涡流阀调节特性冷流实验研究*

孙 兵，杨振华，权维利，戚 军

(中国航天科工集团第六研究院第41所，呼和浩特 010010)

0 引言

固体火箭发动机的推力调节技术是其重要的发展方向之一，也是实现武器系统强生存能力、多任务平台、高拦截能力的重要的技术途径之一。截止目前，国内外学者探索出了很多实现固体火箭发动机推力大小调节的技术途径和设计方案［1-2］。其中，涡流阀方案由于其具有软调节、无动密封问题、调节范围较大以及响应较快的优点而备受关注。I.Greenberg等人［3］利用冷气进行了涡流阀调节固体发动机的参数计算方法研究。Rolf K.Brodersen等人［4］进行了涡流阀构型设计的理论分析和实验研究，实现了9∶1的最大调节比。R J Woolhouse等人［5］利用工作介质为空气的实验器和CFD技术研究了流体涡流放大器性能。国内一些院校、企业也开展了相关工作［2，6-11］，涉及方案分析、原理实验、推力计算方法以及地面原理样机实验等。由目前的研究可以发现，实验研究方面主要以热试车为主，但也有研究人员尝试使用全冷流进行涡流阀方案性能的实验研究及参数计算，并且证明了使用冷流方法完全可行。文中利用全冷流方法针对涡流阀方案的响应性能及调节能力开展了试验研究。

1 实验系统

图1 冷流实验系统

图2 涡流阀结构

为了能够更好的掌握涡流阀的调节性能及响应特性，利用冷流实验系统(见图1)对固定结构的涡流阀实验器进行了实验。通过改变控制流的路数、控制流的压强研究涡流阀的性能影响。实验系统主要由主流模拟气源、控制流模拟气源、涡流阀实验器、时序控制器、数据采集器及阀门管路等组成。主流模拟气源和控制流模拟气源采用压缩氮气源，主要由气瓶、汇流排、减压器等组成;涡流阀实验器(见图2)采用固定几何结构，4个控制流接口，根据实验工况进行控制流接口数量的使用;时序控制器主要实现系统中的开关阀门的打开、关闭时刻的控制;数据采集器主要进行实验中主流模拟气源、控制流模拟气源和涡流室的压强信号的采集;控制流模拟管路中设置有气流分流器，分流器可以将控制流分成多股送进涡流阀实验器，根据工况要求可以实现1股、2股、3股及4股气流的分配。实验系统中设置了3个压强采集点，设置位置分别为主流模拟管路中减压器和截止阀的中间、控制流模拟管路中分流器以及涡流阀涡流室内。

2 实验结果及分析

为了更好的说明涡流阀方案的性能，定义4个性能参数来表征:压强调节比、效费比、响应时间以及升压速率。压强调节比定义为涡流室内控制流喷入后的压强和喷入前压强的比值;效费比定义为主流气源压强的变化量与控制流压强的比值，表征单位压强的控制流所能实现的调节能力;响应时间为涡流室压强在控制流喷入后调节上升段的响应时间，由开始上升变化的起点到变化到稳定值的90%的点所需时间，具体的定义如图3所示;升压速率定义为涡流室压强变化量与时间的比值，表征涡流室压强变化的快慢。

图3 响应时间定义图

为了获得不同工况下涡流阀方案的调节性能，分别开展了4股气流、3股气流和2股气流作为控制流的实验，实验工况及实验结果如表1所示，涡流室的压强-时间曲线如图4所示。

由表1可以看出，工况test4-1与test3-1调节前的工作参数比较接近，工况test4-1的控制流压强高于工况test3-1，工况test4-1供应路数比工况test3-1的多一路;工况test3-1与test3-3调节前的工作参数比较接近，工况test3-3的控制流压强高于工况test3-1;工况test3-2与 test2-1调节前的工作参数以及控制流的压强比较接近，工况test3-2的控制流供应路数比工况test2-1的多一路;工况test2-1与test2-2调节前的工作参数比较接近，工况test2-2的控制流压强高于工况test2-1。由表1可以看出，不管喷入控制流前主流和涡流室的压强为多少，喷入控制流后的压强都与控制流压强接近，也就说控制流的压强决定了调节的压强。

表1 实验工况及实验结果

图4 涡流室压强-时间曲线图

由表1实验结果可以看出，工况test4-1的调节比、效费比以及升压速率都大于工况test3-1，但是工况test4-1的响应时间要大于工况test3-1，这说明提高控制流的压强和流量有利于提高涡流阀方案的调节性能;工况test3-3的的调节比、效费比以及升压速率都大于工况test3-1，这说明提高控制流的压强有利于提高涡流阀方案的调节性能，由工况test2-1与test2-2的比较也可以说明该结论;工况test3-2的调节比、效费比以及升压速率都大于工况test2-1，这说明提高控制流的流量有利于提高涡流阀方案的调节性能。

由表1可以看出，工况test4-1和工况test2-1的压强变化量接近，工况test4-1的升压速率要高于工况test2-1，这说明提高控制流的压强和流量有利于提高涡流阀方案的响应特性;工况test3-2和工况test3-3的压强变化量接近，工况test3-3的升压速率要高于工况test3-2，这说明提高控制流的压强有利于提高涡流阀方案的响应特性。

3 结论

由实验结果及分析可以获得以下结论:

1)控制流压强决定了涡流阀方案调节后发动机的工作压强;

2)提高控制流的压强和流量有利于提高涡流阀方案的调节性能;

3)在压强变化量相当的情况下，提高控制流的压强和流量有利于提高涡流阀方案的响应性能。

［1］张淑慧，胡波，孟雅桃.推力可控固体火箭发动机应用及发展［J］.固体火箭技术，2002，25(4):12-15.

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［3］I Greenberg，H Wolff.Cold flow evaluation of parameters influencing thrust modulation by a fluidic vortex valve［J］.Israel Journal of Technology，1975，13:73-81.

［4］Rolf K Brodersen，James G Papadopoulos，Hot gas control system design and vortex valve tests［J］.IEEE Transactions on Automatic Control，1981，26(3):625-637.

［5］R J Woolhouse，J R Tippetts，S B M Beck.A comparison of the experimental and computational modeling of the fluidic turn-up vortex amplifier at full and zero swirl conditions［J］.Journal of Mechanical Engineer Science，2001，215(8):893-903.

［6］魏祥庚，何国强，李江，等.涡流阀几何参数对固体发动机推力调节特性的影响［J］.推进技术，2007，28(4):352-355.

［7］魏祥庚，何国强，李江，等.控制流参数对涡流阀变推力固体发动机性能的影响［J］.推进技术，2009，30(5):571-575.

［8］魏祥庚，李江，金蔚，等.涡流阀式固体变推力集成原理样机设计与实验［J］.固体火箭技术，2011，34(6):703-706.

［9］魏祥庚，李江，陈剑，等.涡流阀变推力发动机涡流室涡流结构分析［J］.固体火箭技术，2011，34(4):443-447.

［10］金蔚，李江，魏祥庚.涡流阀变推力发动机推力计算方法［J］.固体火箭技术，2012，35(3):330-334.

［11］张为华，程谋森，刘分元.固体发动机推力随机调节的涡流阀方案研究［J］.推进技术，1995，16(5):34-39.