞開展了某型飛機(jī)全模TPS動力模擬試驗，試驗的重復(fù)性精度見表3，其中NPR為TPS短艙噴流落壓比。

試驗結(jié)果表明：風(fēng)洞試驗重復(fù)性精度皆在國軍標(biāo)合格指標(biāo)之內(nèi)，其中CL、CY、Cn和Cl的重復(fù)性精度滿足國軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)。這說明本文設(shè)計的流量控制裝置完全滿足TPS試驗的流量控制精度要求。

表3 風(fēng)洞試驗重復(fù)性精度Table 3 Wind tunnel tests repeatability accuracy

4 結(jié) 論

(1) 采用基于雙喉道匹配設(shè)計的內(nèi)式流量控制技術(shù)，集流量控制與測量于一體，能夠有效解決多臺TPS單元的流量控制與測量問題。

(2) 在臨界狀態(tài)下，所設(shè)計的流量控制裝置的流量控制線性較好；流量控制分辨率優(yōu)于0.15 g/s，控制精度優(yōu)于3 g/s。

(3) 8 m×6 m風(fēng)洞全模TPS試驗重復(fù)性精度滿足國軍標(biāo)合格指標(biāo)，驗證了本文設(shè)計的內(nèi)式流量控制裝置的可靠性。