FL-3风洞喷流试验高精度数字阀的设计与实现

季 军,邓祥东,白玉平,宋孝宇,李 勇

(1.中国航空工业空气动力研究院,沈阳 100034; 2.高速高雷诺数气动力航空科技重点实验室,沈阳 100034)

0 引 言

以喷气发动机为动力的飞行器，其高速喷流对飞行器纵向气动特性、舵面效率、铰链力矩以及操控性和稳定性均有一定影响。为了确定喷流对绕飞行器外部流动的干扰，充分利用有利干扰，合理布局飞行器有关部件，减少飞行器阻力，提高飞行器的操纵和稳定性品质，飞行器均需进行专门的喷流风洞试验。

FL-3风洞喷流试验过程与TPS试验类似，其中一个很重要的部分是要求高精度的喷管推力测量能力，而要达到通常0.2％～0.3％的推力测量精度，首先需要具备喷流气体流量达1～2g/s、相对精度约0.1％～0.2％的控制精度[1-4]。因此流量的精确控制是喷流、TPS试验最为基础和关键的环节。

目前国产最好的模拟调节阀流量控制精度仅为0.5％，进口阀门精度虽然满足0.1％的指标要求[5]，但由于喷流试验一次吹风过程流量和压力调节跨度大、调压阀工作点选定困难等原因，导致进口阀门的实际使用效果难以保证。同时普通调节阀存在行程较短、阀门动作具有一定的非线性、压力调节滞后严重、管路间相互干扰等问题，因此选择传统的调节阀作为喷流试验流量和压力控制阀门存在一定的技术风险。

数字阀技术是解决以上技术风险的方法之一，本文尝试采用数字阀技术实现FL-3风洞喷流试验高压气体流量、压力的高精度控制。

1 数字阀的设计指标和技术难点

FL-3风洞数字阀系统设计主要技术指标为：(1) 最高承压10.0MPa；(2) 实现线性和阶梯变流量两种工况；(3) 阀前压力为3.5MPa时流量控制范围为5～5000g/s，绝对控制精度为±5g/s，相对控制精度优于0.1％FS；(4) 压力控制范围：0.1～3.5MPa；(5) 稳定控制响应时间小于30s。

数字阀的技术难点主要体现在以下几个方面：

(1) 数字阀要求的流量调节精度高、范围大、响应快难以实现。数字阀要求流量控制精度达±5g/s，相对精度0.1％FS，同时要求流量调节范围大、稳定时间短，如何快速实现流量高精度调节是一个主要技术难点。

(2) 流量调节控制策略设计难。数字阀理论上以二进制最小步进连续调节，但由于喷管的实际加工精度与理论设计可能存在较大差异，很可能导致同一工作条件下，流量值分布不连续或出现振荡。

2 数字阀的总体方案

本研究的数字阀由并联、面积按二进制规则排列的11位喷管组成，图1为其中1位的装配示意图。气流依次经过电磁阀、高压软管和喷管后流出，系统通过开关不同位的电磁阀来控制每位管路的通断以达到组合出不同流量的目的，同时起到压力的精确控制。

图1 数字阀系统分路示意图

为提高系统的防腐性和避免杂质对系统的危害，数字阀管路均采用不锈钢材质。考虑到方便拆卸、维修及经济性，电磁阀采用螺纹连接，同时为避免管路焊接变形对电磁阀的影响，管路中段采用高压软管连接。

3 数字阀设计的关键技术

3.1数字阀的控制阀门

用于控制数字阀通断的阀门是数字阀系统设计成功与否的关键之一，阀门需要在切换过程中不产生冲击和滞后，不同通路阀门的开关时间还需要尽量保持一致，阀门切换时间越短越好。而传统的快速开关阀门通常开关时间都在0.5s以上，且高压作用下的冲击与滞后问题不易解决，难以满足高精度数字阀设计要求。

电磁阀的开关时间一般较短，可以满足数字阀设计要求，但其中的通用电磁阀开闭时压差直接作用于阀门上，高压作用下也易产生冲击与滞后，而对于其中的套筒式电磁阀，压差对阀门的作用力小，适合高压环境下阀门的快速开关，且性能安全可靠，因此选择德国生产的二位二通套筒式电磁阀作为数字阀通断阀门，如图2所示。

图2 套筒式电磁阀示意图

考虑到该电磁阀不同类型的开关时间存在一定差异(见表1)，其口径为32mm的电磁阀开关最大时间达0.44s，远大于其它类型电磁阀开关时间。为了减少各阀门在参数上尤其是时间上的差异，增加阀门切换过程中的稳定性，同时也减少系统中阀门的种类，且方便维护和管理，数字阀系统均选用孔径在25mm以内的电磁阀(数字阀系统大口径通路则采用多位孔径为25mm的电磁阀组合实现)，阀门控制时间均在0.1s左右，相对于传统通断阀门具有较大优势，可以满足设计要求。

表1 套筒式电磁阀参数

3.2数字阀的喷管设计

数字阀喷管型面设计同样是数字阀系统设计的关键因素，数字阀要有高的压力控制能力，同时要保证整体阀门在工作范围内总压损失尽量小，故选择文氏喷管作为数字阀喷管。

根据文氏管的4种工作状态可知，在等熵条件下，喷管喉道气流达到声速的条件是下游静压小于临界压力，当给定不同的喉道与出口面积之比q(λ)时，均可求出不同的压比π(λ)。本文数字阀喷管q(λ)均取为0.384，等熵情况下出口静压在0.964倍入口总压以下时，即在出口静压与入口总压压差超过0.05倍时即可达临界状态，以往使用经验表明，如果出口静压与入口总压压差超过0.09[6-7]倍，则喷管达到临界状态。

根据国内外相关资料[5-7]，本研究的文氏喷管设计采用以下准则：

(1) 喷管整个收缩段至喉道下游某点(此点斜率与圆锥段的斜率相等)曲线半径相等，即为一个圆弧段，圆弧半径取为喉道半径的3.635倍。资料表明[7]，这样可保证附面层对流量系数的影响量大致等于由喉道弯曲产生的径向速度对流量系数产生的影响；

(2) 圆弧段与喷管圆锥扩散段相切；

(3) 加工过程中避免形成圆柱形喉道；

(4) 本文喷管的收缩比(喷管入口面积与喉道面积之比)统一取为5.82。文献[7]指出这可使喷管的入口马赫数仅在0.1附近，且总压损失较小，即使发生分离，总压损失也只在0.7％左右；

(5) 本文喷管收缩段长度均取为1.438倍的喷管喉道直径；

(6) 关于圆锥扩散段的扩张角，要求并不非常严格，只要确保气流不分离同时又能保证扩压效率，一般建议取4°～6°，本文喷管设计取扩张角为5°。

根据以上准则，本文数字阀选用11位数字阀，喷管各项设计参数和相应的计算结果如图3和表2所示。其中m为设计喷管入口总压3.5MPa、总温288K时的质量流量，d为喉道直径，DE为喷管出口直径，Di为喷管入口直径，a为扩张段半扩角，R为收缩段曲线半径，L1表示喷管入口到喉道处的长度，L2表示从相切点到喷管出口的长度。

经计算，当数字阀阀前气流总温为288K，总压3.5MPa时，前10位数字阀最大流量为5.115kg/s，为了利于其它大流量试验，必要时开启第11位数字阀，此时最大流量达10.235kg/s。

图3 数字阀喷管尺寸参数

表2数字阀喷管截面尺寸(单位mm)

Table2Thenozzlesizesofthedigitalvalve

m/(kg·s⁃1)dDEL2DiL1R10．0050．8741．413．072．111．261．5920．011．2361．994．332．981．782．2530．021．7482．826．134．222．513．1840．042．4723．998．675．973．564．4950．083．4965．6412．268．435．036．3560．164．9437．9817．3411．97．118．9970．326．99111．2824．5216．8710．0512．7180．649．88715．9634．6823．8514．2217．9791．2813．98222．5649．0433．7320．1125．41101．2813．98222．5649．0433．7320．1125．41111．2813．98222．5649．0433．7320．1125．41注：数字阀第10位和11位分别采用2个和4个尺寸与第9位相同的喷管实现。

4 数字阀的调试

4.1FL-3风洞高压供气与控制系统

FL-3风洞的高压气源由4个总容积为60m3的高压贮气罐组成，设计压力为10MPa，空气压缩机为2台，单台排气量为8m3/min，空气经干燥、过滤后进入气源。

整个高压供气系统如图4所示，压缩空气自气源流出，经安全阀、总闸阀、三级减压阀、电动截止阀和科式流量计后进入数字阀，进行喷流和TPS等试验时，高压气体在流经数字阀后通过供气胶管、供气软接头和供气支撑进入飞行器模型尾喷管。

1 Total pressure transducer; 2 The 11 digital Valve; 3 Static pressure transducer; 4 PT100 temperature transducer; 5 Coriolis mass flowmeter; 6 High pressure flexible hoses; 7 Electric check valve; 8 Pressure gauge; 9 Relieve valve group; 10 Brake valve; 11 Relief valve; 12 Gas tank(60m3,100atm); 13 Wind tunnel test section

图4 FL-3风洞喷流试验配套设备

Fig.4SketchofthrustvectoringtestingsysteminFL-3

流量及压力控制系统由计算机、采集板、高精度压力传感器、科式流量计和数字阀等组成闭环控制系统，该系统控制方法上采用PID算法进行流量或总压反馈控制。

4.2数字阀地面测试结果

FL-3风洞数字阀安装示意图如图5所示。图6为数字阀目标流量为100、300和500g/s时流量随时间的变化控制曲线，3条曲线均在15s内稳定在目标值±1g/s范围内，该流量控制精度达±1g/s。图7则为目标流量为400和600g/s的流量控制曲线，该流量情况下流量控制精度稍差，控制精度在±3g/s范围内。其它流量调试结果表明，FL-3风洞数字阀流量控制精度均小于设计指标±5g/s，且效果平稳，重复性好，稳定时间均小于15s。

图5 FL-3风洞喷流数字阀

(1#、2#流量均设定为100g/s,3#、4#流量均设定为300g/s,5#、6#流量均设定为500g/s)

图6 线性变流量控制曲线

Fig.6Controlcurvesofmassflow

图8为FL-3风洞某飞机双喷推力矢量试验喷流总压精确控制曲线，该飞机喷管最大状态与加力状态下喷流总压分别为260和360kPa，对应的流量分别为1698和2200g/s，结果表明数字阀的喷流压力控制精度优于0.3％。

但该数字阀也存在二进制系统的固有缺陷(见图9)，即数字阀文氏喷管由于加工问题，部分喉道的实际流量和设计流量出现一定差异，导致在同一工作压力条件下，个别流量控制精度有一定下降，需要进一步剔除不满足加工精度的喷管。

(1#、2#流量均设定为400g/s,3#、4#流量均设定为600g/s)

(1#、2#总压均设定为260kPa,3#、4#总压均设定为360kPa)

图9 阶梯变流量控制曲线

5 结 论

所设计的FL-3风洞喷流试验数字阀流量绝对控制精度小于±5g/s，相对精度优于0.1％FS，且具有可调范围宽、响应时间快、效果平稳无毛刺等优点，同时简化了控制形式及供气管路结构，满足了FL-3风洞喷流试验流量和压力的高精度控制要求。另外如果更换口径更小的文氏喷管，相信流量控制精度可进一步提高至±1～±2g/s。

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作者简介:

季军(1985-)，男，广西桂林人，硕士，工程师。研究方向：高速风洞动力模拟、喷流试验研究。通信地址：辽宁省沈阳市皇姑区阳山路1号(100034)。E-mail: yuanfangjijun@163.com