多路熱氣流量控制及其在防除冰試驗(yàn)中的應(yīng)用

趙 照,易 賢,2,冉 林,熊建軍*

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621000;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621000)

飛機(jī)防除冰系統(tǒng)是飛機(jī)安全防護(hù)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),其可保證飛機(jī)在結(jié)冰環(huán)境下安全飛行[1-4]。目前,防除冰方法主要包括熱氣防除冰、電熱防除冰、機(jī)械防除冰、液體防除冰等[5-6]。其中,熱氣防除冰方法因其穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于機(jī)翼與發(fā)動(dòng)機(jī)防除冰中[7]。為驗(yàn)證熱氣防除冰系統(tǒng)的效果,在真實(shí)飛行試驗(yàn)之前,基于結(jié)冰風(fēng)洞開(kāi)展熱氣防除冰試驗(yàn)是防除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段。20世紀(jì)50年代起,美國(guó)開(kāi)展了一系列飛機(jī)模型結(jié)冰與防除冰試驗(yàn),并獲取了大量防除冰系統(tǒng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)[8-9]。由于技術(shù)限制,國(guó)內(nèi)開(kāi)展相關(guān)熱氣防除冰研究較晚,隨著3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞的建成及航空事業(yè)的發(fā)展,針對(duì)防除冰試驗(yàn)的需求越來(lái)越多[10-11],流量精確控制是保證結(jié)冰風(fēng)洞熱氣防除冰試驗(yàn)成功的關(guān)鍵技術(shù)。

目前,普遍采用調(diào)節(jié)閥對(duì)供氣氣體流量進(jìn)行調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)閥控制存在調(diào)節(jié)精度低和受下游環(huán)境影響大的缺點(diǎn)[12],此外,熱氣防除冰試驗(yàn)還存在多路供氣試驗(yàn)需求,調(diào)節(jié)閥控制存在多路流量控制耦合的問(wèn)題。臨界流文氏管具有受下游環(huán)境影響小和保持流量恒定的特性,其流通流量只和前端壓力、溫度以及喉道面積有關(guān)[13],可以保證輸出精確、穩(wěn)定的流量,被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量控制[14]、氣體流量測(cè)量與控制等領(lǐng)域[15-16]。臨界流文氏管流量控制主要通過(guò)改變前端供氣壓力與流通面積實(shí)現(xiàn),由于供氣系統(tǒng)壓力限制,固定喉道文氏管的臨界流文氏管流量控制能力有限,單個(gè)固定喉道文氏管大多用于流量測(cè)量與固定流量控制,因此改變流通面積是實(shí)現(xiàn)大范圍流量控制的主要手段?？岛殂懙萚17]通過(guò)研制數(shù)字閥進(jìn)行供氣流量控制,通過(guò)控制電磁閥開(kāi)關(guān)比例組成不同的流量流通面積實(shí)現(xiàn)流量大范圍調(diào)節(jié),但是受空間限制,數(shù)字閥數(shù)量有限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)更加精確的流量控制。胡悅等[18]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式文氏管,應(yīng)用于變馬赫數(shù)風(fēng)洞,實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)為2～4時(shí)對(duì)應(yīng)模擬參數(shù)的連續(xù)變化。陳元杰等[19]開(kāi)展了變面積臨界流文丘里噴嘴特性研究,分析了不同節(jié)流體的流動(dòng)特性。上述相關(guān)可調(diào)式文氏管研究表明可調(diào)式文氏管對(duì)于流量調(diào)節(jié)具有精度高、可調(diào)范圍大的優(yōu)點(diǎn),但針對(duì)多路供氣流量連續(xù)調(diào)節(jié)的研究較少,如何實(shí)現(xiàn)多路流量精準(zhǔn)控制是多路熱氣防除冰試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。

針對(duì)多路熱氣流量控制耦合問(wèn)題,提出采用背壓閥對(duì)多路流量控制進(jìn)行解耦,設(shè)計(jì)了多路熱氣流量控制系統(tǒng),結(jié)合針閥與臨界流文氏管流量計(jì),實(shí)現(xiàn)多路熱氣供氣流量連續(xù)精確控制。

1 多路熱氣流量控制系統(tǒng)與控制原理

多路流量控制系統(tǒng)組成如圖1所示,氣源主路通過(guò)氣源旁路的背壓閥穩(wěn)定流量控制單元入口壓力,利用流量控制單元進(jìn)行流量控制,實(shí)現(xiàn)壓力與流量解耦。圖1中,背壓閥由TJ1與TJ2兩個(gè)調(diào)節(jié)閥組成,具備精確調(diào)節(jié)能力,ZF為針閥,FL為臨界流文氏管流量計(jì)。對(duì)于一次試驗(yàn)中進(jìn)行多個(gè)部件防除冰系統(tǒng)驗(yàn)證的工況,通過(guò)增加流量控制單元通道即可完成多路熱氣供氣防除冰試驗(yàn)。

圖1 多路流量控制系統(tǒng)組成

臨界流文氏管工作原理是流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù),當(dāng)臨界流文氏管喉道出口壓力與入口壓力之比(即背壓比)小于某一數(shù)值、喉道氣流達(dá)到聲速、背壓比再減小時(shí),喉道氣流速度不再變化,即達(dá)到臨界狀態(tài),臨界流狀態(tài)氣體質(zhì)量流量可由式(1)計(jì)算[20]:

(1)

式中:Cd為流出系數(shù);C*為臨界流函數(shù);A為喉道面積;Pt為臨界管前端氣流總壓;R為氣體常數(shù);M為摩爾質(zhì)量;Tt為臨界管前端氣流總溫。

由式(1)可知,氣流流量只和文氏管前端總壓、總溫和喉道面積有關(guān),因此只要保證文氏管前端壓力與溫度穩(wěn)定,流通文氏管的氣流流量只和喉道面積有關(guān),通過(guò)改變喉道面積即可控制氣流流量。

2 流量控制單元設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多路熱氣流量控制系統(tǒng)由多個(gè)流量控制單元組成,單路流量控制單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示,主要由針閥、臨界流文氏管流量計(jì)、連接管道和法蘭等設(shè)備組成,其工作原理是以臨界流文氏管流量計(jì)測(cè)得流量作為反饋,通過(guò)電作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制針閥閥芯的軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),從而改變針閥喉道面積,實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。

圖2 流量控制單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 針閥

針閥主要由閥體、針閥孔板套、針閥閥芯、針閥喉道、電作動(dòng)筒等部分組成,如圖3所示。

圖3 針閥示意圖

為防止氣流沖擊下針閥閥芯發(fā)生振動(dòng),造成流量控制產(chǎn)生較大誤差,采用整流孔套來(lái)進(jìn)行整流,以降低針閥推桿附近的氣流不均勻度。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)來(lái)流分配、提高流量控制時(shí)針閥前段氣流壓力穩(wěn)定性,流量控制單元設(shè)計(jì)有穩(wěn)壓閥體。閥體由腔體主體和蓋板組成,兩者之間的密封通過(guò)金屬密封墊實(shí)現(xiàn)。腔體左側(cè)連接進(jìn)氣管路與電作動(dòng)筒,右側(cè)與針閥喉道相連,電作動(dòng)筒套筒與腔體之間通過(guò)金屬密封墊密封,確保作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)時(shí)保持良好的密封。

為滿(mǎn)足流量控制要求,需對(duì)針閥閥芯與喉道尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。文氏管在滿(mǎn)足臨界條件后,根據(jù)目標(biāo)流量、文氏管前端壓力范圍、溫度范圍,基于流量計(jì)算公式(1)即可計(jì)算喉道面積。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大供氣壓力為1.5 MPa,最高氣體溫度為400 ℃,單路流量控制范圍為0～750 g/s,代入公式可計(jì)算得到最小喉道直徑為20.88 mm,考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量,喉道直徑設(shè)計(jì)為22 mm。

為保證針閥閥芯運(yùn)動(dòng)精度,電作動(dòng)筒由電動(dòng)缸、電機(jī)計(jì)驅(qū)動(dòng)器、減速器和光柵尺組成。采用同軸傳動(dòng),選用精密滾珠絲杠、高精度減速器,傳動(dòng)平穩(wěn)、精確,可承受較大的推力和壓力,通過(guò)預(yù)緊,可以徹底消除軸向間隙。以光柵尺作為位置定位傳感器,實(shí)現(xiàn)電作動(dòng)筒的精準(zhǔn)定位。為滿(mǎn)足流量控制精度要求,需要設(shè)計(jì)合適的電作動(dòng)筒導(dǎo)程,在導(dǎo)程定位精度為0.05 mm時(shí)可以滿(mǎn)足0.3%的流量控制精度。

2.3 臨界流文氏管流量計(jì)

臨界流文氏管流量計(jì)位于針閥后端,采用臨界流流量測(cè)量原理,用于測(cè)量真實(shí)流量。

在文氏管前后布置壓力測(cè)量點(diǎn)與溫度測(cè)量點(diǎn),在測(cè)量點(diǎn)前端采用蜂窩器進(jìn)行整流,保證測(cè)量截面氣流均勻。該流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高,可對(duì)針閥位置進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定,通過(guò)更換不同喉道直徑的文氏管可實(shí)現(xiàn)寬范圍流量測(cè)量。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PC+西門(mén)子S7-1200系列PLC系統(tǒng)+流量控制單元的方式。PLC控制系統(tǒng)通過(guò)Profinet 總線(xiàn)接入風(fēng)洞工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),PC通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將流量控制命令發(fā)送給PLC控制器,控制器以光柵尺編碼器反饋驅(qū)動(dòng)電作動(dòng)筒,將閥芯運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置,同時(shí)以臨界流文氏管流量計(jì)測(cè)得流量值為反饋,細(xì)調(diào)針閥開(kāi)度,直至精度滿(mǎn)足要求。

硬件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制系統(tǒng)、電機(jī)計(jì)驅(qū)動(dòng)器和光柵尺等。PLC控制系統(tǒng)選用西門(mén)子1200系列PLC,配備相應(yīng)I/O模塊、RS485通信模塊、觸摸屏等。其中,I/O模塊用于采集流量控制單元的溫度、壓力等參數(shù)以及輸出控制命令,RS485通信模塊用于與光柵尺編碼器、驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備通信,觸摸屏用于本地監(jiān)視與控制。電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選用松下AC系列,可通過(guò)RS485通信模塊與PLC控制器連接。光柵尺由鋁型材、光柵尺、安裝端蓋、讀數(shù)頭和信號(hào)電纜(帶插頭)等部分組成,可通過(guò)RS485通信方式與PLC控制器連接。

軟件設(shè)計(jì)主要包括底層的PLC流量控制程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)以及本地觸摸屏面板程序設(shè)計(jì),考慮到上位機(jī)軟件與本地觸摸屏操作方式相似,主要介紹PLC流量控制策略與上位機(jī)軟件試驗(yàn)流程控制策略。

2.4.1 PLC流量控制程序設(shè)計(jì)

PLC流量控制是由上位機(jī)發(fā)送流量給定命令,基于多路流量之和,調(diào)節(jié)背壓閥將流量控制單元入口壓力穩(wěn)定在某值(該值由調(diào)試結(jié)果得出,可滿(mǎn)足流量要求)附近,基于各支路流量設(shè)定值,控制針閥位置改變流通面積,實(shí)現(xiàn)各支路流量精確控制?？刂屏鞒倘鐖D4所示。

圖4 控制流程

2.4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

流量控制系統(tǒng)與供氣系統(tǒng)是一個(gè)整體,考慮系統(tǒng)兼容性及操作便利性,上位機(jī)基于LabVIEW設(shè)計(jì),流量控制系統(tǒng)程序嵌入原熱氣供氣防除冰系統(tǒng),流量控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行邏輯如圖5所示,主要包括系統(tǒng)準(zhǔn)備、壓力控制和流量控制等操作。

圖5 流量控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行邏輯

3 性能分析與試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 多路熱氣供氣控制分析

對(duì)于多路流量控制,一路流量發(fā)生變化會(huì)對(duì)另一路帶來(lái)干擾,每路之間存在耦合,為了實(shí)現(xiàn)多路精確流量控制,需要對(duì)流量控制進(jìn)行解耦?；诹髁靠刂茊卧墓ぷ髟?采用壓力+開(kāi)度組合的方式,通過(guò)系統(tǒng)旁路背壓閥實(shí)時(shí)閉環(huán)控制流量以控制單元入口的壓力,由式(1)可知,只要保證所有支路入口處壓力穩(wěn)定,基于入口壓力與各路控制的目標(biāo)流量可以計(jì)算各路針閥喉道面積大小,改變針閥開(kāi)度即可實(shí)現(xiàn)多路流量精確控制。

流量的精準(zhǔn)控制首先需要保證入口壓力的穩(wěn)定性。以某支路流量控制為例,針閥喉道直徑為22 mm,以8 mm喉道直徑的文氏管流量計(jì)作為流量測(cè)量裝置,獲取流量調(diào)節(jié)過(guò)程中針閥入口壓力P1、針閥出口與臨界流文氏管入口壓力P2與流量值LFL的變化曲線(xiàn),如圖6所示。

圖6 流量控制單元參數(shù)變化

入口壓力P1設(shè)置為1 MPa,在流量變化過(guò)程中,針閥入口壓力P1保持在1 MPa附近,控制精度達(dá)到±0.3%,表明氣源旁路的調(diào)壓裝置能夠在流量變化時(shí)保持針閥入口壓力穩(wěn)定,當(dāng)針閥開(kāi)度固定,即位置固定時(shí),臨界流文氏管入口壓力P2保持穩(wěn)定,由臨界流狀態(tài)氣體質(zhì)量流量公式可知,管路流量保持穩(wěn)定,表明在氣流流動(dòng)過(guò)程中,針閥保持穩(wěn)定,軸向位置保持不變,可以輸出穩(wěn)定的流量。

在針閥入口壓力為1 MPa時(shí),開(kāi)度為0～100%的流量變化曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 流量隨開(kāi)度變化曲線(xiàn)

在第一拐點(diǎn)前,也就是0～4%開(kāi)度區(qū)間中,流量顯示為0,原因是此時(shí)流量計(jì)后端壓力P2與前端壓力之比不滿(mǎn)足臨界條件,流量計(jì)無(wú)法給出準(zhǔn)確流量。在第二拐點(diǎn)后,即在35%～100%開(kāi)度區(qū)間中,流量值不隨針閥開(kāi)度變化,原因是針閥吼道尺寸大于臨界流文氏管,在這一階段針閥喉道不滿(mǎn)足臨界狀態(tài),開(kāi)度變化對(duì)針閥后端壓力影響極小。在4%～35%開(kāi)度區(qū)間,流量隨針閥開(kāi)度線(xiàn)性變化,此時(shí)針閥喉道與臨界流文氏管都處于臨界狀態(tài),流量線(xiàn)性度較好。

為驗(yàn)證多路流量控制解耦,在一個(gè)支路穩(wěn)定控制流量的同時(shí),改變另一支路針閥位置,測(cè)試多路流量控制解耦能力。如圖8所示,在支路流量LFL1變化時(shí),流量控制單元入口壓力P1與LFL2保持穩(wěn)定,支路流量改變對(duì)其他支路流量控制影響較小。

圖8 多路解耦控制驗(yàn)證

3.2 針閥開(kāi)度標(biāo)定分析

針閥在設(shè)計(jì)時(shí)存在位置誤差,針閥位置誤差影響著流通面積,從而影響流量控制精度。為保證針閥流量控制的準(zhǔn)確性,采用標(biāo)準(zhǔn)文氏管流量裝置對(duì)針閥位置進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定方法如下。

① 在針閥后端安裝標(biāo)準(zhǔn)文氏管流量計(jì),實(shí)時(shí)獲取其測(cè)量流量值。

② 調(diào)節(jié)針閥入口壓力至穩(wěn)定值,實(shí)時(shí)獲取針閥入口/出口壓力與溫度值。

③ 在4%～30%開(kāi)度區(qū)間內(nèi)選取8個(gè)針閥開(kāi)度,分別為4%、6%、8%、10%、15%、20%、25%、30%,從理論位置3開(kāi)始,以固定速度調(diào)節(jié)針閥位置至設(shè)定開(kāi)度,每個(gè)位置停留20 s,完成最后一個(gè)位置數(shù)據(jù)測(cè)量后,重復(fù)進(jìn)行針閥位置調(diào)節(jié)。

④ 將標(biāo)準(zhǔn)文氏管流量計(jì)實(shí)際測(cè)量流量、針閥入口/出口壓力與溫度等參數(shù)代入式(1)即可獲得真實(shí)針閥實(shí)際開(kāi)度。

圖9為針閥計(jì)算流量LZFL與臨界流文氏管流量LFL隨理論開(kāi)度變化對(duì)比結(jié)果。由圖9可知,流量隨針閥開(kāi)度線(xiàn)性變化,兩者變化趨勢(shì)相同,符合設(shè)計(jì)預(yù)期。針閥計(jì)算流量略小于臨界流流量計(jì)測(cè)得流量,原因是針閥初始位置存在誤差,理論開(kāi)度小于真實(shí)開(kāi)度,通過(guò)開(kāi)度修正,即可提高針閥流量控制精度。

圖9 針閥計(jì)算流量與臨界文氏管流量對(duì)比

3.3 電作動(dòng)筒導(dǎo)程控制精度分析

電作動(dòng)筒導(dǎo)程精度影響針閥位置調(diào)節(jié)分辨率。為滿(mǎn)足流量控制精度需求,需對(duì)電作動(dòng)筒導(dǎo)程控制精度進(jìn)行設(shè)計(jì)。以入口最大壓力1.5 MPa為例,選取3個(gè)控制精度的導(dǎo)程,分別為0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm,計(jì)算不同位置流量控制精度。如圖10所示,0.02 mm與0.05 mm的導(dǎo)程控制精度能夠滿(mǎn)足0.3%的控制精度指標(biāo)要求,因此導(dǎo)程控制精度設(shè)計(jì)為0.05 mm可滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

圖10 不同導(dǎo)程控制精度分析

3.4 臨界流文氏管流量計(jì)測(cè)量精度分析

由式(1)可知,臨界流文氏管流量計(jì)測(cè)量精度受入口壓力、溫度、喉道面積、臨界流函數(shù)和流出系數(shù)等參數(shù)影響,因此傳感器的測(cè)量精度和加工誤差等都會(huì)對(duì)流量測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

由GB/T 21188—2007/ISO 9300:2005可知,臨界流函數(shù)與入口壓力與溫度有關(guān)。熱氣供氣為過(guò)濾干空氣,溫度在250～600 K范圍內(nèi),壓力在20 MPa以下時(shí),臨界流函數(shù)C*可由式(2)計(jì)算。

(2)

因此對(duì)于確定溫度與壓力的臨界流函數(shù)可以認(rèn)作常量,式(1)中的R與M也為常量。對(duì)式(1)誤差進(jìn)行分析,可得:

(3)

根據(jù)實(shí)際計(jì)量檢定情況,壓力傳感器測(cè)量精度為±0.05%,喉道面積精加工精度為±0.05%,溫度傳感器精度為±0.5 ℃,流出系數(shù)相對(duì)誤差為±0.2%。將上述數(shù)據(jù)代入式(3),可計(jì)算得出流量測(cè)量精度約為±0.3%。

3.5 流量控制系統(tǒng)雙路供氣試驗(yàn)應(yīng)用

系統(tǒng)建成后多次成功應(yīng)用于防除冰試驗(yàn),以某進(jìn)氣道部件雙路熱氣供氣防除冰試驗(yàn)為例,2個(gè)供氣支路目標(biāo)流量分別為35 g/s與40 g/s。兩個(gè)支路流量調(diào)節(jié)曲線(xiàn)如圖11所示。圖11中的LFL1、LFL,1-S、LFL2與LFL,2-S分別指通道1實(shí)際流量、通道1設(shè)置流量、通道2實(shí)際流量與通道2設(shè)置流量。流量控制單元前端氣動(dòng)球閥開(kāi)啟后,雙路熱氣流量在10 s左右即可穩(wěn)定在目標(biāo)值附近,兩個(gè)支路超調(diào)量均小于2.5%,通道1最大絕對(duì)誤差為0.21 g/s,最大相對(duì)誤差為0.6%,通道2最大絕對(duì)誤差為0.23 g/s,最大相對(duì)誤差為0.58%,精度滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

圖11 雙路流量調(diào)節(jié)曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文針對(duì)多路熱氣流量控制耦合問(wèn)題,提出了采用背壓閥對(duì)多路流量控制進(jìn)行解耦,設(shè)計(jì)了多路熱氣流量控制系統(tǒng),并應(yīng)用于結(jié)冰風(fēng)洞防除冰試驗(yàn),得到以下結(jié)論。

① 多路熱氣流量控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路流量精確控制,有效解決多路控制耦合問(wèn)題。

② 在滿(mǎn)足臨界流條件,保持入口壓力穩(wěn)定時(shí),流量隨針閥開(kāi)度呈線(xiàn)性變化,可通過(guò)針閥實(shí)時(shí)調(diào)整流量大小。

③ 分析了入口壓力、溫度、喉道面積、臨界流函數(shù)、流出系數(shù)等參數(shù)對(duì)流量測(cè)量精度的影響,臨界流文氏管流量計(jì)測(cè)量精度可達(dá)±0.3%。

④ 結(jié)冰風(fēng)洞雙路熱氣防除冰試驗(yàn)表明,多路熱氣流量控制系統(tǒng)應(yīng)用效果較好,流量調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快,控制精度高,穩(wěn)定后最大相對(duì)誤差均小于0.6%,為高精度多路熱氣防除冰試驗(yàn)提供了有力支撐。