環(huán)形通道排氣流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)研究

武俊虎，薛洪科，楊曉光，李云輝，劉哲，黃琨

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

動力源試驗(yàn)器可以模擬真實(shí)試驗(yàn)件的工作環(huán)境，可以方便、靈活、精確地獲取真實(shí)的動力源試驗(yàn)器的全轉(zhuǎn)速范圍的工作狀態(tài)和氣動性能數(shù)據(jù)，高效地解決輪盤試驗(yàn)件氣動匹配問題，研究試驗(yàn)件高低壓匹配和氣動穩(wěn)定技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)芰?，為反映試?yàn)件的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，要求排氣系統(tǒng)環(huán)形通道的流量調(diào)節(jié)裝置盡可能接近試驗(yàn)件的出口，而試驗(yàn)件出口流道是以試驗(yàn)件旋轉(zhuǎn)軸線為中心的類似雙層喇叭口的環(huán)形通道，在試驗(yàn)時(shí)壓縮空氣介質(zhì)溫度較高，又帶有一定的壓力，在試驗(yàn)件出口端通過設(shè)計(jì)研究一種新型的流量調(diào)節(jié)裝置，改變壓縮空氣的流通面積，調(diào)節(jié)試驗(yàn)件在工作范圍內(nèi)特定轉(zhuǎn)速下的工作狀態(tài)，將顯著縮短動力源的研制周期。本文主要設(shè)計(jì)研究一種新型試驗(yàn)排氣流量調(diào)節(jié)裝置，需具備承受排氣壓力高、泄漏量很小、調(diào)節(jié)特性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 工況要求及方案對比初步分析

動力源試驗(yàn)器主要用于驗(yàn)證輪盤試驗(yàn)件部件的性能和穩(wěn)定性，其排氣壓力一般不大于3.0 MPa；排氣溫度一般不高于700 ℃。為反映試驗(yàn)件的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，要求排氣系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)裝置盡可能接近試驗(yàn)件的出口，而試驗(yàn)件出口流道是以高速旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)件旋轉(zhuǎn)軸線為中心的類似雙層喇叭口的環(huán)形排氣通道，所以此處流量調(diào)節(jié)裝置通常為環(huán)形結(jié)構(gòu)，常見的結(jié)構(gòu)有“蝶板式流量調(diào)節(jié)裝置”、“旋轉(zhuǎn)盤式流量調(diào)節(jié)裝置”等形式。

“蝶板式流量調(diào)節(jié)裝置”調(diào)節(jié)方式是由壓縮空氣通道內(nèi)周向均布的圓環(huán)形蝶板，沿各自軸線轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)裝置開閉調(diào)節(jié)。蝶板式流量調(diào)節(jié)裝置及傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。蝶板式閥板局部示意圖如圖2所示。由于排氣溫度較高，原形蝶板和閥體之間需使用硬密封材料，不能采用軟密封作為密封材料，因此蝶板同基體之間的間隙相對比較大，造成壓縮空氣的氣流量泄漏較大，形成不了高壓工況狀態(tài)，一般多適用于低壓試驗(yàn)工況的場合，另外由于蝶板式流量調(diào)節(jié)排氣閥，其調(diào)節(jié)特性為等百分比調(diào)節(jié)特性，非線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度比較低，不利于輪盤試驗(yàn)件流量特性的調(diào)節(jié)。蝶板式閥板流量特性示意圖如圖3所示。

圖1 蝶板式流量調(diào)節(jié)裝置及傳動結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 蝶板式閥板局部示意圖

圖3 蝶板式閥板流量特性示意圖

“旋轉(zhuǎn)盤式流量調(diào)節(jié)裝置”調(diào)節(jié)方式是通過旋轉(zhuǎn)動盤和固定不動的靜盤相互剪切轉(zhuǎn)動，通過靜盤的輻射狀特殊開孔設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動時(shí)動盤逐漸改變壓縮空氣的流通面積，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)件排氣流量的調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)盤式流量調(diào)節(jié)裝置示意圖如圖4所示。由于固定靜盤和旋轉(zhuǎn)動盤的間隙較小，調(diào)整相對容易，所以該種形式的流量調(diào)整裝置密封性較好，但是在高壓的工況狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)動盤因尺寸規(guī)格較大，必然受到的氣動壓力較大，而且高溫工作時(shí)熱變形也較大，很容易發(fā)生動盤和靜盤卡滯甚至出現(xiàn)卡死的情況現(xiàn)象，造成流量調(diào)節(jié)裝置不能正常工作。當(dāng)試驗(yàn)件出現(xiàn)喘振現(xiàn)象且急需要流量調(diào)節(jié)裝置快速打開時(shí)，而發(fā)生動盤和靜盤卡死現(xiàn)象是非常危險(xiǎn)的，必然造成嚴(yán)重事故。另外，旋轉(zhuǎn)盤式流量調(diào)節(jié)裝置方式所占據(jù)的軸向長度也相對較長，不便于縮短傳動軸系的軸向長度，增加了傳動軸系設(shè)計(jì)難度。

圖4 旋轉(zhuǎn)盤式流量調(diào)節(jié)裝置示意圖

因此通過對比分析可知，以上兩種流量調(diào)節(jié)裝置方式不太適合全臺輪盤試驗(yàn)件特性試驗(yàn)工作，需要設(shè)計(jì)一種新型輪盤試驗(yàn)件性能試驗(yàn)流量調(diào)節(jié)裝置，克服以上所述的技術(shù)缺陷，并且需具有可承受排氣壓力高、泄漏量小、高溫工況下變形小、不能發(fā)生卡滯、調(diào)節(jié)特性好等特點(diǎn)，適合在高排氣溫度和壓力下工作。

2 排氣流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)研究

在輪盤試驗(yàn)件的特性試驗(yàn)中，影響喘振邊界的兩個(gè)主要因素為：輪盤試驗(yàn)件后的排氣節(jié)流容積腔和逼喘速度。排氣容積腔大，參與喘振的氣流較多、能量較大，很容易提前誘發(fā)試驗(yàn)件喘振；另外逼喘速度快，則對喘振前的高能氣流的擾動較大，輪盤試驗(yàn)件也很容易提前發(fā)生喘振。輪盤試驗(yàn)件試驗(yàn)器中排氣節(jié)流容積腔的大小取決于排氣流量調(diào)節(jié)排氣閥門的位置。只有在較小試驗(yàn)件排氣容積腔的情況下，才能真實(shí)再現(xiàn)輪盤試驗(yàn)件機(jī)的喘振特性，所以將排氣流量調(diào)節(jié)排氣閥門設(shè)置在輪盤試驗(yàn)件后的排氣道上，才能減小排氣容積腔，以保證真實(shí)模擬實(shí)際輪盤試驗(yàn)件的包容體積。通過對試驗(yàn)工況分析，輪盤試驗(yàn)件試驗(yàn)時(shí)排氣壓縮空氣介質(zhì)溫度較高，又帶有較高的氣體壓力，結(jié)合類似雙層喇叭口的環(huán)形試驗(yàn)件出口流道分析，研究設(shè)計(jì)一種新型的流量調(diào)節(jié)裝置，閥芯采用圓柱形中間設(shè)置長方形孔的方式，閥芯沿圓周均布[1-2]，使用液壓伺服作動筒進(jìn)行驅(qū)動控制[3]，確保流量調(diào)節(jié)排氣閥芯響應(yīng)的速度和響應(yīng)的時(shí)間。 流量調(diào)節(jié)裝置及傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，流量調(diào)節(jié)排氣閥芯剖視圖如圖6所示。本流量調(diào)節(jié)排氣閥布置形式可以節(jié)省試驗(yàn)器軸系的軸向空間，便于縮小輪盤動力源整個(gè)試驗(yàn)器主體軸系的軸向空間長度，大大降低了試驗(yàn)器軸系設(shè)計(jì)難度；每組可以交替小幅的關(guān)閉，在保證輪盤試驗(yàn)件排氣均勻性的前提下，可減小圓柱形閥芯的調(diào)節(jié)步長，達(dá)到排氣節(jié)流面積的微調(diào)效果。

圖5 流量調(diào)節(jié)裝置及傳動結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 流量調(diào)節(jié)排氣閥芯剖視圖

流量調(diào)節(jié)裝置主要由液壓作動筒、滑動板、滑動軌道、限位塊、連桿、流量調(diào)節(jié)排氣閥芯、刻度盤等組成[4]。流量調(diào)節(jié)排氣閥芯沿圓周成環(huán)形陣列布置，根據(jù)調(diào)節(jié)的試驗(yàn)件試驗(yàn)產(chǎn)生的高溫氣體流量以及結(jié)構(gòu)總體要求等，進(jìn)行閥芯的開孔設(shè)計(jì)及整體的布局設(shè)計(jì)，考慮到調(diào)節(jié)的靈活性，對流量調(diào)節(jié)排氣閥芯可進(jìn)行分組控制也可進(jìn)行整體聯(lián)合控制。整圈流量調(diào)節(jié)排氣閥芯一般設(shè)計(jì)為2～6組?，F(xiàn)以1組為例進(jìn)行說明。

液壓作動筒尾端固定在排氣道上，伸縮端與固定在滑動板上安裝座連接，液壓作動筒兩端均采用鉸鏈連接形式，連接處內(nèi)置關(guān)節(jié)軸承。進(jìn)行液壓作動筒選型設(shè)計(jì)時(shí)需考慮每組驅(qū)動的流量調(diào)節(jié)排氣閥的數(shù)量，根據(jù)試驗(yàn)件試驗(yàn)工況所要求的壓力、流量等計(jì)算出驅(qū)動閥芯的力矩，再根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳動計(jì)算出所有閥芯的總驅(qū)動力，根據(jù)計(jì)算出的總驅(qū)動力、一定的安全系數(shù)、圓柱形閥芯的轉(zhuǎn)動角度范圍等，進(jìn)行液壓驅(qū)動作動筒的選型。液壓作動筒選型主要結(jié)構(gòu)部件及參數(shù)是活塞直徑、活塞桿直徑及額定工作壓力、額定工作行程，還需約定好液壓作動筒的位置傳感器供電電壓、電流模擬輸出量等。液壓作動筒示意圖如圖7所示。

圖7 液壓作動筒示意圖

滑動軌道為整體環(huán)形不銹鋼加工件，用螺栓固定在排氣道上。滑動軌道通過導(dǎo)軌調(diào)整墊圈同排氣道連接在一起?；瑒訉?dǎo)軌示意圖如圖8所示。

圖8 滑動導(dǎo)軌示意圖

滑動板通過輪軸、螺栓、滾動軸承等與滑動軌道結(jié)合在一起，并由液壓缸驅(qū)動沿圓形軌道自由滑動，帶動圓柱形閥芯進(jìn)行開關(guān)，滑動板旋轉(zhuǎn)角度范圍應(yīng)對應(yīng)圓柱形閥芯從完全打開（100%）狀態(tài)至完全關(guān)閉狀態(tài)（0%），輪軸同流量調(diào)節(jié)排氣閥芯要一一對應(yīng)?；瑒影迨疽鈭D如圖9所示。

圖9 滑動板示意圖

限位塊安裝在滑動軌道上，當(dāng)滑動板超出工作行程時(shí)，滑動板與限位擋塊接觸，對滑動板進(jìn)行行程機(jī)械限制，保證了試驗(yàn)件試驗(yàn)控制的安全性。每個(gè)流量調(diào)節(jié)排氣閥芯通過兩個(gè)連桿與滑動板連接，連桿示意圖如圖10所示。連接處均采用鉸鏈連接形式，內(nèi)置關(guān)節(jié)軸承。兩個(gè)連桿同流量調(diào)節(jié)排氣閥芯要一一對應(yīng)。

圖10 連桿示意圖

流量調(diào)節(jié)排氣閥芯安裝在排氣道的閥座腔內(nèi)，它由閥體、小螺母、密封墊圈、墊片、大螺母，耐高溫深溝球軸承[4]和薄螺母等組成，為了精準(zhǔn)調(diào)節(jié)高溫壓縮空氣流量，流量調(diào)節(jié)排氣閥芯開孔大小按照實(shí)際調(diào)節(jié)流量進(jìn)行設(shè)計(jì)。流量調(diào)節(jié)排氣閥芯設(shè)計(jì)時(shí)需考慮從完全打開（100%）狀態(tài)到完全關(guān)閉（0%）狀態(tài)，圓柱形閥芯的轉(zhuǎn)動角度范圍，為了保證圓柱形閥芯在工作過程中的密封效果，圓柱形閥芯在到達(dá)關(guān)閉狀態(tài)（0%）后需要考慮繼續(xù)多轉(zhuǎn)動一定的角度。

工作時(shí)，液壓作動筒驅(qū)動滑動板在滑動軌道內(nèi)滑動，再通過連桿的擺動帶動流量調(diào)節(jié)排氣閥芯作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而起到調(diào)節(jié)輪盤試驗(yàn)件的高溫排氣流量，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)器工作范圍內(nèi)特定轉(zhuǎn)速下的工作狀態(tài)。刻度盤則有助于判斷流量調(diào)節(jié)排氣閥閥位。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)精確計(jì)算出液壓作動筒行程與流量調(diào)節(jié)排氣閥總開度，以及液壓作動筒行程與流量調(diào)節(jié)排氣閥總流通面積之間的參數(shù)關(guān)系，主要為輪盤試驗(yàn)器后續(xù)流量調(diào)節(jié)特性提供必要的技術(shù)支持。以設(shè)計(jì)完的輪盤試驗(yàn)器為例，液壓作動筒行程與流量調(diào)節(jié)排氣閥總開度曲線如圖11所示。

圖11 液壓作動筒行程與流量調(diào)節(jié)排氣閥開度曲線圖

根據(jù)圖11中數(shù)據(jù)，由Minitab軟件擬合出液壓作動筒行程與流量調(diào)節(jié)排氣閥總開度關(guān)系如下：

式中：X為液壓作動筒行程，mm；K為流量調(diào)節(jié)排氣閥總開度，%。

由Minitab軟件擬合出液壓作動筒行程與流量調(diào)節(jié)排氣閥總流通面積關(guān)系如下：

式中：X為液壓作動筒行程，mm；A為流量調(diào)節(jié)排氣閥總流通面積，mm2。

由圖11中可看出，采用本流量調(diào)節(jié)裝置特性好，流量調(diào)節(jié)排氣閥開度和推桿的行程近似成線性比例。調(diào)節(jié)規(guī)律與輪盤試驗(yàn)器工作范圍內(nèi)特定轉(zhuǎn)速下的工作狀態(tài)和試驗(yàn)性能特性正好相匹配，滿足輪盤試驗(yàn)使用要求。

由于流量調(diào)節(jié)裝置有液壓作動筒、旋轉(zhuǎn)部件、緊急響應(yīng)電磁閥等，而且是分組驅(qū)動的，要求各組液壓作動筒同步性要好，為了能順利進(jìn)行輪盤試驗(yàn)件性能特性試驗(yàn)，在調(diào)試前需首先進(jìn)行液壓系統(tǒng)調(diào)試檢驗(yàn)。作動筒液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液壓油需經(jīng)過反復(fù)循環(huán)過濾，防止雜質(zhì)堵塞液壓伺服閥，油品顆粒度一般需達(dá)到7級以上，才具備調(diào)試的條件。首先需對流量調(diào)節(jié)排氣閥進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試。流量調(diào)節(jié)排氣閥門液壓站的控制采用本地和遠(yuǎn)程兩種方式，本地控制箱安裝在液壓間，分別對液壓站進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程調(diào)試檢查。先將流量調(diào)節(jié)排氣閥液壓系統(tǒng)供油壓力設(shè)定為所要求的壓力，在該液壓驅(qū)動壓力下，檢查各油泵、電磁閥門等是否動作正常，檢查本地和遠(yuǎn)程控制是否有效互鎖，即在“本地”位時(shí)，只能在操作箱啟動和停止各個(gè)油泵，在上位機(jī)不能啟動和停止各個(gè)油泵，在“遠(yuǎn)程”位時(shí)，只能在上位機(jī)啟動和停止各個(gè)油泵，在操作箱不能啟動和停止各個(gè)油泵。分別檢查流量調(diào)節(jié)排氣閥門液壓站各個(gè)油泵啟動正常后，查看流量調(diào)節(jié)排氣閥門液壓站的各個(gè)反饋信號能否在上位機(jī)上正確顯示，模擬油站故障信號和報(bào)警信號，查看上位機(jī)能否正確顯示油站故障信號和報(bào)警信號，將采集到的流量調(diào)節(jié)排氣閥門液壓站壓力、溫度、流量等模擬量信號工程化顯示在上位機(jī)上，查看顯示的數(shù)值是否正確。流量調(diào)節(jié)排氣閥門液壓站的油箱如果配有電加熱器，需采用單變量控制回路，具有溫度自動調(diào)節(jié)功能。在上位機(jī)設(shè)定好油箱滑油溫度，啟動循環(huán)泵和電加熱器開始加熱，系統(tǒng)自動控制加熱器和冷卻水閥，查看流量調(diào)節(jié)排氣閥門液壓站的油溫是否能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度范圍以內(nèi)。分別在操作臺上按下緊急響應(yīng)按鈕、在上位機(jī)點(diǎn)動流量調(diào)節(jié)排氣應(yīng)急響應(yīng)閥，查看應(yīng)急響應(yīng)閥門是否開啟。流量調(diào)節(jié)排氣閥開關(guān)動作自如，應(yīng)無卡滯現(xiàn)象，流量調(diào)節(jié)排氣閥開關(guān)行程為0%～99%。應(yīng)急響應(yīng)時(shí)流量調(diào)節(jié)排氣閥門全開/全關(guān)時(shí)間應(yīng)不大于2 s。調(diào)試過程中主要對流量調(diào)節(jié)排氣閥常規(guī)調(diào)節(jié)功能、應(yīng)急響應(yīng)開/關(guān)轉(zhuǎn)換功能、試驗(yàn)過程可操作性檢驗(yàn)及應(yīng)急邏輯、應(yīng)急響應(yīng)等功能進(jìn)行檢查。其次需經(jīng)過帶載試驗(yàn)驗(yàn)證和多次結(jié)構(gòu)、控制邏輯上的完善，保證流量調(diào)節(jié)排氣閥門調(diào)節(jié)安全、有效；流量調(diào)節(jié)排氣閥門應(yīng)急響應(yīng)邏輯正確，動作迅速、準(zhǔn)確。在調(diào)試過程中液壓作動筒若發(fā)生卡滯現(xiàn)象，如在全開或全關(guān)極限位置卡滯，可能原因是液壓管路內(nèi)有污物，需要反復(fù)清洗液壓伺服閥和油管路；需要在伺服閥門前端安裝過濾器；液壓作動筒全開、全關(guān)位置調(diào)整限位擋塊位置，將其行程限制在節(jié)氣門工作范圍內(nèi)，避免聯(lián)動機(jī)構(gòu)受損。

3 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)研究一種新型流量調(diào)節(jié)排氣閥結(jié)構(gòu)，可承受輪盤試驗(yàn)件排氣的高溫、高壓，且流量調(diào)節(jié)排氣閥門承受的徑向力分散到每個(gè)小閥組的滾動軸承上，單個(gè)軸承承受的徑向力很小，增加了流量調(diào)節(jié)排氣閥門的工作可靠性，適合在高排氣溫度和高壓力下工作。本流量調(diào)節(jié)排氣閥布置形式還可以節(jié)省軸向空間，便于縮短整個(gè)軸系的軸向長度，降低軸系設(shè)計(jì)難度；每組閥門交替小幅關(guān)閉，在保證排氣均勻性的前提下，可減小閥門調(diào)節(jié)的步長，達(dá)到排氣節(jié)流面積微調(diào)的效果。該試驗(yàn)件試驗(yàn)排氣流量調(diào)節(jié)裝置具備承受排氣壓力高、泄漏量小、無卡滯、調(diào)節(jié)特性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可供管道節(jié)流設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員借鑒參考，設(shè)計(jì)出可靠性高的產(chǎn)品。