蝶閥式絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)器的先導(dǎo)閥組件靜動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)

董錟 陳海勝

摘 要：引氣系統(tǒng)是飛機(jī)極為重要的組成部分，而絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)器是引氣系統(tǒng)的核心調(diào)壓部件。本文介紹了蝶閥式壓力調(diào)節(jié)器中先導(dǎo)式減壓閥的工作原理，建立了先導(dǎo)閥的數(shù)學(xué)模型，分析了先導(dǎo)閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：蝶閥式壓力調(diào)節(jié)器;先導(dǎo)閥;靜態(tài)特性;動(dòng)態(tài)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TH138.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0035-03

Design of Static and Dynamic Characteristics of Pilot Valve Assembly

of Butterfly Valve Type Absolute Pressure Regulator

DONG Tan1 CHEN Haisheng2

（1. Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Xinxiang，Xinxiang Henan 453000;2. AVIC Xinhang AviationIndustry （Group） Co.， Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Abstract： The bleed air system is an extremely important part of the aircraft， and the absolute pressure regulator is the core pressure regulating component of the bleed air system. This paper introduces the working principle of the pilot pressure reducing valve in the butterfly valve pressure regulator， establishes the mathematical model of the pilot valve， and analyzes the static and dynamic characteristics of the pilot valve.

Keywords： butterfly valve pressure regulator;pilot valve;static characteristics;dynamic characteristics

隨著飛機(jī)向高空、高速發(fā)展，大飛機(jī)的座艙增壓通風(fēng)能力不斷提高，座艙供氣量大大增加，從引氣壓力調(diào)節(jié)器來(lái)看，直接式壓力調(diào)節(jié)器已不能滿足航空事業(yè)的迅速發(fā)展需求，逐漸被間接式壓力調(diào)節(jié)器所代替，以便更好地滿足大供氣量要求[1-3]。

間接式壓力調(diào)節(jié)器的原理框圖如圖1所示，其可以看成由兩個(gè)基本部分組成：一個(gè)是壓力控制機(jī)構(gòu)，由敏感元件、給定元件和它控制的活門(mén)所組成，它的作用是保持控制腔壓力不變;另一個(gè)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由比較元件和調(diào)節(jié)活門(mén)組成[4]。

從結(jié)構(gòu)原理上講，圖1中的控制機(jī)構(gòu)就是一個(gè)直接式壓力調(diào)節(jié)器，即本文所研究的先導(dǎo)式減壓閥（下稱(chēng)先導(dǎo)閥），它調(diào)節(jié)的不是產(chǎn)品出口壓力而是控制腔壓力，所以控制腔壓力的靜態(tài)偏差和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性直接影響蝶閥式壓力調(diào)節(jié)器出口壓力的靜態(tài)偏差和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，本文研究的為絕壓式先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)。

1 先導(dǎo)閥組件技術(shù)要求

先導(dǎo)閥組件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作介質(zhì)為空氣;使用高度為0～13 km;入口壓力為0.5～1.2 MPa（絕壓）;工作環(huán)境溫度介于-55～+70 ℃;介質(zhì)溫度為180 ℃。

2 先導(dǎo)閥靜態(tài)特性設(shè)計(jì)與研究

由于先導(dǎo)閥調(diào)節(jié)過(guò)程中各敏感元件均與介質(zhì)接觸，因此計(jì)算過(guò)程中不考慮環(huán)境溫度對(duì)先導(dǎo)閥調(diào)壓特性的影響;由于先導(dǎo)閥出口即控制腔設(shè)計(jì)有超臨界溢流孔，因此計(jì)算過(guò)程中不考慮低氣壓環(huán)境對(duì)先導(dǎo)閥調(diào)壓特性的影響。

2.1 靜態(tài)特性分析假設(shè)

在進(jìn)行靜態(tài)特性分析之前，研究人員先做如下假設(shè)：先導(dǎo)閥中錐形活門(mén)重力與其所受的氣動(dòng)力、彈性力相比很小，計(jì)算過(guò)程中忽略其質(zhì)量;先導(dǎo)閥中錐形活門(mén)前后氣體壓力按理想狀態(tài)分布，即入口為入口壓力，出口立刻降為出口壓力;由于流體進(jìn)出錐形活門(mén)時(shí)速度有變化，產(chǎn)生動(dòng)量變化，靜態(tài)計(jì)算時(shí)忽略;忽略先導(dǎo)閥中錐閥運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦;流量系數(shù)按常值處理;假設(shè)入口溫度、出口溫度相等;如圖3所示，將先導(dǎo)閥組件、控制腔、控制腔超臨界孔組成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，而控制腔為具有一定容積的空間，超臨界孔是排氣口，通過(guò)調(diào)節(jié)錐閥的開(kāi)度來(lái)控制流量，從而實(shí)現(xiàn)控制腔壓力的穩(wěn)定[5-7]。

2.2 建立靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

先導(dǎo)閥組件中的錐閥在調(diào)壓狀態(tài)下處于平衡，受力分析如圖4所示。圖中，[k1（x1+t）-PkA1]為真空波紋管對(duì)錐閥的作用力（向下）;[PkA2]為控制腔壓力對(duì)錐閥的作用力（向下）;[PRA2]為入口壓力對(duì)錐閥的作用力（向上）;[k2（x2-t）]為先導(dǎo)閥組件中調(diào)壓彈簧對(duì)錐閥的作用力（向上）。其中，[k1]為波紋管的剛度;[k2]為先導(dǎo)閥中調(diào)壓彈簧的剛度;[x1]為波紋管的預(yù)壓縮量;[x2]為先導(dǎo)閥中調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量;[t]為先導(dǎo)閥中錐閥的行程;[Pk]為控制腔壓力;[A1]為波紋管的有效面積;[A2]為先導(dǎo)閥中錐閥的受力面積;[PR]為先導(dǎo)閥入口壓力。

根據(jù)圖4模型，人們可以得出以下關(guān)系式：

[k1（x1+t）-PkA1+PkA2-PRA2-k2（x2-t）=0]? ? ? （1）

對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，可得：

[Pk=k1（x1+t）-PRA2-k2（x2-t）A1-A2]? ? ? ? ? ? （2）

由式（2）可得控制腔壓力差為：

[ΔPk=（k1+k2）Δt-ΔPRA2A1-A2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[ΔPk]為控制腔壓力差;[Δt]為先導(dǎo)閥調(diào)壓范圍內(nèi)錐閥行程變化值;[ΔPR]為先導(dǎo)閥入口壓力差。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，[k1]>>[k2]，且[Δt]值很小，對(duì)式（3）簡(jiǎn)化可得：

[ΔPk=k1Δt-ΔPRA2A1-A2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

當(dāng)處于亞臨界狀態(tài)（即[Pk/PR>0.528]）時(shí)，得先導(dǎo)閥的流量方程：

[Gkr=0.822μ1A3Pk（PR-Pk）T]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：[Gkr]為通過(guò)先導(dǎo)閥的流量;[μ1]為先導(dǎo)閥流量系數(shù);[A3]為先導(dǎo)閥流通面積;[T]為先導(dǎo)閥入口溫度。

當(dāng)處于超臨界狀態(tài)（即[Pk/PR≤0.528]）時(shí)，得先導(dǎo)閥的流量方程：

[Gkr=0.404μ1A3PRT]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

控制腔溢流孔處于超臨界狀態(tài)，得該處溢流孔的流量方程：

[Gkc=0.404μ2A4PkT]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：[Gkc]為通過(guò)控制腔溢流孔的流量;[μ2]為控制腔溢流孔流量系數(shù); [A4]為控制腔處溢流孔流通面積。

根據(jù)[Gkr=Gkc]，可得亞臨界狀態(tài)下先導(dǎo)閥流通面積為：

[? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? A3=PkPR-Pk×A42.05πl(wèi)活（d活-l活tanα）tanαcosα=PkPR-Pkμ2πd28.2μ1]? ? ? （8）

式中：[l活]為先導(dǎo)閥中錐閥開(kāi)度;[d活]為先導(dǎo)閥中活門(mén)座孔直徑;[α]為先導(dǎo)閥中錐閥半錐角度;[d]為排氣孔直徑。

根據(jù)[Gkr=Gkc]，可得超臨界狀態(tài)下先導(dǎo)閥流通面積為：

[? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?A3=PkPRA4πl(wèi)活（d活-l活tanα）tanαcosα=PkPRμ2μ1π4d2]? ? ? ? （9）

代入相關(guān)數(shù)值，對(duì)式（2）、式（4）、式（8）和式（9）進(jìn)行迭代求解，可得先導(dǎo)閥組件在入口壓力0.5～1.2 MPa（絕壓）下的出口壓力（即控制腔壓力）為0.369～0.354 MPa（絕壓），壓力差為15 kPa，且呈下降趨勢(shì)，如圖5所示。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

廠內(nèi)選取試驗(yàn)件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。實(shí)測(cè)先導(dǎo)閥輸出壓力與理論計(jì)算值基本一致，下降幅度為15 kPa。

3 先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

先導(dǎo)閥組件應(yīng)用在蝶閥式壓力調(diào)節(jié)器系列產(chǎn)品上，目前出現(xiàn)了錐閥、活門(mén)座及真空波紋管硬芯部分撞擊損壞嚴(yán)重等問(wèn)題。

由于先導(dǎo)閥輸出壓力偏差僅影響產(chǎn)品出口壓力靜態(tài)偏差，而針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)分析排查，主要原因?yàn)橄葘?dǎo)閥組件阻尼較小，動(dòng)態(tài)特性較差，在機(jī)上使用環(huán)境下產(chǎn)生抖動(dòng)。所以，研究人員對(duì)先導(dǎo)閥組件進(jìn)行了優(yōu)化處理，如圖7所示，其間主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：增大調(diào)壓彈簧剛度，提高活動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率;增加阻尼圈，抑制錐閥由于外作用而產(chǎn)生的振蕩;結(jié)合產(chǎn)品整體改進(jìn)，增大控制腔容積;將活門(mén)座直角密封改進(jìn)為斜面密封，減小初始撞擊力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了先導(dǎo)閥組件的數(shù)學(xué)模型，獲得了先導(dǎo)閥組件的靜態(tài)特性參數(shù)，同時(shí)根據(jù)先導(dǎo)閥組件出現(xiàn)的問(wèn)題，分析了先導(dǎo)閥組件的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)增大了錐閥運(yùn)動(dòng)的阻尼力，由于阻尼力未知，因此優(yōu)化后的靜態(tài)特性計(jì)算尚不準(zhǔn)確。優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)特性有所改善，但會(huì)增加入口壓力上升階段和下降階段的輸出壓力差，故后續(xù)需要驗(yàn)證其靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性及環(huán)境適應(yīng)性。

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