符號說明

S———閥套調(diào)整行程，mm

Smax———閥套最大調(diào)節(jié)行程，mm

———閥套的相對調(diào)整行程=S/Smax

D———閥門前后管道直徑，mm

Ft———閥門前后管道截面積，mm²    

———閥門初始開啟面積比，

———最大開啟面積比，

———指數(shù)特征曲線和直線特征曲線的過渡點


   與管道截面積相比


   

x———型面橫坐標，mm

y———型面縱坐標，mm

p₀₂———閥后總壓，Pa

p₀₁———閥前總壓，Pa

ν———壓力恢復(fù)系數(shù)，ν＝p₀₂/p₀₁

λ2-閥后管道速度系數(shù)

Z（λ）———沖量函數(shù)

K———比熱比，空氣k＝1.4

G———氣流流量，kg/s

R———氣體常數(shù)，J/（kg·K）

V———氣源容積，m³

To———氣體總溫，K

0 引言

在下吹式跨超聲速風洞中，壓力調(diào)節(jié)閥用于控制穩(wěn)定段內(nèi)的氣流壓力，風洞運行過程中，隨著氣源壓力的下降，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制調(diào)壓閥的開度，以保證穩(wěn)定段內(nèi)氣流壓力穩(wěn)定在某一運行壓力值，維持風洞的正常運行。由于大型暫沖式風洞試驗對其調(diào)壓閥氣動力要求的特殊性：（1）與調(diào)節(jié)機構(gòu)有關(guān)的節(jié)流阻力應(yīng)當均勻地變化，以保持相同閥芯位移引起相近的壓力變化；（2）應(yīng)具有很高的調(diào)節(jié)速度，以減小風洞的耗氣量；（3）調(diào)壓閥應(yīng)具有較小的全開位置阻力，以提高氣源的截止壓力；（4）壓力調(diào)節(jié)特性（能力）在理論上的可預(yù)知性，以確保對風洞調(diào)壓能力的實現(xiàn)。因此，采用工業(yè)管道閥門難以滿足要求。

目前，風洞中常用的壓力調(diào)節(jié)閥有以下類型：（1）窗孔套筒閥，其優(yōu)點是閥后氣流對稱性好，調(diào)節(jié)特性可滿足風洞運行壓力控制的要求，但存在壓力調(diào)節(jié)范圍窄、套筒移動過程阻力變化不均勻、全開位置阻力大等缺點；（2）錐形壓力調(diào)節(jié)閥具有調(diào)節(jié)范圍寬、操作慣性大的特點；（3）環(huán)形間隙壓力調(diào)節(jié)閥可在主要工作狀態(tài)下獲得線性或近似線性調(diào)節(jié)特性，具有閥后氣流對稱性好、調(diào)節(jié)范圍寬、閥芯移動過程中阻力變化均勻、全開狀態(tài)阻力小等優(yōu)點。此外，相關(guān)文獻表明，其壓力調(diào)節(jié)特性的理論模型預(yù)測值與試驗結(jié)果一致。根據(jù)上述特點，國內(nèi)外新建的壓力調(diào)節(jié)閥主要采用這類壓力調(diào)節(jié)閥，如中國最大的2.4m×2.4m引射式跨聲速風洞主調(diào)壓閥采用環(huán)形縫隙調(diào)壓閥，更好地滿足風洞調(diào)壓性能要求，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1

介紹了我國大型超聲風洞主調(diào)壓閥的氣動設(shè)計及相關(guān)調(diào)試結(jié)果。

1 調(diào)壓閥設(shè)計介紹

大型超聲速風洞試驗段尺寸為2m×2m，試驗mａ數(shù)范圍為1.5～4.0.采用全柔壁噴管實現(xiàn)馬赫數(shù)的階梯變化。同時需要實現(xiàn)降速壓和增速壓運行，風洞流量范圍約(300~4000)kg/s，上游調(diào)壓閥的配置將很難適應(yīng)如此廣泛的運行壓力和流量范圍。

同時，由于風洞采用中壓氣源供氣，系統(tǒng)容積有限。如果氣源總?cè)莘e約1萬立方米，儲氣壓力約2MPa，最低截止壓力約為000.6MPa，在極限條件下，風洞的運行時間約為35s。因此，為了滿足風洞吹風時間的需要，閥門需要快速的壓力調(diào)節(jié)能力來增加穩(wěn)定的運行時間，良好的壓力調(diào)節(jié)精度滿足風洞總壓控制精度的要求。

二 設(shè)計思路和原則

控制閥的設(shè)計理念是充分利用指導(dǎo)試驗的研究成果，吸收以往大型臨時沖孔控制閥設(shè)計和施工的成熟經(jīng)驗，降低技術(shù)風險。同時，采用可靠的工程設(shè)計方法，確保其壓力調(diào)節(jié)特性滿足風洞的廣泛運行范圍和精度要求。

設(shè)計原則：統(tǒng)籌風洞高馬赫數(shù)和低馬赫數(shù)壓力調(diào)節(jié)需求，覆蓋風洞全馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍；統(tǒng)籌風洞性能和效率，確保高效、實用、經(jīng)濟。

3 氣動設(shè)計

3.1 閥門配置方案確定

超聲速風洞具有試驗馬赫數(shù)和壓力運行范圍廣的特點。采用單閥配置進行壓力調(diào)節(jié)時存在兩個問題：一是閥門壓力調(diào)節(jié)特性曲線難以考慮風洞的所有運行馬赫數(shù)，對非設(shè)計點下風洞的壓力調(diào)節(jié)精度和運行時間產(chǎn)生不利影響；二是閥門直徑大，難以依靠國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)制造。為解決這一矛盾，采用主閥與旁路閥并聯(lián)調(diào)壓的方式。氣動輪廓見圖2。旁路閥只有兩種狀態(tài)：全開和全關(guān)。無壓力調(diào)節(jié)表面曲線。在試驗段馬赫數(shù)低、流量大的情況下，打開旁路閥，提高主壓力調(diào)節(jié)特性，滿足風洞所有運行狀態(tài)的壓力調(diào)節(jié)。該閥門配置方法已通過指導(dǎo)試驗的驗證確定為可行。

圖2 閥門配置方案

♂

3.2 閥門管徑D    

根據(jù)氣動總體性能設(shè)計參數(shù)、氣源工作壓力以及閥后氣流速度的限制經(jīng)驗參數(shù)等因素綜合確定主調(diào)壓閥直徑約2m，旁路閥直徑約1.2m。所有運行馬赫數(shù)下閥后管道內(nèi)的氣流速度系數(shù)λ值限制在0.05～0.50范圍內(nèi)。

3.3 閥芯最大行程

閥芯最大行程Smax值應(yīng)合理。如果行程，驅(qū)動功率大，軸向尺寸大，行程過小，控制過敏，影響調(diào)靈敏，影響調(diào)節(jié)精度。根據(jù)風洞性能要求，國內(nèi)外使用的環(huán)縫調(diào)壓閥調(diào)節(jié)行程多為(0.15～0.70）D。根據(jù)風洞尺寸大的特點，為了合理協(xié)調(diào)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延遲效應(yīng)和壓力穩(wěn)定性（縮短壓力不穩(wěn)定過程），主調(diào)節(jié)閥芯的行程值Smax＝0.325D，約650mm。

3.4 閥門最大和最小開度

當閥門最大開度值過大時，閥門壓力調(diào)節(jié)過程會過慢。過小的值使氣罐終止壓力過高，特別不利于中壓氣罐儲氣壓力的充分利用。根據(jù)中壓氣源氣罐的終止壓力和流量特性，調(diào)壓閥的最大開度值約為60.4％。

閥門最小開度的值應(yīng)確保閥后最低壓力的實現(xiàn)。閥門最小開度值為0.005～0.025主調(diào)壓閥最小開度值約為2%。

3.5 閥門特性曲線

為了保證壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，閥門表面曲線通常被選為指數(shù)特征曲線。其優(yōu)點是，在任何調(diào)節(jié)狀態(tài)下，閥后壓力的相對變化基本上是線性比例與閥門調(diào)節(jié)行程的相對位移，有利于閥門控制系統(tǒng)的設(shè)計和壓力調(diào)節(jié)。風洞主調(diào)節(jié)閥采用修正指數(shù)特征曲線作為調(diào)節(jié)表面的設(shè)計方程。前段采用指數(shù)特征方程，后段采用直線過渡到最大開度，形成完整的閥門表面結(jié)構(gòu)特征曲線。為了緊密關(guān)閉，閥門完全關(guān)閉到最小開度之間，然后相切過渡到指數(shù)特征曲線，直到約70%的閥門調(diào)節(jié)行程，直線和指數(shù)特征方程出口到整個行程。后兩個曲線方程為：

閥面曲線由以下幾何特性方程組數(shù)值解解得到，型面曲線坐標系見圖3。

圖3　閥門型面坐標系

主調(diào)壓閥的幾何特性曲線方程如下，相對開度隨閥芯變化曲線見圖4。

圖4 閥門的相對開度

3.6 閥門調(diào)壓特性預(yù)測

如果閥門在節(jié)流過程中等焓假設(shè)，可以導(dǎo)出以下方程組：

（a）>時，即氣流過閥門的速度系數(shù)λ＜1時：

即λ＝1：

（b），即λ＜1：

♂

當旁路閥打開時，上述計算公式中的主調(diào)壓閥與閥門前后管道截面積之比。閥門的調(diào)壓特性曲線可通過上述閥門在節(jié)流和非節(jié)流狀態(tài)下的方程獲得。具體計算不再重復(fù)，以下是預(yù)測結(jié)果。

旁路閥關(guān)閉時主調(diào)壓閥調(diào)壓性能預(yù)測曲線見圖5。可見，隨著試驗段馬赫數(shù)的增加，閥后速度系數(shù)λ減小，壓力調(diào)節(jié)性能曲線整體向上移動，相同閥芯相對位置下的閥后和閥前壓比逐漸增加。在相同的馬赫數(shù)下，壓力調(diào)節(jié)閥性能曲線的前后變化曲率較小，中間變化曲率較大，是主要的壓力調(diào)節(jié)范圍。該范圍壓力調(diào)節(jié)敏感，閥芯運行穩(wěn)定。

圖5　閥門調(diào)壓特性預(yù)測曲線（旁路閥關(guān)閉）

另外，使用單閥時可以看到低馬赫數(shù)（Ma＝1.5)下流通能力明顯不足，閥門全開時壓比最大約為0.52.這將導(dǎo)致風洞運行時氣源截止壓力高，氣源供氣能力難以充分發(fā)揮，難以滿足風洞低馬赫數(shù)和大流量運行時吹風時間的要求，這也是配置旁路的直接原因。

旁路閥打開狀態(tài)下的壓力調(diào)節(jié)性能預(yù)測曲線見圖6。對比圖5顯示，由于旁路閥打開，閥門的初始循環(huán)能力大大提高。當閥芯全部打開時，所有低馬赫的壓力比大于0.90.運行時氣源截止壓力大大降低，低馬赫數(shù)運行時閥門調(diào)壓能力大大提高。因此，雙閥并聯(lián)調(diào)壓可以解決低馬赫數(shù)單閥調(diào)壓能力不足的問題。

圖6 閥門調(diào)壓特性預(yù)測曲線(旁路閥打開)

4 調(diào)試結(jié)果及分析

閥門前后總壓試驗結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，閥門調(diào)壓特性曲線試驗結(jié)果與理論預(yù)測曲線一致。閥芯的運動區(qū)主要集中在最大位移的40%~70%，調(diào)節(jié)靈敏度高，氣流動態(tài)質(zhì)量好。因此，上述理論設(shè)計方法可以完全滿足工程應(yīng)用的需要。

圖7 閥門調(diào)壓特性理論與實測結(jié)果對比(旁路閥關(guān)閉)

圖8顯示了低馬赫數(shù)時旁路閥開啟狀態(tài)下壓力調(diào)節(jié)特性曲線的理論與測量結(jié)果的比較?？梢钥闯?，測量結(jié)果略低于理論值。分析的原因可能是由閥后壓力滯后引起的。由于測試數(shù)據(jù)是旁路閥提前打開，當主閥以均勻速度打開時，閥后的動態(tài)壓力值。無旁路閥打開，其他馬赫數(shù)下的閥門需要進一步的測試數(shù)據(jù)補充和驗證。

圖8 閥門調(diào)壓特性理論與實測結(jié)果(旁路閥打開)對比

5 基本結(jié)論

環(huán)形間隙壓力調(diào)節(jié)閥的類型可滿足臨時沖孔壓力調(diào)節(jié)能力的要求。為了滿足寬流量下壓力調(diào)節(jié)精度的要求，可以設(shè)置旁路閥并聯(lián)調(diào)節(jié)雙閥。同時，對于大型環(huán)形間隙壓力調(diào)節(jié)閥的壓力調(diào)節(jié)特性曲線，理論預(yù)測與實際性能一致。