牟萬輝，李海濤，劉偉強(qiáng)

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點實驗室，長沙410073)

大流量減壓器出口壓力上漂的機(jī)理分析與抑制

牟萬輝，李海濤，劉偉強(qiáng)*

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)重點實驗室，長沙410073)

大流量氣調(diào)式氣體減壓器是飛行器地面試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，針對減壓器在大流量長程試驗過程中出現(xiàn)的出口壓力上漂問題進(jìn)行了建模分析、控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗驗證。對減壓器活動組件進(jìn)行力學(xué)分析，建立活動組件穩(wěn)態(tài)工作模型，分析得到由于氣源壓力下降導(dǎo)致了減壓器出口壓力上漂，并可以通過調(diào)節(jié)控制腔壓力的方式加以抑制?；诳删幊踢壿嬁刂破?PLC)設(shè)計了一套壓力反饋式控制系統(tǒng)，通過傳感器采集出口壓力信號，并利用帶有高速電磁閥的增壓罐對控制腔氣體壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對出口壓力的自動穩(wěn)定控制。在16～27kg/s的氣體質(zhì)量流量下，長程試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，成功地抑制了減壓器出口壓力的上漂。

減壓器;建模分析;出口壓力;可編程邏輯控制器;控制系統(tǒng)

0 引言

大流量氣體減壓器是飛行器地面試驗系統(tǒng)中氣體供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，高壓氣體從氣源流出之后經(jīng)過減壓器節(jié)流減壓，使入口的高壓氣體壓力降至規(guī)定值，并穩(wěn)定在一定的壓力范圍內(nèi)，從而保證整個試驗系統(tǒng)具有穩(wěn)定的工作特性。試驗中，減壓器輸出壓力的穩(wěn)定性直接影響下游試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對整個試驗有著較大的影響［1-2］。

近年來，對于減壓器的穩(wěn)定性控制引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。浙江大學(xué)的王宣銀［3］等設(shè)計了一種超高壓氣動比例減壓器，建立了系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，通過仿真找到了提高輸出壓力精度的有效方法；中國空氣動力研究與發(fā)展中心的黃知龍［4］等給出了大型風(fēng)洞調(diào)壓閥型面設(shè)計方法及性能預(yù)測，并針對大流量下壓力調(diào)節(jié)要求，提出雙閥并聯(lián)的調(diào)節(jié)方式；北京航天動力研究所的胡長喜［5］建立了反向卸荷式減壓器動態(tài)仿真模型，利用AMESim仿真得到了減壓器動態(tài)特性的影響因素并提出了合理的改進(jìn)措施；文獻(xiàn)［6－7］建立了減壓器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用四階龍格－庫塔方法分別對減壓器動態(tài)過程和常見故障進(jìn)行了仿真，提出了減壓器的優(yōu)化設(shè)計方案；Afshari［8］采用波特圖仿真技術(shù)，對減壓器中的非線性問題進(jìn)行了研究；Ciraolo［9］建立了增壓瞬態(tài)過程數(shù)學(xué)模型，對減壓器振蕩問題進(jìn)行了分析。

目前，對大流量長程試驗的需求越來越迫切，但相關(guān)研究主要針對試驗時間較短、入口參數(shù)變化不大的中小流量減壓器展開，且大多集中于對減壓器進(jìn)行特性分析，通過優(yōu)化減壓器結(jié)構(gòu)的方式來減小入口參數(shù)變化對出口壓力穩(wěn)定性的影響［10－11］。相對于小流量短時試驗，大流量長程試驗中氣源壓力下降幅度較大，對出口壓力穩(wěn)定性的影響更為明顯，且大流量減壓器自身的大慣性也使得快速穩(wěn)壓控制變得更加困難。這一系列的問題使得在大流量長程試驗過程中，現(xiàn)有方式尚未取得理想的穩(wěn)壓效果。

本文針對大流量長程試驗過程中減壓器出口壓力出現(xiàn)上漂的問題進(jìn)行研究，并基于壓力反饋控制方式，提出抑制減壓器出口壓力上漂的有效措施。

1 減壓器結(jié)構(gòu)及工作原理

在超燃沖壓發(fā)動機(jī)自由射流試驗等試驗系統(tǒng)中，空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氧氣供應(yīng)系統(tǒng)和酒精增壓系統(tǒng)等子系統(tǒng)都用到了高壓大流量減壓器，每個子系統(tǒng)均由高壓氣體儲罐、入口管道、減壓器、出口管道、控制氣和主閥等組成［12］。減壓器是利用氣流的節(jié)流效應(yīng)實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的一種調(diào)節(jié)閥，高壓氣體在通過閥芯和閥座之間的狹窄截面時發(fā)生節(jié)流現(xiàn)象，使得節(jié)流后壓力降低，一旦出口壓力變化，閥芯就會隨之運動，從而實現(xiàn)減壓器的穩(wěn)壓作用。

圖1是減壓器的結(jié)構(gòu)示意圖，減壓器內(nèi)部由入口腔、出口腔、卸荷腔、阻尼腔和控制腔共5個腔體組成，其中入口腔與出口腔通過閥芯隔開，閥芯的開合決定兩腔是否連通；出口腔與阻尼腔通過阻尼腔隔盤隔開并通過隔盤上的阻尼孔連通；阻尼腔與控制腔通過敏感膜片隔開，二者并不連通［13］。

圖1 減壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 The schematic diagram of PRV

試驗開始前，入口腔A中的高壓氣體進(jìn)入卸荷腔B，減壓器利用入口高壓氣體的作用力將閥芯1緊緊壓在閥座6上，從而起到斷流的作用。增壓時，將控制氣通入控制腔E，控制腔壓力升高到一定程度時，膜片2向上變形，活動組件（見圖1中1～5）向上運動，使減壓器閥芯向上開啟，入口腔的高壓氣體通過閥芯與閥座之間的環(huán)縫流入出口腔，出口腔與阻尼腔之間通過阻尼孔連通，阻尼腔壓力隨之增大。由于下游管路關(guān)閉，當(dāng)出口腔壓力大到一定值時，閥芯將在合力的作用下閉合。試驗開始時，下游管路開啟，出口腔和阻尼腔壓力突然下降，減壓器閥芯受向上合力再次開啟，當(dāng)活動組件受力平衡時，閥芯開度穩(wěn)定，減壓器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，為下游試驗系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力和流量［14］。試驗結(jié)束時，下游管路關(guān)閉，出口腔和阻尼腔壓力迅速升高，活動組件受合力向下運動，減壓器自動關(guān)閉。

2 減壓器出口壓力上漂機(jī)理分析

2．1 活動組件力學(xué)分析

為分析描述減壓器的動態(tài)過程，建立活動組件運動方程。假設(shè)各腔壓力分布均勻，忽略活動組件運動過程中的摩擦［15］，以活動組件為研究對象，受力分析如圖2所示。

圖2 減壓器活動組件受力分析圖Fig．2 The stress analysisof the PRV kinetic component

由流體力學(xué)公式，入口腔、出口腔、阻尼腔和控制腔氣體作用在活動組件上的力分別為：

式中：p1為入口腔靜壓；p2為出口腔靜壓；p3為阻尼腔靜壓；pc為控制腔靜壓；Ai為閥芯面積；Ae為膜片有效面積。

取閥芯下緣至閥座下緣間為控制體，由動量定理可知，作用在控制體上的力應(yīng)等于控制容積內(nèi)工質(zhì)動量的局部變化率與隨流變化率之和，利用動量定理在閥芯運動方向上的投影形式（向上為正方向），則有［16］：

工質(zhì)動量的局部變化率為：

工質(zhì)動量的隨流變化率為：

氣體作用在閥芯上的力Fh與閥芯作用在氣體上的力大小相等，方向相反；則動量方程在閥芯運動方向上的投影形式為：

氣體瞬態(tài)力為：

由牛頓第二定律，得到活動組件運動方程如下［17］：

對于穩(wěn)態(tài)工作的減壓器，活動組件靜止且受力平衡，氣體瞬態(tài)力為0，出口腔與阻尼腔壓力近似相等，即有p2≈p3。

聯(lián)立（1）、（2）、（7）、（8）和（9）式，可得減壓器穩(wěn)態(tài)工作模型如下：

2．2 減壓器出口壓力上漂的典型實測曲線

目前，試驗中對氣體流量的要求越來越大，且試驗時間越來越長，試驗過程中大量氣體由上游儲罐內(nèi)放出，儲罐內(nèi)氣體壓力隨氣體的消耗明顯降低［18］。在試驗進(jìn)行過程中，為減壓器提供的入口壓力也隨之下降，圖3為減壓器某工況試驗過程中入口管路壓力p0、入口腔壓力p1及卸荷腔壓力pu的變化曲線，由圖可以看出，試驗過程中減壓器入口壓力明顯下降。

式中：Fs為主、副彈簧的彈力合力；Fmo為膜片彈性力；m為活動組件質(zhì)量；v為活動組件運動速度。

由式（10）可知，減壓器出口壓力不僅與結(jié)構(gòu)參數(shù)（閥芯面積、膜片面積、主副彈簧和膜片彈性）有關(guān)，還與入口壓力、控制腔壓力及氣體質(zhì)量流量等工作條件有關(guān)。

在試驗中，對于固定的減壓器，結(jié)構(gòu)參數(shù)無法改變，且膜片與彈簧彈性力相對于氣體壓力均為小量。假設(shè)氣體質(zhì)量流量穩(wěn)定不變，當(dāng)入口壓力減小時，若控制腔壓力不變，減壓器活動組件受合力向上，閥芯開度變大，出口壓力隨之增大。由（10）式可得，出口壓力隨入口壓力的變化規(guī)律為：

圖3 入口管路、入口腔、卸荷腔壓力曲線［19］Fig．3 The pressure variation of the inlet pipe，inlet chamber and unloading chamber

減壓器實際工作過程中，若維持控制氣壓力穩(wěn)定，入口壓力下降與閥芯自動調(diào)節(jié)作用都會對出口壓力產(chǎn)生影響。圖4為不采取任何穩(wěn)定控制措施時，某工況下出口壓力隨時間變化的無量綱試驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，試驗過程中，減壓器出口壓力短時間內(nèi)產(chǎn)生大約0．3左右的上漂，這已超出某些試驗的壓力波動許可范圍，對下游試驗系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生了較大影響，而且產(chǎn)生很大的安全隱患，需要對出口壓力進(jìn)行穩(wěn)定控制。

圖4 無控制措施時出口壓力變化曲線Fig．4 The outlet pressure variation without control measure

3 壓力反饋式抑制方法研究

針對上述大流量減壓器出口壓力上漂問題，由式（10）可知，在入口壓力p1不斷下降的情況下，可以通過降低控制腔氣體壓力pc的方式來維持出口壓力p2穩(wěn)定。本文自行設(shè)計了一套出口壓力精確控制系統(tǒng)［20］，其整體架構(gòu)如圖5所示。設(shè)計要求當(dāng)出口壓力設(shè)定在最大輸出壓力7MPa時，30s內(nèi)壓力波動不超過±0．3MPa。其基本原理是通過對減壓器出口壓力的反饋測量，將壓力數(shù)據(jù)實時發(fā)送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)自動控制增壓罐閥門位置，調(diào)節(jié)通入減壓器的控制氣壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)減壓器出口壓力p2?？刂崎y門采用長壽命高速電磁閥且采取冗余設(shè)計，保證系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度的同時大大提高系統(tǒng)的壽命和可靠性［21］。

圖5 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖Fig．5 The schematic diagram of control system framework

控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)主從控制模式［22］，氣動系統(tǒng)原理如圖6所示（圖中備用電磁閥未畫出）。上位機(jī)（或觸摸屏）用來設(shè)置試驗參數(shù)，并綜合需求精度與閥門壽命等因素給出合理的差動間隙?？删幊踢壿嬁刂破鱌LC作為下位機(jī)［23］，由上位機(jī)的控制時序觸發(fā)，PLC根據(jù)A／D模塊實時采集到的減壓器出口壓力，按照預(yù)設(shè)判斷邏輯和控制邏輯完成數(shù)據(jù)判斷，遠(yuǎn)程自動控制電磁閥動作。為保證系統(tǒng)響應(yīng)速度，電磁閥采用時間最優(yōu)的Bang－Bang控制，根據(jù)PLC指令，不斷調(diào)節(jié)增壓罐壓力，從而實現(xiàn)對減壓器出口壓力的穩(wěn)定控制。

圖6 氣動系統(tǒng)原理圖Fig．6 The principle diagram of the pneumatic system

4 控制系統(tǒng)試驗驗證

為驗證上述控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，試驗中，采用該控制系統(tǒng)對出口壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，得到控制前后減壓器出口壓力變化對比曲線，如圖7所示。

圖7 采取控制措施前后出口壓力變化曲線對比Fig．7 Comparison of the outlet pressure variation

從圖7中可以看到：（1）無控制措施時，開閥后較短時間內(nèi)，出口壓力出現(xiàn)了明顯的上漂現(xiàn)象；采取控制措施時，當(dāng)壓力上漂達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定壓力上限時，控制系統(tǒng)迅速對出口壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；（2）控制過程中，控制閥門以較高頻率不斷開關(guān)，壓力曲線存在一定波動，但是相比于無控制措施情況下，出口壓力基本穩(wěn)定，較長時間內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的大幅度上漂，控制效果較好；（3）采取控制措施時，壓力曲線變化率隨時間逐漸減小，出口壓力最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗證明，該壓力控制系統(tǒng)能夠有效穩(wěn)定減壓器出口壓力，在30s長程試驗中，壓力波動穩(wěn)定在±0．2MPa范圍內(nèi)，滿足設(shè)計需求，有效解決了出口壓力隨試驗時間向上漂移的問題。

5 結(jié) 論

針對大流量長程試驗中減壓器出口壓力上漂問題展開研究，通過對減壓器活動組件的力學(xué)分析得到減壓器穩(wěn)態(tài)工作出口壓力表達(dá)式，表明出口壓力與閥芯面積、膜片面積、主副彈簧彈性、膜片彈性、入口壓力、控制腔壓力及氣體質(zhì)量流量等因素有關(guān)。

提出了基于壓力反饋的減壓器出口壓力上漂抑制方法，設(shè)計并建立了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在入口壓力8．5～15MPa、出口壓力1～7MPa、氣體質(zhì)量流量16～27kg／s的試驗工況下，長程試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠有效地抑制減壓器出口壓力上漂，為大流量長程試驗的順利進(jìn)行提供了有力保障。

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M echanism analysis and suppression of the outlet pressure rise of the large flux pressure reducing valve

Mu Wanhui，Li Haitao，Liu Weiqiang*
(Science and Technology on Scramjet Laboratory，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

The large flux pressure reducing valve(PRV)is a key part of the aircraft ground testing system．The problem of outlet pressure rise of the PRV is tackled in this paper bymodeling analysis，control system design and experimental verification．First，the force analysis of the PRV kinetic components is conducted，which is utilized to establish the steady workingmodel．It is observed from the expression that the sustaining decrease of the inlet pressure can cause the rise of the outlet pressure and the influence factors of the PRV outlet pressure is obtained．This problem can be solved by adjusting the control chamber pressure．Second，the control system framework is constructed based on Programmable Logic Controller(PLC)．The outlet pressure feedback control is conducted by acquiring the outlet pressure signal via sensors and adjusting control chamber pressure using the booster jar with high-speed solenoid valves．At last，a series of long-term experiments of 30～60 seconds are designed to test the feasibility of the control system at a largemass flow rate of 16～27kg/s．Results show that this control system effectively stabilizes the outlet pressure and successfully solves the outlet pressure rise problem in the testing process．

pressure reducing valve;model analysis;outlet pressure;Programmable Logic Controller; control system

V416．8

A

（編輯：楊 娟）

1672-9897(2016)05-0049-06

10．11729/syltlx20150142

2015-11-25;

2016-01-27

湖南省自然科學(xué)基金(13JJ2002);國家自然科學(xué)基金(51306204)

*通信作者E-mail:liuweiqiang_1103@163．com

Mu W H，LiH T，Liu W Q．Mechanism analysis and supp ression of the outlet p ressure rise of the large flux p ressure reducing valve．Journalof Experiments in Fluid Mechanics，2016，30(5):49-54．牟萬輝，李海濤，劉偉強(qiáng)．大流量減壓器出口壓力上漂的機(jī)理分析與抑制．實驗流體力學(xué)，2016，30(5):49-54．

牟萬輝（1992－），男，黑龍江林口人，碩士研究生。研究方向：航天器地面試驗系統(tǒng)的熱分析與熱控制。通信地址：湖南省長沙市開福區(qū)德雅路109號（410073）。E－mail：muwanhui＠126．com