一种气动发动机进气控制阀的仿真与试验

练永庆, 田兵, 陈宜辉



一种气动发动机进气控制阀的仿真与试验

练永庆, 田兵, 陈宜辉

(海军工程大学 兵器新技术应用研究所, 湖北 武汉, 430033)

为了满足气动发动机对不同进气流量的需求, 在原有机械式发射阀基础上改进设计了一种可改变发动机进气流量的进气控制阀。进行了进气控制阀的试验系统设计, 建立了试验系统的数学模型, 并进行仿真试验。在此基础上组建试验系统并进行该阀的调节试验研究。试验系统的仿真与试验结果表明, 进气控制阀的设计与理论分析模型是正确的, 该试验系统可用于气动发动机的联合仿真与试验研究。

气动发动机; 进气控制阀; 试验系统; 仿真

0 引言

斜盘式气动发动机[1](以下简称发动机)是为满足特殊工作环境需求而设计的一种新型气动发动机。该发动机是一种以高压空气为工质的多次、短时工作制机器(工作次数可达万次以上, 每次工作时间仅为2 s左右), 能在短时间内快速启动, 并输出相应的力矩。该发动机可通过改变进气压力获得不同的动力特性。为了满足发动机这种工作特性, 在原潜艇鱼雷发射装置机械式进气控制阀基础上, 设计了一种可调节发动机进气流量的进气控制阀。该阀在给定气瓶初始压力情况下, 可根据发动机不同工况需求改变发动机进气流量。

在该阀研制完成后, 需开展相关试验对该阀的调节性能进行验证, 其目的一是检验该阀的动作可靠性与调节性能; 二是根据试验结果检验阀的理论分析模型并进行修正, 为后续与发动机的联合试验做准备。为此开展进气控制阀试验系统的设计, 并进行试验系统工作过程的建模与仿真, 最后组建试验系统并进行试验。

1 进气控制阀结构组成与试验系统设计

1.1 进气控制阀结构组成

发动机进气控制阀的基本结构如图1所示, 主要由阀体、缓冲器及针阀三部分组成。在控制阀打开过程中, 缓冲器通过控制阀芯的运动来控制阀的开启面积变化规律, 进而控制发动机的进气规律。而缓冲活塞运动速度的调整则可通过调节针阀的流通面积来实现。

图1 进气控制阀原理图

1.2 进气控制阀试验系统设计

在与发动机进行联合试验前需先进行进气控制阀的试验, 为此设计其试验系统(见图2)。

图2 进气控制阀试验系统原理图

在进气控制阀试验系统中, 气瓶1为试验用气源。气瓶2主要用于接收进气控制阀排出的空气。在试验系统中用压力传感器测量进气控制阀工作中气瓶的压力变化, 阀芯的顶杆用连接杆通过连接杆连接位移传感器来测量阀芯运动位移。

试验系统的工作原理为: 在试验前, 要完成气瓶1充气以及缓冲器注水工作。气瓶充气时电磁阀2关闭, 电磁阀1打开, 气瓶1的空气经过单向阀、三通, 进入控制阀阀芯(见图2)的背腔, 在阀芯弹簧弹力和气瓶气体压力作用下控制阀关闭, 气瓶1压力越大, 阀关闭得越紧。缓冲器注水是将与控制阀联通的截止阀打开, 注水水瓶给缓冲器的活塞腔注水, 直至检查水瓶有水出现, 再关闭截止阀。发动机要工作时, 电磁阀1关闭, 电磁阀2打开, 将阀芯背腔中的空气排到大气中, 这时作用在阀芯的气体力大于弹簧弹力, 阀芯向上运动, 控制阀打开, 气瓶1中的高压空气进入气瓶2。试验结束时气瓶2中的空气排到大气中。

2 进气控制阀试验系统数学模型

试验系统数学模型主要包括进气控制阀模型与气瓶模型。

2.1 进气控制阀模型

1) 流经控制阀的气体流量模型

气瓶1中的空气经控制阀流进气瓶2的空气流量可按照准稳态概念进行计算。假设气体的流动过程是等熵的, 根据空气动力学理论[2], 气瓶1和2之间的空气流量为

2) 进气控制阀特形孔开启面积计算模型

根据发动机气动系统联合仿真结果所设计的进气控制阀特形孔形状如图3所示。

图3 进气控制阀特形孔形状图

式中,0为阀芯开始运动到特形孔打开时阀芯运动的距离。

3) 控制阀阀芯运动数学模型

在控制阀打开的过程中, 阀芯与缓冲活塞的惯性力比起作用于其上的力要小得多, 可以略去。因此, 阀芯的开启速度只取决于缓冲器中的水经活塞上腔流出针阀外的体积流量。控制阀阀芯上升的速度与活塞工作面积的乘积, 则是水经活塞上腔流向针阀外的体积流量。另外, 控制阀阀芯的行程有限, 它的上升行程达到极限行程后就不能动了, 因此控制阀阀芯运动速度可表示为

式中: x为阀芯的位移; xm为阀芯的极限行程; Shs为缓冲器活塞面积, ; Szf为针阀处流通面积, Szf =p d1hsina(1-hsin 2a/2 d1), h, d1及a见图4; rd为缓冲器内水的密度; pq为缓冲活塞下腔中的瞬间压强; jo为针阀处间隙流量系数。

针阀处的流量系数的大小与针阀处的雷诺数、阀座倒角长度、针阀阀芯到阀座的距离有关, 其关系表达式如下

式中, 雷诺数表达式以及0,值的选取参见文献[3]。对针阀处的流量系数以及雷诺数的计算方法为: 以最大流量系数计算流量、压力、雷诺数初值, 用流量表达式、雷诺数表达式、压力方程以及流量系数方程逐次逼近流量、压力、雷诺数和流量系数[4]。

p是控制阀阀芯运动速度计算的关键。可按下式计算

2.2 气瓶模型

该模型用于描述试验系统工作过程中, 气瓶中气体的压力、温度以及质量的变化。由于试验系统工作时间很短(2 s左右), 因此假设气瓶的供气过程为绝热过程, 由气体热力学定律推导有[5]

若忽略气体的泄漏, 根据质量守恒定律有

3 进气控制阀的仿真与试验

根据以上建立的试验系统数学模型, 以4阶龙格-库塔算法作为求解微分方程的基本算法, 编制仿真程序。在给定初始条件下, 运用仿真程序即可对试验系统工作过程进行仿真。

在进气控制阀加工完成后, 依据所设计的试验系统图(见图2), 组建了试验系统, 并进行了试验。

3.1 试验系统的试验与仿真结果

为摸索进气控制阀的动作与流量调节特性, 试验中对不同气瓶的充气压力、不同的针阀高度都进行了试验。这里仅给出部分试验与仿真结果。

图5 , h=2 mm时气瓶1压力

图6 , h=2 mm时气瓶2压力

图7 , h=2 mm时阀芯位移

图8 , h=4 mm时气瓶1压力

图10 , h=4 mm时阀芯位移

图11 , 不同针阀高度时气瓶1压力

图12 , 不同针阀高度时气瓶2压力

图13 , 不同针阀高度时阀芯位移

3.2 试验与仿真结果分析

通过试验与仿真结果分析, 得出以下结论。

1) 进气控制阀的试验结果与理论仿真结果基本接近, 这说明进气控制阀的设计与理论分析模型是基本正确的。

2) 进气控制阀在试验中能够可靠地开关, 这说明进气控制阀控制气路的设计是成功的。

3) 在试验中, 同一初始条件下的试验一般做2~3次。从试验结果来看, 每次试验气瓶1和2的压力与进气控制阀阀芯位移的变化曲线是基本一致的, 这说明进气控制阀的工作性能是稳定的。

4) 在试验中, 不同气瓶压力、不同针阀高度条件下的试验结果表明, 该进气控制阀可调节气瓶1进入气瓶2的气体流量, 见图6～图13。因而, 在使用时可通过调节发射气瓶的初始压力与针阀的高度来获得所需进气流量。

5) 进气控制阀的气路存在一个气路延时, 试验中最大延时可达1s(为了与试验结果对比, 图中的仿真结果相应增加了这个延时)。该延时是由控制气路的气容造成的, 而且延时时间与气瓶压力有关, 气瓶初始压力越大则延时时间越短。

4 结束语

以进气控制阀试验系统设计为基础, 通过进行仿真与试验, 对该阀的动作可靠性、调节性能、理论模型等进行了验证。仿真结果与试验结果对比表明, 该阀的设计及其理论分析模型是基本正确的, 通过改变气瓶初始压力或针阀高度可满足发动机不同工况对空气流量需求。

[1] 练永庆, 王树宗. 斜盘式气动发动机动力学仿真[J]. 机械工程学报, 2008, 44(1): 243-248.

Lian Yong-qing, Wang Shu-zong. Dynamic Simulation of the Air-powered Swashplate Engine[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(1): 243-248.

[2] 王保国, 刘淑艳. 气体动力学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2005: 104-106.

[3] 何存兴.液压元件[M].北京: 机械工业出版社,1982: 396-397.

[4] 姜福祥, 郁凯元. 变流量系数模型对先导式溢流阀静态仿真结果影响的研究[J], 机床与液压, 2003, 31(2): 174-176. Jiang Fu-xiang, Yu Kai-yuan.The Research on the Effect of Variable Discharge Coefficient Models on the Results of Steady-State Simulation of Pilot Relief Valve[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2003, 31(2): 174-176.

[5] 王树宗, 练永庆, 陈一雕. 气动式水下武器发射装置内弹道数学模型[J]. 弹道学报, 2003, 15(1): 21-26. Wang Shu-zong, Lian Yong-qing, Chen Yi-diao. The Mathemaitc Model of the Underwater Compressed-air Launcher[J]. Journal of Ballistics, 2003, 15(1): 21-26.

Simulation and Experiment of an Inlet Control Valve for Air Powered Engine

LIAN Yong-qing, TIAN Bing, CHEN Yi-hui

(New Weaponry Technology & Application Research Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To satisfy different flow rate demand of air powered engine, a new kind of inlet control valve is designed for the engine with variable flow based on the original mechanical launching valve. An experimental system of the inlet control valve is designed, a mathematical model of the experimental system is established, and simulation is performed. Consequently, the experimental system is set up, and the inlet control valve is tested. The simulation and experimental results indicate the rationality and validity of the design and the theoretical analysis of the inlet control valve. This experimental system may be used in joint simulation and experiment of the air powered engine.

air powered engine; inlet control valve; experiment system; simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2011)02-0236-05

2010-11-05;

2010-12-25.

练永庆(1973-), 男, 博士, 讲师, 主要研究方向为鱼雷动力与水下发射技术.

(责任编辑: 许 妍)