渦流閥調(diào)節(jié)特性冷流實(shí)驗(yàn)研究*

孫 兵，楊振華，權(quán)維利，戚 軍

(中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院第41所，呼和浩特 010010)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力調(diào)節(jié)技術(shù)是其重要的發(fā)展方向之一，也是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)強(qiáng)生存能力、多任務(wù)平臺(tái)、高攔截能力的重要的技術(shù)途徑之一。截止目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者探索出了很多實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小調(diào)節(jié)的技術(shù)途徑和設(shè)計(jì)方案［1-2］。其中，渦流閥方案由于其具有軟調(diào)節(jié)、無(wú)動(dòng)密封問(wèn)題、調(diào)節(jié)范圍較大以及響應(yīng)較快的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。I.Greenberg等人［3］利用冷氣進(jìn)行了渦流閥調(diào)節(jié)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算方法研究。Rolf K.Brodersen等人［4］進(jìn)行了渦流閥構(gòu)型設(shè)計(jì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了9∶1的最大調(diào)節(jié)比。R J Woolhouse等人［5］利用工作介質(zhì)為空氣的實(shí)驗(yàn)器和CFD技術(shù)研究了流體渦流放大器性能。國(guó)內(nèi)一些院校、企業(yè)也開展了相關(guān)工作［2，6-11］，涉及方案分析、原理實(shí)驗(yàn)、推力計(jì)算方法以及地面原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)等。由目前的研究可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究方面主要以熱試車為主，但也有研究人員嘗試使用全冷流進(jìn)行渦流閥方案性能的實(shí)驗(yàn)研究及參數(shù)計(jì)算，并且證明了使用冷流方法完全可行。文中利用全冷流方法針對(duì)渦流閥方案的響應(yīng)性能及調(diào)節(jié)能力開展了試驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 冷流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 渦流閥結(jié)構(gòu)

為了能夠更好的掌握渦流閥的調(diào)節(jié)性能及響應(yīng)特性，利用冷流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)對(duì)固定結(jié)構(gòu)的渦流閥實(shí)驗(yàn)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過(guò)改變控制流的路數(shù)、控制流的壓強(qiáng)研究渦流閥的性能影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由主流模擬氣源、控制流模擬氣源、渦流閥實(shí)驗(yàn)器、時(shí)序控制器、數(shù)據(jù)采集器及閥門管路等組成。主流模擬氣源和控制流模擬氣源采用壓縮氮?dú)庠矗饕蓺馄俊R流排、減壓器等組成;渦流閥實(shí)驗(yàn)器(見(jiàn)圖2)采用固定幾何結(jié)構(gòu)，4個(gè)控制流接口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行控制流接口數(shù)量的使用;時(shí)序控制器主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的開關(guān)閥門的打開、關(guān)閉時(shí)刻的控制;數(shù)據(jù)采集器主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中主流模擬氣源、控制流模擬氣源和渦流室的壓強(qiáng)信號(hào)的采集;控制流模擬管路中設(shè)置有氣流分流器，分流器可以將控制流分成多股送進(jìn)渦流閥實(shí)驗(yàn)器，根據(jù)工況要求可以實(shí)現(xiàn)1股、2股、3股及4股氣流的分配。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)置了3個(gè)壓強(qiáng)采集點(diǎn)，設(shè)置位置分別為主流模擬管路中減壓器和截止閥的中間、控制流模擬管路中分流器以及渦流閥渦流室內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了更好的說(shuō)明渦流閥方案的性能，定義4個(gè)性能參數(shù)來(lái)表征:壓強(qiáng)調(diào)節(jié)比、效費(fèi)比、響應(yīng)時(shí)間以及升壓速率。壓強(qiáng)調(diào)節(jié)比定義為渦流室內(nèi)控制流噴入后的壓強(qiáng)和噴入前壓強(qiáng)的比值;效費(fèi)比定義為主流氣源壓強(qiáng)的變化量與控制流壓強(qiáng)的比值，表征單位壓強(qiáng)的控制流所能實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)能力;響應(yīng)時(shí)間為渦流室壓強(qiáng)在控制流噴入后調(diào)節(jié)上升段的響應(yīng)時(shí)間，由開始上升變化的起點(diǎn)到變化到穩(wěn)定值的90%的點(diǎn)所需時(shí)間，具體的定義如圖3所示;升壓速率定義為渦流室壓強(qiáng)變化量與時(shí)間的比值，表征渦流室壓強(qiáng)變化的快慢。

圖3 響應(yīng)時(shí)間定義圖

為了獲得不同工況下渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能，分別開展了4股氣流、3股氣流和2股氣流作為控制流的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，渦流室的壓強(qiáng)-時(shí)間曲線如圖4所示。

由表1可以看出，工況test4-1與test3-1調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)比較接近，工況test4-1的控制流壓強(qiáng)高于工況test3-1，工況test4-1供應(yīng)路數(shù)比工況test3-1的多一路;工況test3-1與test3-3調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)比較接近，工況test3-3的控制流壓強(qiáng)高于工況test3-1;工況test3-2與 test2-1調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)以及控制流的壓強(qiáng)比較接近，工況test3-2的控制流供應(yīng)路數(shù)比工況test2-1的多一路;工況test2-1與test2-2調(diào)節(jié)前的工作參數(shù)比較接近，工況test2-2的控制流壓強(qiáng)高于工況test2-1。由表1可以看出，不管噴入控制流前主流和渦流室的壓強(qiáng)為多少，噴入控制流后的壓強(qiáng)都與控制流壓強(qiáng)接近，也就說(shuō)控制流的壓強(qiáng)決定了調(diào)節(jié)的壓強(qiáng)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 渦流室壓強(qiáng)-時(shí)間曲線圖

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，工況test4-1的調(diào)節(jié)比、效費(fèi)比以及升壓速率都大于工況test3-1，但是工況test4-1的響應(yīng)時(shí)間要大于工況test3-1，這說(shuō)明提高控制流的壓強(qiáng)和流量有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能;工況test3-3的的調(diào)節(jié)比、效費(fèi)比以及升壓速率都大于工況test3-1，這說(shuō)明提高控制流的壓強(qiáng)有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能，由工況test2-1與test2-2的比較也可以說(shuō)明該結(jié)論;工況test3-2的調(diào)節(jié)比、效費(fèi)比以及升壓速率都大于工況test2-1，這說(shuō)明提高控制流的流量有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能。

由表1可以看出，工況test4-1和工況test2-1的壓強(qiáng)變化量接近，工況test4-1的升壓速率要高于工況test2-1，這說(shuō)明提高控制流的壓強(qiáng)和流量有利于提高渦流閥方案的響應(yīng)特性;工況test3-2和工況test3-3的壓強(qiáng)變化量接近，工況test3-3的升壓速率要高于工況test3-2，這說(shuō)明提高控制流的壓強(qiáng)有利于提高渦流閥方案的響應(yīng)特性。

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可以獲得以下結(jié)論:

1)控制流壓強(qiáng)決定了渦流閥方案調(diào)節(jié)后發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓強(qiáng);

2)提高控制流的壓強(qiáng)和流量有利于提高渦流閥方案的調(diào)節(jié)性能;

3)在壓強(qiáng)變化量相當(dāng)?shù)那闆r下，提高控制流的壓強(qiáng)和流量有利于提高渦流閥方案的響應(yīng)性能。

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