一种轮盘式特种调节阀流量特性的修正算法

朱美印，裴希同，张松，但志宏，王信，王曦

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；3.中国燃气涡轮研究院，四川绵阳621703)

一种轮盘式特种调节阀流量特性的修正算法

朱美印1，2，裴希同3，张松3，但志宏3，王信3，王曦1，2

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；3.中国燃气涡轮研究院，四川绵阳621703)

针对引进的俄罗斯轮盘式特种调节阀(简称特种阀)用于高空模拟试车台(简称高空台)出现的流量特性模型误差太大(最大误差达15%)，导致特种阀数学模型精度太低，难以满足高空台伺服调控系统设计要求这一问题，提出一种特种阀流量特性的间接修正方法。借用若干次试验数据，并对其进行筛选、计算分析、对比等处理，获得去数据噪声后的特种阀流量特性的对角分布稀疏数据表。在此基础上，分5类情况按数据特征进行特种阀流量特性系数修正。建立基于修正的特种阀流量特性的数学模型，并将仿真结果与试验数据对比，特种阀流量稳态误差在5%以内。

特种调节阀；流量特性；数据噪声处理；修正算法；高空模拟试车台

1　引言

航空发动机高空模拟试车台(简称高空台)，是能够在地面上模拟航空发动机各种飞行状态的试验设备，能够检验发动机在飞行包线内不同状态点的性能，是发动机研制过程中最有效的性能调试和技术攻关试验平台，在航空发动机的研究设计中起着重要作用[1-3]。目前，世界上只有美国、英国、法国、俄罗斯、德国、加拿大和中国等少数几个国家拥有先进的高空台[4]。其中，美国的高空台最为先进，其航空发动机高空模拟主要由阿诺德工程发展中心承担[5-9]。我国的SB101高空台始建于上世纪70年代，拥有大型连续式气源，被誉为“亚洲第一台”[10]。为满足先进航空发动机的高空模拟试验需求，实现更加宽广包线范围内的发动机高空飞行环境模拟，我国新建了大功率高空台。该大功率高空台由气源系统、进气系统、高空舱和排气系统等组成。下文所要研究的轮盘式特种调节阀(简称特种阀)，是该大功率高空台进气系统最重要的调节阀，在航空发动机高空飞行环境模拟中起着至关重要的作用。

该轮盘式特种阀引自俄罗斯，由于缺乏相关技术资料和应用经验，给设备应用带来极大困难[11-12]。在开发高空台数字仿真平台过程中发现，使用苏联工程师给出的理论流量特性计算调节阀流量时，其结果与实际试验结果存在较大差异，最大误差达15%，导致特种阀数学模型精度太低，难以满足高空台伺服控制系统的需求，必须对特种阀通用流量特性进行修正[13-14]。常规的修正方法需对调节阀开展专项特性试验，耗费巨大。为此，本文提出一种间接修正方法来修正轮盘式特种阀的流量特性。该方法通过对轮盘式特种阀特性进行修正，建立基于修正的特种阀流量特性的数学模型并进行仿真计算，最后通过计算结果与真实试验测量结果进行对比来验证修正方法的有效性。

2　轮盘式特种阀流量特性修正

轮盘式特种阀结构如图1所示，在整体上分为前壳体、中间壳体、后壳体三部分。前壳体上装有二级阀瓣盘、四级阀瓣盘和八级阀瓣盘三个阀瓣盘，组成了特种阀前壳体阀瓣盘。中间壳体是该特种阀空气流通通道，也是该阀门的固定圆盘；圆盘平均分成32等分，每一份为11.25°。后壳体上装有调节盘，称为特种阀的无级调节盘。

图1　轮盘式特种阀总体结构图Fig.1 Structure diagram of disc type special control valve

2.1数据预处理

对大功率高空台六次试验的数据进行分析整理，可获得轮盘式特种阀的143组稳态数据点。文中仅列出其中几组典型数据以便阐明数据处理方法，具体数据如表1所示。表中，W为通过阀的流量；p1为阀前压力；p2为阀后压力；T1为阀前温度；VP为阀无极盘的开度；petal2为阀二级阀瓣的开度；petal4为阀四级阀瓣的开度；petal8为阀八级阀瓣的开度；m为阀流通面积与管道截面积的比值；Pr为阀后与阀前压力的比值，即Pr=p2/p1；Φr为根据试验数据流量系数公式计算出的阀流量系数。

表1　轮盘式特种阀试验数据表Table 1 Test data table of disc type special control valve

表1中每组稳态点由11个不同物理参数组成。全部143组数据中存在大量的重复点，且数据采集过程中因信号干扰，使得部分数据带有噪声。在数据处理之前，采用去数据噪声筛选处理的方法对其进行处理，具体处理过程如下：

第一步，考虑到轮盘式特种阀流量特性获取过程中p1是一个重要参数，故以其作为排序基准，对143组数据进行分组归类，以便剔除重复点和带噪声数据点。

第二步，按p1由小到大的顺序重新排列数据，结果显示在W、p1、p2、T1、VP、m、Pr等参数中存在大量比较接近的冗余数据，对其分组取平均，结果如表2所示。

第三步，对表2中数据进行计算整理，得到特种阀在上述工作条件下的流量系数，并逐点填入特种阀特性表中，得到去数据噪声的流量系数表(表3)。表3中特种阀的流量系数呈对角分布，且每行每列仅一个数据点。m范围为0.033～0.227，Pr范围为0.198 75～0.923 88，Φr为m、Pr的二元函数。

虽然试验过程中记录了大量的数据点(超过几千万行)，但由于高空台工作特点的原因，经上述剔除重复点、去除数据噪声、计算整理等过程处理后，整理出的有效数据点较少，很难反映特种阀的流量特性。表3中流量系数呈对角分布，且数据点稀疏很难对轮盘式特种阀的流量特性进行分析，需引进修正算法。

表2　去数据噪声后的流量特性数据Table 2 Flow characteristics data after removal of data noise

表3　去数据噪声特种阀流量系数表Table 3 Flow coefficient table of special control valve after removal of data noise

2.2轮盘式特种阀流量特性修正算法

2.2.1阀流量特性的灵敏度

轮盘式特种阀在高空台进气系统中主要用于空气流量的控制(即管道容腔压力的控制)，流过该特种阀的空气质量流量为：

式中：Φ为流量系数，定义为

可见，影响Φ的参数主要有Pr、m和流束收缩系数u，而工程应用中通常将u考虑为常数，因此Φ为Pr和m的二元函数。

定义Φ对m的偏导为阀门开度灵敏度函数：

定义Φ对Pr的偏导为压比灵敏度函数：

上述所定义的2个灵敏度函数，可在与流量特性相关的若干参数因子分析中找出对流量特性影响较大的权重参数，进而对流量特性展开有效修正。该方法在下述的通用流量特性研究中将重点介绍。

2.2.2轮盘式特种阀通用流量特性

轮盘式特种阀是高空台进气系统的流量调节装置，因其结构特性与孔板相似，故将其等效为孔板，计算其流量。苏联工程师在大量试验的基础上，给出了孔板流量系数随压比和截面积比的关系表格(表4)。该表是一个二元插值函数表，m按等距间隔分布，增量Δm=0.05，m范围为0～0.60；Pr按等距间隔分布，增量Δ Pr=0.05，Pr范围为0～1.00；Φ为m、Pr的二元函数。

表4　特种阀通用流量特性表Table 4 General flow characteristics of special control valves

应用表4中的流量系数对特种阀的流量进行计算，其结果与实际测量的结果相差较大，误差最大达到15%，无法满足工程应用要求。

2.2.3修正算法

由于表3中数据呈对角分散分布，无法直接用于对表4数据的修正，故提出一种间接修正算法：

Step 1：根据通用流量特性表4，由m和Pr插值求出对应的流量系数Φi，并与真实试验数据计算获得的流量系数Φr对比，得到特种阀通用流量特性误差偏离度λ=Φr/Φi，如表5所示。λ值越大，表明流量系数的偏离程度越大。

Step 2：根据式(4)阀门开度灵敏度函数和式(5)压比灵敏度函数，可得表6。

Step 3：从表6可知，阀门开度灵敏度函数相对于压比灵敏度函数要小得多，表明阀门前后压比对阀流量系数的影响权重较大，因此只根据压比对表4中的每一行进行修正。修正方法按以下5种情况处理：

Case 1：区间均匀分布等系数处理法

以试验数据计算出的特征点(m=0.033，Pr= 0.199)的工作点为例，在表4中，该点位于Pr=0.15与Pr=0.20之间，而(m=0.033，Pr=0.199)这个点对应的误差偏离度参数λ为0.959，用这个偏离度参数来处理Pr=0.15与Pr=0.20之间的点，即在表4中，Pr=0.15和Pr=0.20对应行的流量系数均乘以0.959进行修正。

表5　流量系数偏离度Table 5 Deviation degree of flow coefficient

表6　阀门开度灵敏度函数和压比灵敏度函数表Table 6 Function table of valve opening sensitivity and pressure ratio sensitivity

表7　修正后的特种阀流量特性表Table 7 Modified special control valve flow characteristics

Case 2：区间不均匀分布不等系数处理法

例如，对于Pr=0.90这一行，试验数据中计算出了(m=0.182，Pr=0.890)和(m=0.210，Pr=0.915)2个特征点。(m=0.182，Pr=0.890)属于Pr=0.85与Pr=0.90之间，该点的偏离度系数λ1为0.953)；(m=0.210，Pr= 0.915)属于Pr=0.90与Pr=0.95之间，该点的偏离度系数λ2为0.972。对此，用λ1和λ2的平均值0.963作为Pr=0.90这一行的修正系数，即在表4中，Pr=0.90对应那一行的流量系数乘以0.963来修正。

Case 3：区间试验点密集分布平均法

例如，在Pr=0.65与Pr=0.70之间，试验数据一共计算出了(m=0.080 6，Pr=0.657)、(m=0.087 3，Pr= 0.658)、(m=0.094 1，Pr=0.696)和(m=0.094 9，Pr= 0.699)4个特征点，且这4个特征点对应的偏离度系数λ1、λ2、λ3和λ4分别为1.089、1.145、1.149和1.088。对于这种情况，Pr=0.65与Pr=0.70这两行的修正系数做如下处理，以λ1、λ2、λ3和λ4的平均值1.118作为Pr=0.65与Pr=0.70这两行的修正系数，即在表4中，Pr=0.65和Pr=0.70对应那两行的流量系数乘以1.118来修正。

Case 4：无试验数据就近借用法

因为Pr＜0.15没有相应的流量系数数据点，且这些压比在实际中很少出现，因此根据就近原则统一乘以0.950来修正。

Case 5：综合考虑法

若某一行的修正包含上述4种情况中的几种，这时需综合考虑这几种情况，最终确定该行的修正系数。

采用上述算法，对表4中的流量特性进行修正，修正后的流量特性如表7所示。由表7反映的三维效果如图2所示。

图2　修正后的特种阀流量特性图Fig.2 Modified special control valve flow characteristics

3　阀流量特性验证

根据高空台某次真实试验数据，采用本文修正后的流量特性计算出本次试验流经轮盘式特种阀的流量，并将计算结果与试验中流量的测量数据进行对比。对比结果如图3所示，图中黑色实线为实际试验中轮盘式特种阀的测量流量，红色实线为根据试验数据采用本文修正后的流量特性计算出的流量。由图可知，当特种阀处于稳态时，试验测量流量与计算流量的最大偏差为3 kg/s，稳态误差在5%以内；从100 s到250 s特种阀处于动态调节过程，试验测量流量与计算流量的最大偏差为6 kg/s，因此动态过程中的相对误差在8%以内。

图3　轮盘式特种阀流量对比结果Fig.3 Comparison result of disc type special control valve flow

4　结论

针对高空台中轮盘式特种流量调节阀出现的流量特性模型误差太大的问题，本文运用高空台试验中若干次试验数据，首先对试验数据进行预处理，然后基于预处理后的试验数据提出了一种轮盘式特种调节阀流量特性的间接修正算法。该修正算法分5类情况，按数据特征对特种阀流量特性系数进行修正。采用高空台某次试验轮盘式特种调节阀试验数据，对修正算法进行对比验证。结果表明，这种间接修正算法在稳态过程中的相对误差不大于5%，动态过程中的相对误差不大于8%，为后续流量调节阀流量特性的工程化提供了一种简单有效的实用方法。

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A modified algorithm for flow characteristics of disc type special control valve

ZHU Mei-yin1，2，PEI Xi-tong3，ZHANG Song3，DAN Zhi-hong3，WANG Xin3，WANG Xi1，2
(1.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China；3.China Gas Turbine Establishment，Mianyang 621703，China)

The error of the flow characteristics model of the imported Russian disc type special control valve used in Altitude Simulation Test Facilities(ASTF)is too large(the maximum error is up to 15%),resulting in a low accuracy for the mathematical model of the special control valve,which is difficult to meet the design requirements of AGTF servo control system.An indirect modified method for the characteristics of special valve flow was presented to solve the above problems.With a number of experimental data being filtered,analyzed,and compared,a sparse data table of flow characteristics of the special valve was obtained.Based on the situation,five cases were proposed to modify the characteristics coefficient of special valve according to the data properties.Finally,the mathematical model of the special flow valve on the basis of the modified flow characteristics of special valve was established.Compared the experimental data with the simulation results,the steady state error of the special flow is under 5%.

special control valve；flow characteristics；data noise processing；modified algorithm；altitude simulation test facilities

V233.7

A

1672-2620(2016)05-0040-06

2015-12-11；

2016-10-22

朱美印(1991-)，男，四川泸州人，博士研究生，主要从事航空发动机控制和高空台数字仿真平台研究。