基于出口調制的氣體脈沖壓力發生方法研究

張鶴宇，李博，楊軍

(航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

隨著我國武器裝備由引進、仿制走向自主研發,動態壓力參數等一系列的武器裝備動態指標的測量越來越受到重視,尤其是在航空航天發動機領域,氣體動態壓力測量與校準需求與日俱增[1-3],主要體現在要求其測量量程越來越寬,測量精度越來越高。典型的動態壓力測量校準需求主要有以下幾個方面:①飛機表面動態壓力測量。飛機表面動態壓力是決定飛機整體動力性能的主要指標[4-5],同時也影響飛機的整體結構和動態響應等指標。此動態壓力是由飛機在飛行中與大氣相互作用而產生[6-7],其頻率與飛機表面金屬層蒙皮的固有頻率相近,會導致飛機進入共振狀態,縮短材料的使用壽命,嚴重影響飛行安全。②火箭整流罩表面動態壓力測量。由于火箭整流罩的固有頻率較低,當低頻動態壓力作用于火箭整流罩時,很容易引起共振[8-9],破壞其結構。此外,引起的噪聲,傳入內部,會影響儀器測量精度,甚至導致儀器損壞[10-11]。因此對火箭整流罩進行設計時要考慮動態壓力的影響。③爆炸沖擊波超壓測量。對爆炸沖擊波進行超壓測量是評價彈藥損傷效能的主要方式,其中,空氣爆炸沖擊波超壓的范圍為0.01～100 MPa,常見的燃料空氣炸藥、溫壓彈形成的爆炸沖擊波超壓在10 MPa以內。這些沖擊波超壓對人體會產生影響,需進行評價和防護。

在動態壓力測量中,通常使用壓阻式壓力傳感器或壓電式壓力傳感器[12],在某些特殊環境中,還需要通過壓力探針或帶引壓管腔的壓力測試系統進行測量[13-15]。校準壓力傳感器或測試系統對保證測量結果的準確度十分重要。壓電式壓力傳感器具有高動態、高靈敏度的優點,卻無法進行靜態標定(尤其是帶前置放大的壓電式壓力傳感器),需通過以半正弦壓力為代表的脈沖壓力對其進行動態靈敏度校準。現有的脈沖壓力校準裝置,其脈沖壓力發生裝置多以液體作為壓力介質,易于產生較大幅值的脈沖壓力,壓力幅值范圍為10～500 MPa[16]。但結合實際應用需求,中低壓作為壓力測量和校準的常用范圍,10 MPa以下的中低壓氣體脈沖壓力的發生仍需解決。

本文介紹了一種基于出口調制型方式的中低壓氣體脈沖壓力發生方法及發生裝置,可產生0～4 MPa的脈沖壓力,脈寬在15 ms以內,可有效解決中低壓氣體脈沖壓力的產生問題。

1 氣體脈沖壓力發生原理

壓力系統中流動的流體經過截面變化的閥門、狹縫及孔口等部分后發生壓力的變化,依靠改變流體通道的流通截面積大小可以調整流量,對于彈性流體,節流閥改變流量的同時也會改變壓力[17]。氣體脈沖壓力發生裝置即通過這種節流方式產生壓力信號,其閥孔可以近似為薄壁小孔[18],旋轉閥結構簡圖與運動狀態如圖1所示。

圖1 旋轉閥結構簡圖與運動狀態

由薄壁小孔節流原理可得閥口的流量特性為

式中:Q為閥口的流量;Cd為閥口流量系數,一般為0.6～0.8;A為閥口流通面積;ρ為氣體密度;ΔP為閥口前后壓差。

變換式(1)可得

出口調制型氣體脈沖壓力發生器數學模型如圖2所示,P1為進氣口壓力,A1為進氣口流通面積,容腔內壓力為P,P2和A2分別代表出氣口壓力和出氣口流通面積,且P2等于大氣壓。

圖2 脈沖壓力發生器數學模型

由式(2)可得進氣口流量和出氣口流量的表達式為

由入口質量流量和出口質量流量的關系可得

將式(3),(4)帶入式(5)可得

根據理想氣體狀態方程可知,在溫度恒定時關系式為

式中:P0為標準大氣壓;ρ0為標準大氣壓下的空氣密度。

將式(7)帶入式(6)可得

由式(8)可知,壓力P與出口流通面積A2有關,并可計算出壓差與流通面積的關系。

在脈沖壓力發生裝置中,帶方槽孔的轉子與帶圓孔出口的壓力室配合,當轉子轉動時,方槽孔、配合面、方槽孔依次切過圓孔,流通面積初始為最大值,然后逐漸變小到零,再由零增大到最大值,對應壓力室的壓力由零到最大值再減小到零的變化過程,從而產生脈沖壓力信號,原理如圖3所示。

圖3 出口調制原理圖

轉子的轉動會改變轉子和定子閥口重合面積,閥口重合面積最大時,設此時為初始時刻t0,如圖4所示。

最大流通面積為

式中:r為圓孔半徑。

隨著轉子運動,流通面積逐漸減小,到t1時刻,流通面積為最大流通面積的一半,即

圖4 轉子運動過程

在t0～t1時間段,其流通面積表達式為

當流通面積減小到0時,記該時刻為t2,t1～t2時間段,其流通面積表達式為

同理可得,后半個周期流通面積開始增大,記t3時刻流通面積為最大流通面積的一半,t4時刻達到最大流通面積。則t2～t3時間段段流通面積表達式為

t3～t4時間段流通面積表達式為

上述轉子運動過程為一個周期的運動過程,通過電機轉速可以計算轉子運動的線速度,進而得到流通面積隨時間變化的曲線,如圖5所示。

圖5 流通面積變化曲線

由式(8)可知,通過流通面積可以計算得到脈沖壓力隨時間變化的曲線,如圖6所示。

由圖6可知,壓差隨時間變化曲線近似于脈沖壓力,通過電機與驅動控制系統提高電機轉速,可使產生的脈沖壓力脈寬變窄。通過穩壓調壓機構改變進氣流量,可以產生不同幅值的脈沖壓力。

圖6 脈沖壓力變化曲線

上述理想狀態下產生的波形為氣體脈沖壓力的產生提供了可行性和理論依據,由于加工精度等因素的影響,實際產生的脈沖壓力波形與理想波形會存在一定差異。

2 氣體脈沖壓力發生裝置設計

氣體脈沖壓力發生裝置主要由電機、電機驅動器、電機控制器、變壓器、旋轉閥機構、穩壓調壓機構等組成,實現在壓力介質中產生脈沖壓力,同時可以通過電機進行調節和控制。氣體脈沖壓力發生裝置基本結構如圖7所示。

圖7 脈沖壓力發生裝置基本結構

氣體脈沖壓力發生裝置基于出口調制型方式產生,利用穩定氣流源和旋轉閥,通過電機的精密控制,在固定容腔中產生中小脈沖壓力。出口調制型氣體脈沖壓力發生裝置主要通過調制壓力室入口和(或)出口面積來產生脈沖壓力。出口面積的調制是通過電機帶動旋轉閥機構實現的。

脈沖壓力的幅值主要由調壓機構輸出的壓力決定,并受壓力室容積、出口調制類型與面積、壓力脈寬等影響。壓力脈寬可以通過電機帶動旋轉閥機構轉動速度來改變,整體工作原理如圖8所示。

圖8 脈沖壓力發生裝置工作原理圖

電機控制器可產生脈沖信號和連續性周期信號,輸出給電機使其按設定信號運作;電機通過傳動裝置帶動旋轉閥中的轉子一起運作;旋轉閥結構中存在定子和轉子,定子和轉子上都開有通孔,定子保持不動,轉子運動就會與定子產生通孔面積上的配合關系,從而對流經通孔的氣流進行切割,造成了轉子兩側不同的壓力差,從而產生壓力信號。

旋轉閥結構的設計包含轉子和定子的設計。轉子和定子的流通面積與開孔角度需通過脈沖壓力理論計算確定。設計定子結構時,需要考慮氣密性、定子與轉子摩擦、容腔大小的影響。壓力容腔盡量小可以有效增大壓力幅值和測量準確度,壓力容腔設計在定子內,頂端為進氣口連接高壓氣源與穩壓調壓機構,兩側端為測量壓力的通道,可以連接傳感器并提供激光測量通道,轉子與定子裝配結構如圖9所示。

圖9 轉子與定子配合結構圖

旋轉閥是脈沖壓力發生器的核心元件,其配套構件還包括軸承、外殼、間隙調節、消音裝置,整體的脈沖壓力發生器模擬裝置如圖10所示。

圖10 脈沖壓力模擬裝置

脈沖壓力的脈寬取決于轉子的旋轉速度,電機帶動轉子的速度不同,產生的脈沖壓力脈寬不同,轉子的運動周期表達式為

式中:N為轉子轉速,r/min;m為轉子上開孔數量。

由式(15)得到轉子轉速為

根據式(16)可計算轉子轉速,在傳動比1∶1的情況下,電機轉速至少要大于轉子轉速。

3 實驗驗證

電機在一定轉速下,控制進氣壓力,進行脈沖壓力發生裝置壓力幅值及脈寬的實驗驗證。通過電機驅動器進行參數設置,使電機分別在轉速為750,1200,1500 r/min三種條件下進行實驗,通過安裝的壓力傳感器測量脈沖壓力,經過數據采集系統得到了脈沖壓力隨時間變化的曲線。三個轉速條件下的脈沖壓力變化曲線如圖11所示。

圖11 不同轉速下脈沖壓力波形

通過圖11可以看到,通過該裝置得到的脈沖壓力波形與理想的半正弦脈沖壓力仍存在一定的差別,在上升過程中壓力變化不均勻,這與裝置的密封性和進氣流量控制等問題有關。

針對進氣流量控制問題,將之前使用的普通減壓閥換成恒流減壓閥,保持氣體流量穩定。通過電機驅動器使電機在750 r/min的轉速下進行實驗,得到了如圖12所示的脈沖壓力波形。

圖12 750 r/min下脈沖壓力波形

由圖12與圖11(a)對比可得,更換減壓閥后得到的脈沖壓力波形更為平滑,但在曲線上升過程中仍存在失真,波形不對稱的問題仍存在。由此可得,進氣流量不是導致波形失真的主要問題。

針對裝置密封性問題,在發生裝置上下蓋銜接處安裝了O型圈,提高了裝置的密封性。通過實驗得到了如圖13所示的脈沖壓力波形圖。

圖13 優化后的脈沖壓力波形

由圖13可知,壓力波形得到了明顯改善,上升過程的失真消除,與下降過程基本對稱,整體波形更接近于半正弦。但仍存在局部畸變,主要在0～7 ms以及20 ms以后,分別對應脈沖壓力上升前和脈沖壓力下降后。后期還將繼續對脈沖壓力發生器中旋轉閥的受力情況進行系統的分析,進而改進結構設計,從而增強信號的信噪比。另一方面,嘗試改進電機控制系統進行步進控制,快速實現轉子旋轉的啟動和停止,從而產生更為平穩的波形。

綜上所述,設計的中低壓氣體脈沖壓力發生裝置可以實現幅值4 MPa以下、脈寬15 ms以內的脈沖壓力,如表1所示。

表1 不同轉速下脈沖壓力幅值與脈寬

4 結論

研制了氣體脈沖壓力發生裝置出口調制型方式,利用穩定氣流源和旋轉閥,通過電機的精密控制,在固定容腔中產生中低脈沖壓力。實現了4 MPa以下、脈沖寬度15 ms以內的脈沖壓力的產生。針對產生的脈沖壓力波形不理想的問題,首先通過恒流減壓閥加強進氣流量的控制,再對發生裝置進行優化,提高其密封性,從而得到較為理想的脈沖壓力波形。后續將繼續對發生裝置的結構進行優化設計,對電機控制系統的控制方式進行研究,以產生更理想的脈沖壓力波形。