气动蝶阀式压力调节器的工作特性及发展趋势

气动蝶阀式压力调节器的工作特性及发展趋势田占强，王先超，高胜臣摘要:文章分析了影响新型高温蝶阀式绝对压力引气调节器调节精度及工作稳定性的主要因素及解决措施，并以××飞机环控系统高温大流量绝对压力调节器×××为例，应用空气动力学、自动控制原理等理论与工程实践经验相结合的方法，从产品方案设计、数学模型建立及静态数字仿真等方面进行了深入的探讨和论证。关键词:新型高温蝶阀式绝对压力调节器;数学模型;静态数字仿真;环控系统从20世纪90年代初国内开始研制蝶阀式空气压力调节器以来，先后研制生产出QDF－45、QDF－46、CYT－20、CYT－32、CYT－33、QYT－20等多种产品型号，经历了由相对压力调节向绝对压力调节的过渡。随着我国航空技术的不断发展和日趋成熟，大型民用客机等先后立项并进入研制阶段，其环控系统对引气压力调节器功能的精确性和工作稳定性都提出了更高的要求，研究影响高温蝶阀式绝对压力引气调节器调节精度及工作稳定性的主要因素及相应的解决措施这一课题迫在眉睫。本文以高温大流量引气压力调节器×××为例，对上述问题进行全面的分析和论证。一、主要技术要求(1)工作介质:空气。(2)使用高度:－500m～18000m。(3)工作环境温度:－55℃～+70℃。(4)工作介质温度:正常360℃，最高450℃。(5)入口压力范围:0．45MPa～1．5MPa(绝对)。(6)流量:正常800±100kg/h，最大1300±100kg/h。(7)调压特性:当入口压力在0．45MPa～1．5MPa(绝对)、流量分别为800±100kg/h和1300±100kg/h时，产品出口压力应满足0．4±0．025MPa(绝对)。二、方案设计根据技术要求，产品原理方案必须保证以下条件:(1)在－500m～18000m高度范围内实现引气压力的精确调节。(2)在高压、大流量、长时间的工作条件下实现良好的工作稳定性。为此，拟定其原理方案如图1，原理方块图如图2。工作原理:产品为气动压力控制结构，分为气动控制气路、反馈气路和主气路三个气路。图1绝对压力调节器工作原理示意75图2绝对压力调节器原理框当进口压力通过气滤到达先导阀，先导阀将其减压为恒定控制压力通往两位开关。若控制气路电磁阀通电，控制压力经过超压控制阀到达控制腔，推动膜片组件与蝶阀联动，打开蝶阀，出口压力经节流后进入反馈腔，膜片组件在控制腔压力、反馈腔压力、弹簧力及蝶阀所受的气动力共同作用下，达到力平衡，使蝶阀达到需要的开启角，实现压力调节的功能。如果因某种原因，出口压力升高(或降低)，反馈压力跟着升高(或降低)，进而控制膜片组件上移(下移)，使蝶阀开启角减小(或增大)，实现出口压力趋于恒定。若电磁阀断电，控制气路被切断。控制压力不能到达控制腔，膜片组件和蝶阀将在弹簧力的作用下而关闭主气路。三、影响因素分析从蝶阀结构原理及所建立的数学模型中可以看出，膜片组件是整个产品的执行机构，因此，对影响产品工作稳定性和调节精度的因素分析，就是对膜片组件受力的影响分析，以下对膜片组件的干扰情况及相应解决措施进行分析。1．对控制腔压力的分析控制腔压力的方程为:Pk=K1(X10－H)ξPcA()s(1)由公式(1)可以看出，先导阀的输出压力范围的大小直接影响控制腔压力范围的大小;当因系统压力波动等原因产品出口压力产生一个ΔP的增量时，产品控制腔压力会在超压控制阀的作用下迅速降低，并通过膜片组件的作用使蝶阀开度减小，产品的调压特性在瞬间内收敛至正常状态。从而避免产品调压特性的波动，提高其稳定性。增加超压控制阀前后开关特性曲线对比如图3。图3开关特性对比曲线2．对反馈腔压力的分析对绝对压力调节器来说，为了得到其调压特性不受大气环境压力的影响，反馈腔压力是将产品出口压力节流后得到的一个适当压力值，该压力的稳定性直接影响产品的调压特性。主通道与反馈腔之间的等效直径d由其石墨涨圈的密封性能决定，在蝶阀进行开关前后石墨涨圈密封性能的变化情况又无法准确测量，而且在现有技术条件下，近500℃的高温环境，无法保证完全密封。那么还有减少因主通道向反馈腔漏气对反馈腔压力影响的方法吗?关于节流系数的方程:B=PckPc=dd()22+d1d()22(2)Pck=BPc=Pcdd()22+d1d()2[]2(3)式中，B为反馈气路节流系数。由公式(2)、(3)可以看出，等效直径d值可以看成是在某一范围内变化的一个量。当增大节流孔直径d1时，可以减小因等效直径d的变化对反馈气路节流系数变化量的影响，也就是说，在85Pc不变的情况下，可以增加反馈腔压力Pck的精度和稳定性，