流量调节阀在液氧供应系统中的应用

李久龙 欧阳雪（北京航天试验技术研究所，北京 100074）



流量调节阀在液氧供应系统中的应用

李久龙 欧阳雪
（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

摘 要：目前对深冷介质的流量控制方式主要有文氏管组和调节阀两种方式，而调节阀作为自动化技术中最常用的执行元件之一，较文氏管组具有智能化程度高，设备配置简洁，运行稳定可靠，使用方便灵活且可以对流量实现连续可调等优点。本文依据实际液氧供应系统，经冷调和试验数据分析调节阀对液氧流量的调节精度，并与理论值进行比较，得出调节阀在深冷环境中的使用技术特性，并对流量精度的主要影响因素进行分析。

关键词：深冷；调节阀；液氧；精度

0 引言

液氧供应系统作为某发动机地面试验系统中的核心工位，液氧经过加热器加热汽化后向燃烧室提供氧气，以此来模拟使用环境。由于在试验过程中需要实现多种工况，所以对氧流量要求变化范围较大，一般从几千克到几十千克不等。因此，液氧供应系统必须满足流量跨度范围大、流量连续可调的要求，实现此功能的一个手段就是在管路系统中设置流量调节阀。本文针对现有系统，对流量调节阀在实际使用过程中的一些技术进行研究，根据试验数据对调节阀在深冷环境中的使用技术进行分析和研究。

图1补氧系统原理简图

1 调节阀的使用方法简介

1.1 调节阀的分类

目前有4种分类方式：（1）按驱动方式分类，分为自力式和驱动式；（2）按照阀门参数分类，可按照阀门的公称尺寸、公称压力、工作温度、阀体材料及、管道的连接方式以及阀门的操纵方式分类；（3）按照用途和作用分类，分为流量调节阀、液面调节阀、压力调节阀和温度调节阀；（4）按照结构形式分类，分为气动调节阀、电动调节阀、手动调节阀、液动调节阀和智能型调节阀。

表1调节阀的主要参数表

表2系统冷调试验结果

1.2 调节阀的选型步骤

针对液体介质调节阀，主要特性参数包括：qvL—液体体积流量；p1—阀前绝对压力；p2—阀后绝对压力；s—压降比；ρL—液体密度；R—可调比；Pc—液体临界压力；Pv—液体饱和蒸气压；FL—液体压力恢复系数；FF—液体临界压力比系数。

一般情况下，通过计算或查表获得以上参数，按照工作情况，判定介质的性质、阻塞流状况及雷诺数，然后对流量系数Kv进行计算，对求得的Kvmax进行圆整，最后对调节阀的开度、可调比进行验算，确定阀门最终规格和Kv值。通常，调节阀针对液体介质流量系数Kv计算方法按照公式（1）进行计算，考虑到低温阀门及介质的多个系数受温度影响较大，应对该公式进行适当的修正。

2 调节阀的使用技术研究

2.1 对象描述

目前，理想的调节阀流量特性主要包括：直线、对数、抛物线及快开4种。本系统所选阀门为德国Prevent公司的产品，为对数流量特性流量调节阀，满开度时流量系数Kv值为6.3，其流量系数与开度的关系为：

其中，n为阀门最大流量系数与在任意工况下的流量系数之比，即n=Kvmax/Kvn；h为阀门开度，及h=H/H100；Kvs为全开度（H100）时的公称Kv值。

根据试验工况，调节阀选型主要参数见表1。

图2采用液氮、液氧冷调，阀门的开度—流量系数特性曲线

2.2 试验系统结构及特性

液氧供应系统组成如图1所示，采用高压氮气挤压方式将贮箱中液氧通过气动截止阀、过滤器、高压液氧输送管道及液氧流量调节装置，最后喷入液氧/空气掺混器，经与空气混合，形成富氧空气源进入试车台，完成补氧过程。其中，液氧流量测量装置为科氏流量计，测量精度5‰，与调节阀形成闭环控制，并由试验结果可知，系统总流阻不超过0.5MPa。

因液氧系统一般先用液氮进行冷冻，在液氮调试合格的基础上再使用液氧调试，所以分别用液氮、液氧两种介质进行冷调来获得系统特性，部分调试结果统计见表2。

图3调节阀对液氧流量的控制结果

由表2结果可以看出，在系统冷调过程中对阀门的开度从10%到100%分别进行测试，总体情况为在阀门开度较小时流量调节误差偏大，正常开度范围内调节精度在10%以内，个别工况点受调节阀背压变化调节精度略受影响。

2.3 试验结果及分析

阀门经过液氮、液氧调试，所获得的真实阀门开度与流量系数关系曲线如图2 所示。

由图2可见，调节阀在液氮、液氧介质调试过程中，理论开度-流量系数曲线和实测曲线趋势一致，与压降比s=0.9吻合。

通过对某型号试验台补氧系统点火试验的统计，选择典型的数次试验，各补氧流量如图3所示。图中纵坐标qmL表示设定工况的液氧质量流量，单位为kg/s，横坐标time表示试验时间，单位s。

根据相关试验记录数据，调节阀在使用过程中产生的误差主要有以下几个原因：

（1）受发动机加热器反压影响，调节阀出口压力波动较大，致使阀门进出口压差不稳定，导致阀门开度随压差不断变化，阀门处于震荡状态，所以在液氧流量控制图中出现波动曲线。

（2）调节精度受温度影响较大，在等压条件下，温度对液氧的密度ρL、饱和蒸气压Pv、液体临界压力比系数FF等均有较大影响，总体趋势是随着温度升高，阀门Kv值增大。经计算，针对液氧介质温度T每上升10K，流量调节误差增大2%～5%。

（3）由于试验介质为低温液体，在实际使用过程中，流过调节阀喉部的介质不可避免地会存在气-液两相流，调节过程基本为等熵，当调节阀压降低于低温介质汽化压力时，实际流量将小于理论值。

需要说明的一点是本次试验所有工况对应的压降比值DPF均小于1，不存在闪蒸情况。对液体的调节过程也伴随噪声的产生，在此不做相关讨论。

结论

通过液氧供给系统进行试验，获取了对数调节阀在液氧和液氮两种介质环境下的使用特性参数，并根据调节阀对液氧流量的控制曲线图，分别对阀后压力、温度以及两相流三种因素对调节阀调节精度的影响原因和影响程度进行分析。基于目前试验数据有限，精确量化以上因素对精度的影响程度还较为困难，后期可以对温度和两相流两个因素对调节阀的工作特性影响程度进行深入研究，进一步提高调节阀在深冷环境中的调节精度。

参考文献

［1］陆陪文.调节阀实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］陆陪文.实用阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］ FISHER CONTROLS INTERNATIONAL INC. Control Valve Handbook，2001.

［4］明赐东.调节阀计算、选型与使用［M］.成都：成都科学技术出版社，1999.

［5］陆陪文.国内外阀门新结构［M］.北京：中国标准出版社，1997.

中图分类号：TQ116

文献标识码：A