環形通道排氣流量調節裝置設計研究

武俊虎，薛洪科，楊曉光，李云輝，劉哲，黃琨

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

動力源試驗器可以模擬真實試驗件的工作環境，可以方便、靈活、精確地獲取真實的動力源試驗器的全轉速范圍的工作狀態和氣動性能數據，高效地解決輪盤試驗件氣動匹配問題，研究試驗件高低壓匹配和氣動穩定技術的試驗能力，為反映試驗件的實時工作狀態，要求排氣系統環形通道的流量調節裝置盡可能接近試驗件的出口，而試驗件出口流道是以試驗件旋轉軸線為中心的類似雙層喇叭口的環形通道，在試驗時壓縮空氣介質溫度較高，又帶有一定的壓力，在試驗件出口端通過設計研究一種新型的流量調節裝置，改變壓縮空氣的流通面積，調節試驗件在工作范圍內特定轉速下的工作狀態，將顯著縮短動力源的研制周期。本文主要設計研究一種新型試驗排氣流量調節裝置，需具備承受排氣壓力高、泄漏量很小、調節特性好、可靠性高等優點。

1 工況要求及方案對比初步分析

動力源試驗器主要用于驗證輪盤試驗件部件的性能和穩定性，其排氣壓力一般不大于3.0 MPa；排氣溫度一般不高于700 ℃。為反映試驗件的實時工作狀態，要求排氣系統的流量調節裝置盡可能接近試驗件的出口，而試驗件出口流道是以高速旋轉的試驗件旋轉軸線為中心的類似雙層喇叭口的環形排氣通道，所以此處流量調節裝置通常為環形結構，常見的結構有“蝶板式流量調節裝置”、“旋轉盤式流量調節裝置”等形式。

“蝶板式流量調節裝置”調節方式是由壓縮空氣通道內周向均布的圓環形蝶板，沿各自軸線轉動實現流量調節裝置開閉調節。蝶板式流量調節裝置及傳動結構示意圖如圖1所示。蝶板式閥板局部示意圖如圖2所示。由于排氣溫度較高，原形蝶板和閥體之間需使用硬密封材料，不能采用軟密封作為密封材料，因此蝶板同基體之間的間隙相對比較大，造成壓縮空氣的氣流量泄漏較大，形成不了高壓工況狀態，一般多適用于低壓試驗工況的場合，另外由于蝶板式流量調節排氣閥，其調節特性為等百分比調節特性，非線性調節，調節精度比較低，不利于輪盤試驗件流量特性的調節。蝶板式閥板流量特性示意圖如圖3所示。

圖1 蝶板式流量調節裝置及傳動結構示意圖

圖2 蝶板式閥板局部示意圖

圖3 蝶板式閥板流量特性示意圖

“旋轉盤式流量調節裝置”調節方式是通過旋轉動盤和固定不動的靜盤相互剪切轉動，通過靜盤的輻射狀特殊開孔設計，轉動時動盤逐漸改變壓縮空氣的流通面積，實現了試驗件排氣流量的調節，旋轉盤式流量調節裝置示意圖如圖4所示。由于固定靜盤和旋轉動盤的間隙較小，調整相對容易，所以該種形式的流量調整裝置密封性較好，但是在高壓的工況狀態下，旋轉動盤因尺寸規格較大，必然受到的氣動壓力較大，而且高溫工作時熱變形也較大，很容易發生動盤和靜盤卡滯甚至出現卡死的情況現象，造成流量調節裝置不能正常工作。當試驗件出現喘振現象且急需要流量調節裝置快速打開時，而發生動盤和靜盤卡死現象是非常危險的，必然造成嚴重事故。另外，旋轉盤式流量調節裝置方式所占據的軸向長度也相對較長，不便于縮短傳動軸系的軸向長度，增加了傳動軸系設計難度。

圖4 旋轉盤式流量調節裝置示意圖

因此通過對比分析可知，以上兩種流量調節裝置方式不太適合全臺輪盤試驗件特性試驗工作，需要設計一種新型輪盤試驗件性能試驗流量調節裝置，克服以上所述的技術缺陷，并且需具有可承受排氣壓力高、泄漏量小、高溫工況下變形小、不能發生卡滯、調節特性好等特點，適合在高排氣溫度和壓力下工作。

2 排氣流量調節裝置設計研究

在輪盤試驗件的特性試驗中，影響喘振邊界的兩個主要因素為：輪盤試驗件后的排氣節流容積腔和逼喘速度。排氣容積腔大，參與喘振的氣流較多、能量較大，很容易提前誘發試驗件喘振；另外逼喘速度快，則對喘振前的高能氣流的擾動較大，輪盤試驗件也很容易提前發生喘振。輪盤試驗件試驗器中排氣節流容積腔的大小取決于排氣流量調節排氣閥門的位置。只有在較小試驗件排氣容積腔的情況下，才能真實再現輪盤試驗件機的喘振特性，所以將排氣流量調節排氣閥門設置在輪盤試驗件后的排氣道上，才能減小排氣容積腔，以保證真實模擬實際輪盤試驗件的包容體積。通過對試驗工況分析，輪盤試驗件試驗時排氣壓縮空氣介質溫度較高，又帶有較高的氣體壓力，結合類似雙層喇叭口的環形試驗件出口流道分析，研究設計一種新型的流量調節裝置，閥芯采用圓柱形中間設置長方形孔的方式，閥芯沿圓周均布[1-2]，使用液壓伺服作動筒進行驅動控制[3]，確保流量調節排氣閥芯響應的速度和響應的時間。 流量調節裝置及傳動結構示意圖如圖5所示，流量調節排氣閥芯剖視圖如圖6所示。本流量調節排氣閥布置形式可以節省試驗器軸系的軸向空間，便于縮小輪盤動力源整個試驗器主體軸系的軸向空間長度，大大降低了試驗器軸系設計難度；每組可以交替小幅的關閉，在保證輪盤試驗件排氣均勻性的前提下，可減小圓柱形閥芯的調節步長，達到排氣節流面積的微調效果。

圖5 流量調節裝置及傳動結構示意圖

圖6 流量調節排氣閥芯剖視圖

流量調節裝置主要由液壓作動筒、滑動板、滑動軌道、限位塊、連桿、流量調節排氣閥芯、刻度盤等組成[4]。流量調節排氣閥芯沿圓周成環形陣列布置，根據調節的試驗件試驗產生的高溫氣體流量以及結構總體要求等，進行閥芯的開孔設計及整體的布局設計，考慮到調節的靈活性，對流量調節排氣閥芯可進行分組控制也可進行整體聯合控制。整圈流量調節排氣閥芯一般設計為2～6組?，F以1組為例進行說明。

液壓作動筒尾端固定在排氣道上，伸縮端與固定在滑動板上安裝座連接，液壓作動筒兩端均采用鉸鏈連接形式，連接處內置關節軸承。進行液壓作動筒選型設計時需考慮每組驅動的流量調節排氣閥的數量，根據試驗件試驗工況所要求的壓力、流量等計算出驅動閥芯的力矩，再根據曲柄連桿機構傳動計算出所有閥芯的總驅動力，根據計算出的總驅動力、一定的安全系數、圓柱形閥芯的轉動角度范圍等，進行液壓驅動作動筒的選型。液壓作動筒選型主要結構部件及參數是活塞直徑、活塞桿直徑及額定工作壓力、額定工作行程，還需約定好液壓作動筒的位置傳感器供電電壓、電流模擬輸出量等。液壓作動筒示意圖如圖7所示。

圖7 液壓作動筒示意圖

滑動軌道為整體環形不銹鋼加工件，用螺栓固定在排氣道上?；瑒榆壍劳ㄟ^導軌調整墊圈同排氣道連接在一起?；瑒訉к壥疽鈭D如圖8所示。

圖8 滑動導軌示意圖

滑動板通過輪軸、螺栓、滾動軸承等與滑動軌道結合在一起，并由液壓缸驅動沿圓形軌道自由滑動，帶動圓柱形閥芯進行開關，滑動板旋轉角度范圍應對應圓柱形閥芯從完全打開（100%）狀態至完全關閉狀態（0%），輪軸同流量調節排氣閥芯要一一對應?；瑒影迨疽鈭D如圖9所示。

圖9 滑動板示意圖

限位塊安裝在滑動軌道上，當滑動板超出工作行程時，滑動板與限位擋塊接觸，對滑動板進行行程機械限制，保證了試驗件試驗控制的安全性。每個流量調節排氣閥芯通過兩個連桿與滑動板連接，連桿示意圖如圖10所示。連接處均采用鉸鏈連接形式，內置關節軸承。兩個連桿同流量調節排氣閥芯要一一對應。

圖10 連桿示意圖

流量調節排氣閥芯安裝在排氣道的閥座腔內，它由閥體、小螺母、密封墊圈、墊片、大螺母，耐高溫深溝球軸承[4]和薄螺母等組成，為了精準調節高溫壓縮空氣流量，流量調節排氣閥芯開孔大小按照實際調節流量進行設計。流量調節排氣閥芯設計時需考慮從完全打開（100%）狀態到完全關閉（0%）狀態，圓柱形閥芯的轉動角度范圍，為了保證圓柱形閥芯在工作過程中的密封效果，圓柱形閥芯在到達關閉狀態（0%）后需要考慮繼續多轉動一定的角度。

工作時，液壓作動筒驅動滑動板在滑動軌道內滑動，再通過連桿的擺動帶動流量調節排氣閥芯作回轉運動，從而起到調節輪盤試驗件的高溫排氣流量，實現了試驗器工作范圍內特定轉速下的工作狀態?？潭缺P則有助于判斷流量調節排氣閥閥位。

設計時應當精確計算出液壓作動筒行程與流量調節排氣閥總開度，以及液壓作動筒行程與流量調節排氣閥總流通面積之間的參數關系，主要為輪盤試驗器后續流量調節特性提供必要的技術支持。以設計完的輪盤試驗器為例，液壓作動筒行程與流量調節排氣閥總開度曲線如圖11所示。

圖11 液壓作動筒行程與流量調節排氣閥開度曲線圖

根據圖11中數據，由Minitab軟件擬合出液壓作動筒行程與流量調節排氣閥總開度關系如下：

式中：X為液壓作動筒行程，mm；K為流量調節排氣閥總開度，%。

由Minitab軟件擬合出液壓作動筒行程與流量調節排氣閥總流通面積關系如下：

式中：X為液壓作動筒行程，mm；A為流量調節排氣閥總流通面積，mm2。

由圖11中可看出，采用本流量調節裝置特性好，流量調節排氣閥開度和推桿的行程近似成線性比例。調節規律與輪盤試驗器工作范圍內特定轉速下的工作狀態和試驗性能特性正好相匹配，滿足輪盤試驗使用要求。

由于流量調節裝置有液壓作動筒、旋轉部件、緊急響應電磁閥等，而且是分組驅動的，要求各組液壓作動筒同步性要好，為了能順利進行輪盤試驗件性能特性試驗，在調試前需首先進行液壓系統調試檢驗。作動筒液壓驅動系統的液壓油需經過反復循環過濾，防止雜質堵塞液壓伺服閥，油品顆粒度一般需達到7級以上，才具備調試的條件。首先需對流量調節排氣閥進行靜態調試。流量調節排氣閥門液壓站的控制采用本地和遠程兩種方式，本地控制箱安裝在液壓間，分別對液壓站進行本地和遠程調試檢查。先將流量調節排氣閥液壓系統供油壓力設定為所要求的壓力，在該液壓驅動壓力下，檢查各油泵、電磁閥門等是否動作正常，檢查本地和遠程控制是否有效互鎖，即在“本地”位時，只能在操作箱啟動和停止各個油泵，在上位機不能啟動和停止各個油泵，在“遠程”位時，只能在上位機啟動和停止各個油泵，在操作箱不能啟動和停止各個油泵。分別檢查流量調節排氣閥門液壓站各個油泵啟動正常后，查看流量調節排氣閥門液壓站的各個反饋信號能否在上位機上正確顯示，模擬油站故障信號和報警信號，查看上位機能否正確顯示油站故障信號和報警信號，將采集到的流量調節排氣閥門液壓站壓力、溫度、流量等模擬量信號工程化顯示在上位機上，查看顯示的數值是否正確。流量調節排氣閥門液壓站的油箱如果配有電加熱器，需采用單變量控制回路，具有溫度自動調節功能。在上位機設定好油箱滑油溫度，啟動循環泵和電加熱器開始加熱，系統自動控制加熱器和冷卻水閥，查看流量調節排氣閥門液壓站的油溫是否能夠穩定在設定溫度范圍以內。分別在操作臺上按下緊急響應按鈕、在上位機點動流量調節排氣應急響應閥，查看應急響應閥門是否開啟。流量調節排氣閥開關動作自如，應無卡滯現象，流量調節排氣閥開關行程為0%～99%。應急響應時流量調節排氣閥門全開/全關時間應不大于2 s。調試過程中主要對流量調節排氣閥常規調節功能、應急響應開/關轉換功能、試驗過程可操作性檢驗及應急邏輯、應急響應等功能進行檢查。其次需經過帶載試驗驗證和多次結構、控制邏輯上的完善，保證流量調節排氣閥門調節安全、有效；流量調節排氣閥門應急響應邏輯正確，動作迅速、準確。在調試過程中液壓作動筒若發生卡滯現象，如在全開或全關極限位置卡滯，可能原因是液壓管路內有污物，需要反復清洗液壓伺服閥和油管路；需要在伺服閥門前端安裝過濾器；液壓作動筒全開、全關位置調整限位擋塊位置，將其行程限制在節氣門工作范圍內，避免聯動機構受損。

3 結論

本文主要設計研究一種新型流量調節排氣閥結構，可承受輪盤試驗件排氣的高溫、高壓，且流量調節排氣閥門承受的徑向力分散到每個小閥組的滾動軸承上，單個軸承承受的徑向力很小，增加了流量調節排氣閥門的工作可靠性，適合在高排氣溫度和高壓力下工作。本流量調節排氣閥布置形式還可以節省軸向空間，便于縮短整個軸系的軸向長度，降低軸系設計難度；每組閥門交替小幅關閉，在保證排氣均勻性的前提下，可減小閥門調節的步長，達到排氣節流面積微調的效果。該試驗件試驗排氣流量調節裝置具備承受排氣壓力高、泄漏量小、無卡滯、調節特性好、可靠性高的優點，可供管道節流設計領域的工程技術人員借鑒參考，設計出可靠性高的產品。