三转子式流体比例控制器设计与试验研究

2022-11-23黄英杰白坤雪马小录李国占王玉刚张洪军

机床与液压 2022年20期

黄英杰,白坤雪,马小录,李国占,王玉刚,张洪军

(1.中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州310018；2.中国船舶重工集团有限公司第七〇五研究所，陕西西安 710077)

0 前言

由燃烧剂、氧化剂和冷却剂配比而成的三组元推进剂广泛应用于水下热动力系统，显著提高了水下航行体的航程、安静性和可靠性等关键性能指标。然而，推进剂能效的发挥强烈依赖于三组元推进剂的配比比例精度，这一直是制约水下热动力系统品质的重要瓶颈。

比例控制器决定了三组元推进剂的配比比例精度，它本质上是由3套共轴同转速的容积式计量部件构成，工作时3路组元分别流入比例控制器中相互独立的3路流道。燃料泵决定3路的总流量，理论上3路组元的体积流量比例取决于3套计量部件的容积比即轴向尺寸，且不受外界环境变化影响；但由于比例控制器内泄漏的影响，3路组元的实际配比比例精度往往不高[1]。国内学者采用理论分析、试验和仿真等手段对比例控制器进行了研究。罗凯等人[2]指出配合间隙和工作压差决定了滑片式比例控制器的泄漏量，并结合各种影响因素运用中值优化思想给出了比例调节方法。王鹰等人[3]基于罗茨流量计的工作原理，提出了罗茨式比例控制器并分析了前后压差对其泄漏量的影响，且进一步研究了面积利用系数、定子内径和端面间隙等参数对比例控制器配比精度的影响[4]。王路等人[5]基于椭圆齿轮流量计工作原理，提出了椭圆齿轮式比例控制器并对其各泄漏影响因素进行了分析，通过比例中值优化提高配比精度。最近，孟睿等人[6]则采用数值模拟研究了工作压差、配合间隙和叶片数对滑片式比例控制器的影响规律。

综上所述，由于比例控制器使用场合特殊，国内外相关公开资料很少且当前技术问题始终没有彻底解决，因此研制高配比精度的比例控制器是提升水下热动力系统品质亟需解决的难题。

鉴于此，本文作者基于三转子流量计的工作原理，提出了三转子式比例控制器，搭建了比例控制器试验系统，对所研制的工程样机进行测试，以验证三转子式比例控制器在定流量和变流量工况下的性能。

1 比例控制器结构形式

三转子式比例控制器的结构如图1所示，它包括3套容积式计量部件、上端盖、轴承板、下端盖、齿轮组和齿轮盖等主要零件。其中，容积式计量部件由钢体外壳、矩形排量转子和圆弧形阻漏转子构成，而且排量转子通过叶片槽与传动轴连接，阻漏转子通过孔轴配合与传动轴连接；排量转子与阻漏转子的传动轴采用滑动轴承进行支撑和减小摩擦，并通过齿轮组实现联动。上端盖与下端盖均为凸台设计并与钢体外壳配合，设置有密封槽和轴承孔。轴承板则为平板结构，也设置有密封槽和轴承孔。齿轮盖则用来防异物、防尘、防润滑油流失等。三转子式比例控制器通过4根对角螺栓实现定位和固定，且其中2根对角螺栓为阶梯状。

2 工作原理

如图2所示，三转子式比例控制器的每套计量部件均由不锈钢外壳及内含的2个排量转子和1个阻漏转子构成，而且3个转子分别安装在3个联动轴上，其中排量转子在其半圆柱型腔室内正向旋转，阻漏转子则以排量转子一半转速在其90°柱型腔室内反向旋转。任意时刻任意旋转位置，外壳、阻漏转子和至少1个排量转子均会形成1个封闭腔室，以防止上下游流体之间的相互流动[7]。比例控制器的3套计量部件结构上完全相同，其轴向高度依据配比比例设计，实际工作时3路组元分别流入各自的计量部件，共同推动比例控制器转动，从而任意流量工况下3路组元均按照控制比例输出。

3 试验系统

比例控制器试验测试系统由离心泵、变频器、流量计、压力表、压力变送器、背压阀和数据采集系统等组成，如图3所示。其中,变频器用于调整离心泵的功率，主管路最大供给压力为0.25 MPa，分为燃烧剂、氧化剂和冷却剂3个支路且每个支路均安装球形节流阀以调整供给压力。3个电磁流量计分别测量3路的流量，流量计下游安装了压力表便于调整比例控制器各组元的入口压力，而且比例控制器各组元管路的上下游均安装了压力变送器以获得压力损失。比例控制器3路出口在主管路汇合，而且此主管路安装了背压阀以调节管路压力，背压阀下游连接封闭水箱，水箱出口则与离心泵入口连接，形成封闭循环系统以保证水质清洁。

试验测试时先启动离心泵，然后打开水箱出口阀门，流体经主管路一分三，分别进入3个支路和流量计，经三转子式比例控制器调节后在下游主管路汇合，最终流入水箱。

4 试验结果与讨论

4.1 定流量工况时比例控制器的性能

通过调整离心泵的功率来改变管路流量，研究不同流量时三转子式比例控制器的配比比例。

图4给出了不同流量工况点时比例控制器的配比比例。可知：定流量工况时，比例控制器氧化剂路的配比比例约为39%，冷却剂路的配比比例约为42%，可见两路的配比比例较为稳定且无明显波动。此外，不同流量工况点之间的配比比例也一致。

图5给出了三转子式比例控制器氧化剂路的配比比例精度。可知：流量为10 L/min时，氧化剂路的配比比例精度在-4%～5%内；流量为20 L/min时，氧化剂路的配比比例精度在-2%～2%内；而流量为30 L/min时，氧化剂路的配比比例精度在-3%～5%内。由此可知比例控制器氧化剂路的配比比例精度约为(38.75±5)%，配比比例精度可达5.0%。

图6给出了三转子式比例控制器冷却剂路的配比比例精度。可知：流量为10 L/min时，冷却剂路的配比比例精度在-4%～2%内；流量为20 L/min时，冷却剂路的配比比例精度在-1%～1%内，流量为30 L/min时，冷却剂路的配比比例精度在-2%～2%内。由此可知比例控制器冷却剂路的配比比例约为(42.65±4)%，配比精度高达4%。

表1给出了不同流量时三转子式比例控制器各组元管路的压力损失和配比比例。可知：相同流量工况下，比例控制器燃烧剂路造成的压力损失最大，氧化剂路造成的压力损失次之，冷却剂路造成的压力损失最小，而且比例控制器各组元管路造成的压力损失随着流量的增大而增加。比例控制器造成的压力损失均低于0.05 MPa。此外，不同流量工况点时三转子式比例控制器各组元的配比比例较为稳定。

表1 比例控制器各组元管路的压力损失

4.2 变流量工况时比例控制器的性能

通过缓慢调节离心泵的功率使得管路流量平稳增大，研究管路流量逐渐增至最大流量时三转子式比例控制器的性能。

图7给出了流量逐渐增大时三转子式比例控制器的配比比例。可知：比例控制器的配比比例随着流量的变化而围绕平均值微小波动，而且配比比例波动幅值随着流量的增大而减小。这可能是由于虽然比例控制器的间隙泄漏量随着流量的增大而增大，但泄漏量所占比例却随着流量的增大而减小，即间隙泄漏对比例控制配比比例的影响逐渐减小。

图8给出了流量逐渐增大时三转子式比例控制器的配比比例精度。可知：管路动态变化时，比例控制器的配比比例精度较大，而且配比比例精度随着流量的增大而减小，这是因为大流量时比例控制器的配比比例更为稳定。此外，冷却剂路的配比比例精度也低于氧化剂路，这可能是因为冷却剂路的流量较大时泄漏量所占比例较小。因此，后续减少配合间隙的泄漏量是提升三转子式比例控制器性能的有效途径。

图9给出了三转子式比例控制器3路造成的压力损失。可知：管路流量动态变化时，比例控制器造成的压力损失存在显著波动，而且燃烧剂和氧化剂路造成的压力损失随着流量的增加而增大，冷却剂路造成的压力损失则随流量无显著变化。此外，所测流量范围内燃烧剂路造成的压力损失最大，氧化剂路造成的压力损失次之，冷却剂造成的压力损失最小。