氣動(dòng)蝶閥式壓力調(diào)節(jié)器的工作特性及發(fā)展趨勢(shì)

2013-07-19 田占強(qiáng) 海軍駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室

　　從20世紀(jì)90年代初國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制蝶閥式空氣壓力調(diào)節(jié)器以來(lái)，先后研制生產(chǎn)出QDF-45、QDF-46、CYT-20、CYT-32、CYT-33、QYT-20等多種產(chǎn)品型號(hào)，經(jīng)歷了由相對(duì)壓力調(diào)節(jié)向絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)的過(guò)渡。隨著我國(guó)航空技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，大型民用客機(jī)等先后立項(xiàng)并進(jìn)入研制階段，其環(huán)控系統(tǒng)對(duì)引氣壓力調(diào)節(jié)器功能的精確性和工作穩(wěn)定性都提出了更高的要求，研究影響高溫蝶閥式絕對(duì)壓力引氣調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度及工作穩(wěn)定性的主要因素及相應(yīng)的解決措施這一課題迫在眉睫。本文以高溫大流量引氣壓力調(diào)節(jié)器為例，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行全面的分析和論證。

一、主要技術(shù)要求

　　(1)工作介質(zhì)：空氣。

　　(2)使用高度：-500m～18000m。

　　(3)工作環(huán)境溫度：-55℃～+70℃。

　　(4)工作介質(zhì)溫度：正常360℃，最高450℃。

　　(5)入口壓力范圍：0.45MPa～1.5MPa(絕對(duì))。

　　(6)流量：正常800±100kg/h，最大1300±100kg/h。

　　(7)調(diào)壓特性：當(dāng)入口壓力在0.45MPa～1.5MPa(絕對(duì))、流量分別為800±100kg/h和1300±100kg/h時(shí)，產(chǎn)品出口壓力應(yīng)滿足0.4±0.025MPa(絕對(duì))。

二、方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)技術(shù)要求，產(chǎn)品原理方案必須保證以下條件：(1)在-500m～18000m高度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)引氣壓力的精確調(diào)節(jié)。(2)在高壓、大流量、長(zhǎng)時(shí)間的工作條件下實(shí)現(xiàn)良好的工作穩(wěn)定性。為此，擬定其原理方案如圖1，原理方塊圖如圖2。

　　工作原理：

　　產(chǎn)品為氣動(dòng)壓力控制結(jié)構(gòu)，分為氣動(dòng)控制氣路、反饋氣路和主氣路三個(gè)氣路。

氣動(dòng)蝶閥式壓力調(diào)節(jié)器的工作特性及發(fā)展趨勢(shì)

　　當(dāng)進(jìn)口壓力通過(guò)氣濾到達(dá)先導(dǎo)閥，先導(dǎo)閥將其減壓為恒定控制壓力通往兩位開(kāi)關(guān)。若控制氣路電磁閥通電，控制壓力經(jīng)過(guò)超壓控制閥到達(dá)控制腔，推動(dòng)膜片組件與蝶閥聯(lián)動(dòng)，打開(kāi)蝶閥，出口壓力經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入反饋腔，膜片組件在控制腔壓力、反饋腔壓力、彈簧力及蝶閥所受的氣動(dòng)力共同作用下，達(dá)到力平衡，使蝶閥達(dá)到需要的開(kāi)啟角，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的功能。如果因某種原因，出口壓力升高(或降低)，反饋壓力跟著升高(或降低)，進(jìn)而控制膜片組件上移(下移)，使蝶閥開(kāi)啟角減小(或增大)，實(shí)現(xiàn)出口壓力趨于恒定。

　　若電磁閥斷電，控制氣路被切斷�？刂茐毫Σ荒艿竭_(dá)控制腔，膜片組件和蝶閥將在彈簧力的作用下而關(guān)閉主氣路。

三、影響因素分析

　　從蝶閥結(jié)構(gòu)原理及所建立的數(shù)學(xué)模型中可以看出，膜片組件是整個(gè)產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此，對(duì)影響產(chǎn)品工作穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精度的因素分析，就是對(duì)膜片組件受力的影響分析，以下對(duì)膜片組件的干擾情況及相應(yīng)解決措施進(jìn)行分析。

　　1、對(duì)控制腔壓力的分析

　　控制腔壓力的方程為：

　　由公式(1)可以看出，先導(dǎo)閥的輸出壓力范圍的大小直接影響控制腔壓力范圍的大小;當(dāng)因系統(tǒng)壓力波動(dòng)等原因產(chǎn)品出口壓力產(chǎn)生一個(gè)ΔP的增量時(shí)，產(chǎn)品控制腔壓力會(huì)在超壓控制閥的作用下迅速降低，并通過(guò)膜片組件的作用使蝶閥開(kāi)度減小，產(chǎn)品的調(diào)壓特性在瞬間內(nèi)收斂至正常狀態(tài)。從而避免產(chǎn)品調(diào)壓特性的波動(dòng)，提高其穩(wěn)定性。增加超壓控制閥前后開(kāi)關(guān)特性曲線對(duì)比如圖3。

　　2、對(duì)反饋腔壓力的分析

　　對(duì)絕對(duì)壓力調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，為了得到其調(diào)壓特性不受大氣環(huán)境壓力的影響，反饋腔壓力是將產(chǎn)品出口壓力節(jié)流后得到的一個(gè)適當(dāng)壓力值，該壓力的穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品的調(diào)壓特性。

　　主通道與反饋腔之間的等效直徑d由其石墨漲圈的密封性能決定，在蝶閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)前后石墨漲圈密封性能的變化情況又無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，而且在現(xiàn)有技術(shù)條件下，近500℃的高溫環(huán)境，無(wú)法保證完全密封。那么還有減少因主通道向反饋腔漏氣對(duì)反饋腔壓力影響的方法嗎?

　　關(guān)于節(jié)流系數(shù)的方程：

　　式中，B為反饋氣路節(jié)流系數(shù)。

　　由公式(2)、(3)可以看出，等效直徑d值可以看成是在某一范圍內(nèi)變化的一個(gè)量。當(dāng)增大節(jié)流孔直徑d1時(shí)，可以減小因等效直徑d的變化對(duì)反饋氣路節(jié)流系數(shù)變化量的影響，也就是說(shuō)，在Pc不變的情況下，可以增加反饋腔壓力Pck的精度和穩(wěn)定性，從而提高整個(gè)蝶閥的調(diào)節(jié)精度和工作穩(wěn)定性。

　　從流量連續(xù)性方程也可以得出同樣的結(jié)論，如圖4所示，G1是我們預(yù)先設(shè)定的流量，G2是我們不希望有的干擾流量，G3是排氣總流量，當(dāng)增大預(yù)先設(shè)定的流量G1時(shí)，就會(huì)減小干擾流量G2對(duì)總排氣流量G3的影響。

　　3、對(duì)蝶閥氣動(dòng)力的分析

　　蝶閥所受的氣動(dòng)力，是由于氣體的流動(dòng)而產(chǎn)生的，始終是使閥門(mén)關(guān)閉的力，由于其非線性的特點(diǎn)，只要蝶閥處于工作狀態(tài)，它就會(huì)干擾蝶閥的調(diào)壓。如何避開(kāi)或者是減小氣動(dòng)力的影響呢?

　　根據(jù)測(cè)得的蝶閥氣動(dòng)力系數(shù)和前面所建立的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)，當(dāng)Pr=0.4～1.5MPa，Pc=0.4±0.025MPa，B=

　　0.54596，G4=1300kg/h，K=3N/mm，d1=0.3，d2=0.375，得出蝶閥氣動(dòng)力矩反作用在膜片組件上的分力與調(diào)壓彈簧力的仿真結(jié)果如表1，繪制其變化曲線如圖6所示。

　　從表1和圖5可以看出，當(dāng)?shù)y開(kāi)度越大時(shí)，蝶閥氣動(dòng)力矩反作用在膜片組件上氣動(dòng)力分量的線性越好;當(dāng)?shù)y開(kāi)度越小時(shí)，蝶閥氣動(dòng)力矩反作用在膜片組件上氣動(dòng)力分量的線性越差，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使蝶閥工作在氣動(dòng)力分量的線性區(qū)，但由于飛機(jī)系統(tǒng)要求的減壓比等因素的限定，往往不能使產(chǎn)品完全工作在線性區(qū)范圍內(nèi)，調(diào)壓彈簧力就不能起到較好抵消作用在膜片組件上的氣動(dòng)力分量，蝶閥氣動(dòng)力就會(huì)對(duì)產(chǎn)品調(diào)節(jié)精度產(chǎn)生較大影響。

　　在這種情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，找到以下兩種可以減小氣動(dòng)力影響程度的措施：

　　一是在先導(dǎo)閥輸出壓力允許、橡膠膜片能夠承受且產(chǎn)品不需要在較低壓力下進(jìn)行開(kāi)關(guān)特性的情況下，增大調(diào)壓彈簧剛度，相應(yīng)提高控制腔和反饋腔壓力，從而減小因作用在膜片組件上的氣動(dòng)力分量的變化對(duì)膜片組件的影響程度。

　　二是在產(chǎn)品空間允許的情況下，可以加大搖臂的長(zhǎng)度，減小作用在膜片組件上的氣動(dòng)力分量，從而降低對(duì)膜片組件的影響程度。

　　下面將調(diào)壓彈簧剛度由1.5N/m提高到3N/m，將搖臂長(zhǎng)度從15mm加長(zhǎng)至20mm后，重新對(duì)產(chǎn)品的調(diào)壓特性進(jìn)行數(shù)字仿真如圖6所示。

　　由圖6產(chǎn)品調(diào)壓特性曲線對(duì)比看出，產(chǎn)品調(diào)節(jié)精度由±0.02MPa提高至±0.01MPa。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

　　上述措施落實(shí)到了高壓引氣控制閥×××產(chǎn)品上，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其工作穩(wěn)定性好，調(diào)節(jié)精度大幅提高，其實(shí)測(cè)調(diào)壓特性如圖7所示，經(jīng)與仿真結(jié)果圖6對(duì)比，達(dá)到了預(yù)期的目的。

五、結(jié)語(yǔ)

　　綜合上述分析，得出以下結(jié)論：

　　一是在控制氣路上增加超壓控制閥可以改善產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)關(guān)特性時(shí)的超調(diào)量。

　　二是適當(dāng)增加反饋氣路節(jié)流孔直徑，由φ0.3mm增加到φ0.8mm，可以明顯改善產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性。

　　三是在產(chǎn)品空間允許的情況下，可以加大搖臂的長(zhǎng)度，可以減小作用在膜片組件上的氣動(dòng)力分量，從而降低對(duì)膜片組件的影響程度。

　　四是在先導(dǎo)閥輸出壓力允許、橡膠膜片能夠承受且產(chǎn)品不需要在較低壓力下進(jìn)行開(kāi)關(guān)特性的情況下，增大調(diào)壓彈簧剛度，相應(yīng)提高控制腔和反饋腔壓力，從而減小因作用在膜片組件上的氣動(dòng)力分量的變化對(duì)膜片組件的影響程度。

　　上述結(jié)論均已在×××高壓引控制閥上得到充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，效果明顯，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。