胡卜元, 黃 勇, 章貴川, 章榮平

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

現(xiàn)代噴氣式飛機設計中，通常采用“飛機/發(fā)動機一體化設計方法”[1]，將飛機和發(fā)動機作為整體進行優(yōu)化設計，從而獲得優(yōu)良的內流特性和更高的外部氣動效率，提高飛機的性能。在風洞中開展動力模擬試驗是開展飛機/發(fā)動機一體化設計的主要研究手段。風洞中常用的噴氣動力模擬試驗技術有引射式動力模擬試驗技術和渦輪動力模擬器(以下簡稱TPS)試驗技術[2]。其中，TPS試驗技術是最為先進的噴氣動力模擬風洞試驗技術。在TPS試驗技術中，作為發(fā)動機模擬器的TPS單元需采用高壓空氣驅動，因此，高壓供氣流量的控制技術是TPS關鍵技術之一。

20世紀60年代末，美國的風洞最先應用TPS試驗技術開展了C-5A銀河運輸機、DC-10客機等型號的動力模擬試驗[3]，隨后這一試驗技術成為了評估運輸機發(fā)動機動力影響的重要手段[4-6]。20世紀80年代，歐洲的德國-荷蘭風洞群(簡稱DNW)也發(fā)展了TPS試驗技術，并開展了空客A300、A320等飛機的動力模擬試驗[7-9]，為這些飛機的研制作出了巨大的貢獻。在高壓供氣流量控制技術方面，國外最初采用單純的外式流量控制技術，試驗方式以半模TPS試驗為主；隨著微機電技術的發(fā)展，發(fā)展了集控制、測量于一體的內式流量控制技術，試驗方式轉變?yōu)橐匀PS試驗為主。國內的風洞試驗研究單位也開展了TPS試驗技術研究，發(fā)展了相應的內式流量控制技術[10-14]，但系統(tǒng)集成度與國外仍有一定的差距。

外式流量控制裝置安裝在模型外部，通常通過數(shù)字閥進行流量控制和測量。數(shù)字閥由多路不同流通面積的電磁閥組成，通過電磁閥的開閉組合控制流量。數(shù)字閥體積龐大，無法直接安裝在風洞試驗模型內部，只能通過引入模型內部的供氣管路對TPS單元供氣。供氣管路通過空氣橋跨越內式天平的固定端(非測量端)和浮動端(測量端)，然后與模型上的TPS單元相連。受模型空間限制，一般只能安裝2路空氣橋，因而無法對2臺以上的TPS單元實施控制[13-14]。內式流量控制裝置安裝在模型內部，通常通過針閥和流量計組合對流量進行控制和測量。與外式流量控制裝置相比，內式流量控制裝置具有以下優(yōu)點：(1) 結構更為緊湊，可以安裝在內部空間相對充裕的模型頭部，實現(xiàn)對2臺以上的TPS單元進行流量控制；(2) 從流量控制裝置至TPS單元之間的管路距離短，控制和測量響應更快，氣流壓力和流量更加穩(wěn)定。

本文研制的內式流量控制裝置，采用雙喉道設計方案，集成了高精度流量控制、測量功能，可同時實現(xiàn)4臺TPS單元流量精確控制和測量，滿足4發(fā)渦扇運輸機的動力模擬試驗需求。

1 流量控制裝置設計

1.1 設計原理

根據(jù)一維等熵流理論[15]可知，當拉瓦爾噴管喉道氣流達到聲速(臨界狀態(tài))時，通過噴管的氣流流量僅取決于噴管喉道上游的氣流總壓，流量按以下公式計算：

(1)

式中：m為氣流質量流量，kg/s；pt為喉道上游氣流總壓，Pa；Tt為喉道上游氣流總溫，K；A*為喉道面積，m2。

由公式(1)可知，如果保持上游總壓和溫度恒定，氣流流量與噴管喉道面積成線性關系，通過改變噴管喉道面積就能控制氣流流量。

1.2 總體方案

根據(jù)前述原理，本文設計了一種雙喉道流量控制裝置，主要包括針閥、文丘里流量計、電作動筒等部件(見圖1)。其中，針閥為流量控制系統(tǒng)，由針閥噴管、針閥頂針等組成；文丘里流量計為流量測量系統(tǒng)，由文丘里噴管、壓力和溫度傳感器等組成；電作動筒為運動控制系統(tǒng)，由伺服電機、同步帶系統(tǒng)、滾珠絲杠、光柵尺、導軌等組成。

其工作原理是，當針閥噴管和文丘里噴管(二者均為拉瓦爾噴管)喉道的氣流均達到聲速(臨界狀態(tài))后，通過電作動筒驅動針閥內的頂針運動，改變針閥噴管喉道面積，實現(xiàn)流量控制。原理圖見圖2。

圖1 總體方案

圖2 原理圖

1.3 針閥與文丘里噴管喉道匹配設計

1.3.1 文丘里噴管喉道直徑計算

文丘里噴管喉道直徑與TPS單元的渦輪參數(shù)有關。本文設計的流量控制裝置專用于AEF-0135A型TPS單元的流量控制，該型TPS單元的渦輪主要參數(shù)為：渦輪入口面積AC=232.5331 mm2；渦輪入口總壓ptC=3.2 MPa；渦輪入口總溫TtC=298.15 K；額定流量：mC=1 kg/s。

根據(jù)TPS單元的渦輪參數(shù)，考慮高壓空氣沿管路和流量計輸送的壓力損失，確定文丘里噴管的上游氣流參數(shù)為：額定總壓ptV=4.1 MPa；額定總溫TtV=298.15 K；額定流量mV=1 kg/s。

將以上氣流參數(shù)代入公式(1)，得到喉道面積AV=104mm2，喉道直徑為DV=11.5 mm。

1.3.2 針閥噴管喉道直徑計算

考慮氣流通過連接管路及針閥噴管的總壓損失，確定針閥噴管上游的氣流參數(shù)為：額定總壓ptN=5.0 MPa；額定總溫TtN=298.15 K；額定流量mN=1 kg/s。

將以上氣流參數(shù)代入公式(1)，得到喉道面積AN=85 mm2，喉道直徑DN=10 mm。

1.3.3 針閥與文丘里噴管喉道直徑的匹配計算

在雙喉道設計中，要保證喉道處氣流為聲速流，喉道之間的管路氣流為亞聲速流，而不能出現(xiàn)超聲速流。出現(xiàn)超聲速流的條件為[15]：

(2)

其中，σ是針閥噴管擴散段內氣流出現(xiàn)最強激波時的總壓比。

根據(jù)文獻[16]，將針閥噴管與文丘里噴管的面積比(噴管喉道面積/噴管出口面積)均設定為0.25。查文獻[17]的附表5和7可得，針閥噴管的激波總壓比為σ=0.346，即AV≥2.89AN時，喉道之間管路氣流為超聲速流。而在本設計中，AV=1.22AN，此工況下，喉道之間的管路氣流為亞聲速流，滿足設計要求。

針閥工作時，通過改變針閥喉道的面積來控制氣流的總壓和流量，因此必須驗證針閥開度最小時，喉道之間是否產生超聲速氣流。假設針閥噴管喉道面積減小至原來的1/10，即AV=12.20AN，此時，通過查表可得σ=0.039，即AV≥25.64AN時，喉道之間才會出現(xiàn)超聲速流。顯然AV=12.20AN時，喉道間的氣流仍然為亞聲速流，滿足設計要求。

1.4 電作動筒設計

電作動筒主要由伺服電機、同步帶系統(tǒng)、滾珠絲杠、光柵尺、導軌等組成。其中，伺服電機為動力源，滾珠絲杠、同步帶和導軌等為傳動部件，光柵尺為位置反饋傳感器。

電作動筒采用全數(shù)字式伺服控制、計算機自適應在線補償與自適應振動抑制、模塊化設計與開放式可重構的全數(shù)字控制系統(tǒng)等技術，將傳動、驅動、位移測量、伺服控制等功能有機地整合成一個模塊。系統(tǒng)原理圖見圖3。

為提高控制精度，由直線位移反饋(光柵尺反饋)、角位移反饋(編碼器反饋)構成雙反饋回路，位移控制精度優(yōu)于0.01mm。電作動筒的性能指標如表1所示。

圖3 電作動筒原理圖

表1 電作動筒性能指標Table 1 Electric actuator performance

2 地面校核試驗

為校核該裝置的性能，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的TPS地面實驗室進行了地面校核試驗(見圖4)。

圖4 校核試驗

試驗時，定義針閥喉道面積為0時的針閥頂針位置為0 mm，針閥喉道面積最大時的頂針位置為75 mm，頂針從0 mm運動到75 mm，針閥喉道面積逐漸增大。

2.1 分辨率試驗結果分析

圖5給出了流量控制分辨率試驗結果曲線，圖中橫坐標為針閥頂針位置，縱坐標為流量對針閥頂針位移的導數(shù)(dm/dx)。從圖中可知，dm/dx最大約為0.015 kg/(s·mm)，而電作動筒的定位精度為0.01 mm，因此，流量控制分辨率可控制在0.15 g/s范圍內。

圖5 控制分辨率試驗曲線圖

2.2 精度試驗結果分析

圖6給出了精度試驗結果曲線，圖中橫坐標為針閥頂針位置，縱坐標為流量。表2給出了不同針閥頂針位置的流量控制重復性精度。

圖6 流量控制重復性精度曲線圖

表2 流量控制重復性精度Table 2 Mass flow control tests repeatability accuracy

從圖6和表2可知，試驗結果具有較好的重復性，在針閥頂針行程范圍內，流量控制精度均在3 g/s以內。

流量控制精度低于分辨率的原因在于：流量控制精度除了與裝置本身的性能有關外，還與上游的供氣流量(總壓)控制精度相關。TPS地面實驗室的上游供氣流量(總壓)由數(shù)字閥系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)的數(shù)字閥數(shù)量較少，控制精度相對較低，從而導致本裝置的流量控制精度下降。

2.3 針閥頂針位移與流量的關系

圖7給出了針閥頂針位移與流量的關系圖。由圖可知：(1) 在一定的針閥頂針行程范圍內，流量與針閥頂針位移基本呈線性變化關系，且隨上游供氣流量(總壓)的增加，線性段范圍逐漸擴大。這說明在該段針閥行程范圍內，針閥與文丘里噴管喉道均達到聲速(臨界狀態(tài))，二者具有良好的匹配關系；(2) 當針閥行程超過某個臨界值后，頂針行程變化對流量幾乎沒有影響。這說明此時針閥和文丘里噴管喉道未達到聲速，不滿足臨界工作條件。

圖7 針閥頂針位移與流量的關系圖

Fig.7Relationshipbetweenneedlevalvesizeandmassflowrate

3 風洞試驗驗證

在中國空氣動力研究與發(fā)展中心8 m×6 m風洞開展了某型飛機全模TPS動力模擬試驗，試驗的重復性精度見表3，其中NPR為TPS短艙噴流落壓比。

試驗結果表明：風洞試驗重復性精度皆在國軍標合格指標之內，其中CL、CY、Cn和Cl的重復性精度滿足國軍標先進指標。這說明本文設計的流量控制裝置完全滿足TPS試驗的流量控制精度要求。

表3 風洞試驗重復性精度Table 3 Wind tunnel tests repeatability accuracy

4 結 論

(1) 采用基于雙喉道匹配設計的內式流量控制技術，集流量控制與測量于一體，能夠有效解決多臺TPS單元的流量控制與測量問題。

(2) 在臨界狀態(tài)下，所設計的流量控制裝置的流量控制線性較好；流量控制分辨率優(yōu)于0.15 g/s，控制精度優(yōu)于3 g/s。

(3) 8 m×6 m風洞全模TPS試驗重復性精度滿足國軍標合格指標，驗證了本文設計的內式流量控制裝置的可靠性。