大型暂冲式风洞调压阀设计与特性实验

    符号说明

    S———阀门套筒调节行程，mm    

    Smax———阀门套筒的最大调节行程，mm 

    ———阀门套筒的相对调节行程，＝S/Smax

    D———阀门前后管道直径，mm 

    Ft———阀门前后管道截面积，mm²

    ———阀门初始开启面积比，

    ———最大开启面积比，

    ———指数特性曲线与直线特性曲线过渡点 


   ———阀门环状缝隙面积与管道截面积之比


   ———节流时阀门环状缝隙面积与管道面积之比

    x———型面横坐标，mm

    y———型面纵坐标，mm

    p₀₂———阀后总压，Pa

    p₀₁———阀前总压，Pa

    ν———压力恢复系数，ν＝p₀₂/p₀₁

    λ2——————阀后管道速度系数

    Z（λ）———冲量函数

    K———比热比，空气k＝1.4

    G———气流流量，kg/s

    R———气体常数，J/（kg·K）

    V———气源容积，m³

    To———气体总温，K

    0 引言

    在下吹式跨超声速风洞中，压力调节阀用于控制稳定段内的气流压力，风洞运行过程中，随着气源压力的下降，通过控制系统调节控制调压阀的开度，以保证稳定段内气流压力稳定在某一运行压力值，维持风洞的正常运行。由于大型暂冲式风洞试验对其调压阀气动力要求的特殊性：（1）与调节机构有关的节流阻力应当均匀地变化，以保持相同阀芯位移引起相近的压力变化；（2）应具有很高的调节速度，以减小风洞的耗气量；（3）调压阀应具有较小的全开位置阻力，以提高气源的截止压力；（4）压力调节特性（能力）在理论上的可预知性，以确保对风洞调压能力的实现。因此，采用工业管道阀门难以满足要求。

    目前风洞中常用调压阀有以下几种类型：（1）窗孔型套筒阀，其优点是阀后气流对称性好，调节特性可适应风洞运行压力控制的要求，但存在压力调节范围窄、套筒移动过程阻力变化不均匀和全开位置阻力大等缺点；（2）锥形调压阀，它具有调节范围宽和操作惯性大的特点；（3）环状缝隙调压阀，其可在主要工作状态下获得线性或近似线性的调节特性，且具有阀后气流对称性好，调节范围宽，阀芯移动过程中阻力变化均匀及全开状态阻力小等优点。另外，相关的文献表明其调压特性的理论模型预测值与试验结果吻合良好。基于上述特点，国内外新建的暂冲式风洞多采用该类型的调压阀，比如我国最大的2.4m×2.4m引射式跨声速风洞主调压阀采用的就是环状缝隙调压阀，较好地满足了风洞调压性能需求，其结构简图见图1。

图1 环状缝隙调压阀结构简图

    介绍了我国某大型超声速风洞主调压阀的气动设计和相关调试结果。

    1 调压阀设计工况介绍

    该大型超声速风洞试验段尺寸为2m×2m，试验mａ数范围为1.5～4.0，采用全柔壁喷管实现马赫数的阶梯变化。同时需要实现降速压和增速压运行，风洞流量范围约（300～4000）kg/s，要适应如此宽广的运行压力和流量范围，上游调压阀的配置将是一个难点。

    同时，由于风洞采用中压气源供气，系统容积有限。假如气源总容积约1万立方米，储气最高压力约2MPa，运行最低截止压力约0.6MPa，则极限情况下风洞运行时间约为35s。因此为了满足风洞吹风时间的需求，要求阀门具有快速的压力调节能力以增长稳定运行时间，具有良好的压力调节精度满足对风洞总压控制精度的要求。

    2 设计思想和原则

    该控制阀的设计思想是：充分利用引导性试验研究成果和吸取以往大型暂冲式风洞控制阀设计建设中的成熟经验，降低技术风险。同时采用可靠的工程设计方法确保其压力调节特性满足风洞宽广运行范围和精度要求。

    设计原则：统筹风洞高马赫数和低马赫数压力调节需求，覆盖风洞全马赫数调节范围；统筹风洞性能和效率，确保高效、实用、经济。

    3 气动设计

    3.1 阀门配置方案确定

    该超声速风洞具有试验马赫数和压力运行范围宽的特点，采用单一的阀门配置进行压力调节时存在两个方面的问题：一是阀门调压特性曲线难以兼顾风洞所有的运转马赫数，对在非设计点下风洞的调压精度、运行时间均会造成不利影响；二是阀门口径大，依托国内工业基础进行制造困难。为解决该矛盾，采取了主阀与旁路阀并联组合调压的型式，气动轮廓见图2。旁路阀只有全开和全关两种状态，无调压型面曲线，在试验段马赫数较低、流量较大的状态下，通过开启旁路阀改善主调压阀的压力调节特性，满足风洞所有运转状态的压力调节。这种阀门配置方式通过了引导性试验的验证，确定是可行的。

图2 阀门配置方案

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    3.2 阀门管径D     

    根据气动总体性能设计参数、气源工作压力以及阀后气流速度的限制经验参数等因素综合确定主调压阀直径约2m，旁路阀直径约1.2m。风洞所有运行马赫数下的阀后管道内气流速度系数λ值限制在0.05～0.50范围内。

    3.3 阀芯最大行程

    阀芯最大行程Smax取值要合理，行程太大则驱动功率大，且轴向尺寸大，行程太小则控制过于灵敏而影响调节精度。根据风洞性能要求，国内外使用的环状缝隙调压阀调节行程多为（0.15～0.70）D。根据该风洞尺寸大的特点，为使调压系统延时效应与压力稳定性（缩短压力非稳定过程）之间得到合理的协调，主调压阀阀芯行程取值Smax＝0.325D，约650mm。

    3.4 阀门最大和最小开度

    阀门最大开度取值过大时，阀门调压过程会过于缓慢。过小的值，使气罐终止使用压力过高，特别不利于中压气罐贮气压力的充分利用。根据中压气源的气罐终止使用压力及流量特性，调压阀最大开度值约为60.4％。

    阀门最小开度的取值需确保阀后最低压力的实现。根据控制阀门的工作压力与流量调节范围，阀门最小开度取值范围为0.005～0.025，主调压阀门最小开度值约为2％。

    3.5 阀门型面特性曲线

    为保证压力调节的稳定性，阀门型面曲线常取为指数特性曲线。优点在于任何调节状态下，阀后压力相对变化量基本上是呈线性比例于阀门调节行程的相对位移量，有利于阀门控制系统设计与压力调节。该风洞主调压阀采用“修正指数特性”曲线作为调压型面的设计方程。型面前段采用指数特性方程，尾段采用直线过渡到最大开度，构成一条完整的阀门型面结构特性曲线。为了关闭紧密，阀门全闭至最小开度之间以直线连接，然后相切过渡到指数特性曲线，直到阀门调节行程的约70％，后段采用的直线与指数特性方程出口处相切到全行程。后两段曲线方程为：

    阀门型面曲线由下列几何特性方程组数值解求解得到，型面曲线坐标系见图3。

图3　阀门型面坐标系

    由上式计算得到的主调压阀几何特性曲线方程如下，相对开度随阀芯变化曲线见图4。

图4 阀门相对开度

    3.6 阀门调压特性预测

    阀门在节流过程为等焓假设条件下，可以导出以下方程组：

    （a）在＞时，即气流流过阀门的速度系数λ＜1时：    

    即λ＝1：

    （b），即λ＜1：

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    在旁路阀门开启情况下，上述计算公式中的阀门开度Ｆ珚表示主调压阀与旁路阀流通面积总和与阀门前后管道截面积之比。由上述阀门在节流与非节流状态下的方程即可得到阀门的调压特性曲线，具体的推算这里不再重复，下面给出预测结果。

    旁路阀关闭状态下的主调压阀调压性能预测曲线见图5。可以看出随着试验段马赫数的增加，阀后速度系数λ减小，调压性能曲线整体上移，相同阀芯相对位置下的阀后和阀前压比逐渐增大。在相同马赫数下，调压阀性能曲线的前段和尾段变化曲率较小，中间部分变化曲率较大，这是主要的压力调节区间。该区间调压敏感，阀芯运行稳定。

图5　阀门调压特性预测曲线（旁路阀关闭）

    另外，可以看出采用单阀时在低马赫数（Ma＝1.5）下的流通能力明显不足，阀门全开状态下的压比最大约为0.52，这会导致风洞运行时气源的截止压力偏高，气源供气能力难以充分发挥，难以满足风洞低马赫数和大流量下运行时对吹风时间的要求，这也是为什么需要配置旁路的直接原因。

    旁路阀开启状态下的调压性能预测曲线见图6。对比图5可以看出由于旁路阀开启大大增加了阀门的初始流通能力，在阀芯全部打开时，所有低马赫数下的压比均大于0.90，运行时气源的截止压力大大降低，低马赫数运行时，阀门调压能力大大增强。因此采用双阀并联调压可很好解决低马赫数下单阀调压能力不足的问题。

图6 阀门调压特性预测曲线（旁路阀开启）

    4 调试结果与分析

    风洞稳态运行时阀门前后总压实测结果如图7所示。可以看出阀门调压特性曲线实测结果与理论预测曲线吻合良好。阀芯的运动区域主要集中在最大位移的40％～70％，此区域阀门具有较高的调节灵敏度和较好的气流动态品质。因此，对于大口径的调压阀，上述理论设计方法完全可满足工程应用的需要。

图7 阀门调压特性理论与实测结果对比（旁路阀关闭）

    图8给出了低马赫数时旁路阀开启状态下调压特性曲线的理论与实测结果对比，可以看出实测结果较理论值略有偏低。分析原因可能是由于阀后压力滞后所致。因为该测试数据为旁路阀预先开启，主阀匀速打开时阀后的动态压力值。无旁路阀开启，其它马赫数下的阀门联合调压特性曲线，有待进一步的试验数据补充和验证。

图8 阀门调压特性理论与实测结果对比（旁路阀开启）

    5 基本结论

    环状缝隙调压阀型式可满足暂冲式风洞的压力调节能力需求。为了匹配宽广流量下的压力调节精度要求，可通过设置旁路阀，采取双阀并联调节的方式。同时对于大型的环状缝隙调压阀的调压特性曲线，理论预测与实际性能吻合良好。