朱美印，裴希同，張松，但志宏，王信，王曦

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；3.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng)621703)

一種輪盤式特種調(diào)節(jié)閥流量特性的修正算法

朱美印1，2，裴希同3，張松3，但志宏3，王信3，王曦1，2

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；3.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng)621703)

針對(duì)引進(jìn)的俄羅斯輪盤式特種調(diào)節(jié)閥(簡(jiǎn)稱特種閥)用于高空模擬試車臺(tái)(簡(jiǎn)稱高空臺(tái))出現(xiàn)的流量特性模型誤差太大(最大誤差達(dá)15%)，導(dǎo)致特種閥數(shù)學(xué)模型精度太低，難以滿足高空臺(tái)伺服調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求這一問(wèn)題，提出一種特種閥流量特性的間接修正方法。借用若干次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行篩選、計(jì)算分析、對(duì)比等處理，獲得去數(shù)據(jù)噪聲后的特種閥流量特性的對(duì)角分布稀疏數(shù)據(jù)表。在此基礎(chǔ)上，分5類情況按數(shù)據(jù)特征進(jìn)行特種閥流量特性系數(shù)修正。建立基于修正的特種閥流量特性的數(shù)學(xué)模型，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，特種閥流量穩(wěn)態(tài)誤差在5%以內(nèi)。

特種調(diào)節(jié)閥；流量特性；數(shù)據(jù)噪聲處理；修正算法；高空模擬試車臺(tái)

1　引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái)(簡(jiǎn)稱高空臺(tái))，是能夠在地面上模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種飛行狀態(tài)的試驗(yàn)設(shè)備，能夠檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行包線內(nèi)不同狀態(tài)點(diǎn)的性能，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中最有效的性能調(diào)試和技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究設(shè)計(jì)中起著重要作用[1-3]。目前，世界上只有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、加拿大和中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家擁有先進(jìn)的高空臺(tái)[4]。其中，美國(guó)的高空臺(tái)最為先進(jìn)，其航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬主要由阿諾德工程發(fā)展中心承擔(dān)[5-9]。我國(guó)的SB101高空臺(tái)始建于上世紀(jì)70年代，擁有大型連續(xù)式氣源，被譽(yù)為“亞洲第一臺(tái)”[10]。為滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高空模擬試驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)更加寬廣包線范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)高空飛行環(huán)境模擬，我國(guó)新建了大功率高空臺(tái)。該大功率高空臺(tái)由氣源系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、高空艙和排氣系統(tǒng)等組成。下文所要研究的輪盤式特種調(diào)節(jié)閥(簡(jiǎn)稱特種閥)，是該大功率高空臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)最重要的調(diào)節(jié)閥，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空飛行環(huán)境模擬中起著至關(guān)重要的作用。

該輪盤式特種閥引自俄羅斯，由于缺乏相關(guān)技術(shù)資料和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，給設(shè)備應(yīng)用帶來(lái)極大困難[11-12]。在開(kāi)發(fā)高空臺(tái)數(shù)字仿真平臺(tái)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用蘇聯(lián)工程師給出的理論流量特性計(jì)算調(diào)節(jié)閥流量時(shí)，其結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，最大誤差達(dá)15%，導(dǎo)致特種閥數(shù)學(xué)模型精度太低，難以滿足高空臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的需求，必須對(duì)特種閥通用流量特性進(jìn)行修正[13-14]。常規(guī)的修正方法需對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)展專項(xiàng)特性試驗(yàn)，耗費(fèi)巨大。為此，本文提出一種間接修正方法來(lái)修正輪盤式特種閥的流量特性。該方法通過(guò)對(duì)輪盤式特種閥特性進(jìn)行修正，建立基于修正的特種閥流量特性的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，最后通過(guò)計(jì)算結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證修正方法的有效性。

2　輪盤式特種閥流量特性修正

輪盤式特種閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，在整體上分為前殼體、中間殼體、后殼體三部分。前殼體上裝有二級(jí)閥瓣盤、四級(jí)閥瓣盤和八級(jí)閥瓣盤三個(gè)閥瓣盤，組成了特種閥前殼體閥瓣盤。中間殼體是該特種閥空氣流通通道，也是該閥門的固定圓盤；圓盤平均分成32等分，每一份為11.25°。后殼體上裝有調(diào)節(jié)盤，稱為特種閥的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤。

圖1　輪盤式特種閥總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of disc type special control valve

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)大功率高空臺(tái)六次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，可獲得輪盤式特種閥的143組穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)。文中僅列出其中幾組典型數(shù)據(jù)以便闡明數(shù)據(jù)處理方法，具體數(shù)據(jù)如表1所示。表中，W為通過(guò)閥的流量；p1為閥前壓力；p2為閥后壓力；T1為閥前溫度；VP為閥無(wú)極盤的開(kāi)度；petal2為閥二級(jí)閥瓣的開(kāi)度；petal4為閥四級(jí)閥瓣的開(kāi)度；petal8為閥八級(jí)閥瓣的開(kāi)度；m為閥流通面積與管道截面積的比值；Pr為閥后與閥前壓力的比值，即Pr=p2/p1；Φr為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)流量系數(shù)公式計(jì)算出的閥流量系數(shù)。

表1　輪盤式特種閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Test data table of disc type special control valve

表1中每組穩(wěn)態(tài)點(diǎn)由11個(gè)不同物理參數(shù)組成。全部143組數(shù)據(jù)中存在大量的重復(fù)點(diǎn)，且數(shù)據(jù)采集過(guò)程中因信號(hào)干擾，使得部分?jǐn)?shù)據(jù)帶有噪聲。在數(shù)據(jù)處理之前，采用去數(shù)據(jù)噪聲篩選處理的方法對(duì)其進(jìn)行處理，具體處理過(guò)程如下：

第一步，考慮到輪盤式特種閥流量特性獲取過(guò)程中p1是一個(gè)重要參數(shù)，故以其作為排序基準(zhǔn)，對(duì)143組數(shù)據(jù)進(jìn)行分組歸類，以便剔除重復(fù)點(diǎn)和帶噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)。

第二步，按p1由小到大的順序重新排列數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示在W、p1、p2、T1、VP、m、Pr等參數(shù)中存在大量比較接近的冗余數(shù)據(jù)，對(duì)其分組取平均，結(jié)果如表2所示。

第三步，對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理，得到特種閥在上述工作條件下的流量系數(shù)，并逐點(diǎn)填入特種閥特性表中，得到去數(shù)據(jù)噪聲的流量系數(shù)表(表3)。表3中特種閥的流量系數(shù)呈對(duì)角分布，且每行每列僅一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。m范圍為0.033～0.227，Pr范圍為0.198 75～0.923 88，Φr為m、Pr的二元函數(shù)。

雖然試驗(yàn)過(guò)程中記錄了大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)(超過(guò)幾千萬(wàn)行)，但由于高空臺(tái)工作特點(diǎn)的原因，經(jīng)上述剔除重復(fù)點(diǎn)、去除數(shù)據(jù)噪聲、計(jì)算整理等過(guò)程處理后，整理出的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，很難反映特種閥的流量特性。表3中流量系數(shù)呈對(duì)角分布，且數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏很難對(duì)輪盤式特種閥的流量特性進(jìn)行分析，需引進(jìn)修正算法。

表2　去數(shù)據(jù)噪聲后的流量特性數(shù)據(jù)Table 2 Flow characteristics data after removal of data noise

表3　去數(shù)據(jù)噪聲特種閥流量系數(shù)表Table 3 Flow coefficient table of special control valve after removal of data noise

2.2輪盤式特種閥流量特性修正算法

2.2.1閥流量特性的靈敏度

輪盤式特種閥在高空臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)中主要用于空氣流量的控制(即管道容腔壓力的控制)，流過(guò)該特種閥的空氣質(zhì)量流量為：

式中：Φ為流量系數(shù)，定義為

可見(jiàn)，影響Φ的參數(shù)主要有Pr、m和流束收縮系數(shù)u，而工程應(yīng)用中通常將u考慮為常數(shù)，因此Φ為Pr和m的二元函數(shù)。

定義Φ對(duì)m的偏導(dǎo)為閥門開(kāi)度靈敏度函數(shù)：

定義Φ對(duì)Pr的偏導(dǎo)為壓比靈敏度函數(shù)：

上述所定義的2個(gè)靈敏度函數(shù)，可在與流量特性相關(guān)的若干參數(shù)因子分析中找出對(duì)流量特性影響較大的權(quán)重參數(shù)，進(jìn)而對(duì)流量特性展開(kāi)有效修正。該方法在下述的通用流量特性研究中將重點(diǎn)介紹。

2.2.2輪盤式特種閥通用流量特性

輪盤式特種閥是高空臺(tái)進(jìn)氣系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)裝置，因其結(jié)構(gòu)特性與孔板相似，故將其等效為孔板，計(jì)算其流量。蘇聯(lián)工程師在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出了孔板流量系數(shù)隨壓比和截面積比的關(guān)系表格(表4)。該表是一個(gè)二元插值函數(shù)表，m按等距間隔分布，增量Δm=0.05，m范圍為0～0.60；Pr按等距間隔分布，增量Δ Pr=0.05，Pr范圍為0～1.00；Φ為m、Pr的二元函數(shù)。

表4　特種閥通用流量特性表Table 4 General flow characteristics of special control valves

應(yīng)用表4中的流量系數(shù)對(duì)特種閥的流量進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果相差較大，誤差最大達(dá)到15%，無(wú)法滿足工程應(yīng)用要求。

2.2.3修正算法

由于表3中數(shù)據(jù)呈對(duì)角分散分布，無(wú)法直接用于對(duì)表4數(shù)據(jù)的修正，故提出一種間接修正算法：

Step 1：根據(jù)通用流量特性表4，由m和Pr插值求出對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)Φi，并與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的流量系數(shù)Φr對(duì)比，得到特種閥通用流量特性誤差偏離度λ=Φr/Φi，如表5所示。λ值越大，表明流量系數(shù)的偏離程度越大。

Step 2：根據(jù)式(4)閥門開(kāi)度靈敏度函數(shù)和式(5)壓比靈敏度函數(shù)，可得表6。

Step 3：從表6可知，閥門開(kāi)度靈敏度函數(shù)相對(duì)于壓比靈敏度函數(shù)要小得多，表明閥門前后壓比對(duì)閥流量系數(shù)的影響權(quán)重較大，因此只根據(jù)壓比對(duì)表4中的每一行進(jìn)行修正。修正方法按以下5種情況處理：

Case 1：區(qū)間均勻分布等系數(shù)處理法

以試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的特征點(diǎn)(m=0.033，Pr= 0.199)的工作點(diǎn)為例，在表4中，該點(diǎn)位于Pr=0.15與Pr=0.20之間，而(m=0.033，Pr=0.199)這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的誤差偏離度參數(shù)λ為0.959，用這個(gè)偏離度參數(shù)來(lái)處理Pr=0.15與Pr=0.20之間的點(diǎn)，即在表4中，Pr=0.15和Pr=0.20對(duì)應(yīng)行的流量系數(shù)均乘以0.959進(jìn)行修正。

表5　流量系數(shù)偏離度Table 5 Deviation degree of flow coefficient

表6　閥門開(kāi)度靈敏度函數(shù)和壓比靈敏度函數(shù)表Table 6 Function table of valve opening sensitivity and pressure ratio sensitivity

表7　修正后的特種閥流量特性表Table 7 Modified special control valve flow characteristics

Case 2：區(qū)間不均勻分布不等系數(shù)處理法

例如，對(duì)于Pr=0.90這一行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中計(jì)算出了(m=0.182，Pr=0.890)和(m=0.210，Pr=0.915)2個(gè)特征點(diǎn)。(m=0.182，Pr=0.890)屬于Pr=0.85與Pr=0.90之間，該點(diǎn)的偏離度系數(shù)λ1為0.953)；(m=0.210，Pr= 0.915)屬于Pr=0.90與Pr=0.95之間，該點(diǎn)的偏離度系數(shù)λ2為0.972。對(duì)此，用λ1和λ2的平均值0.963作為Pr=0.90這一行的修正系數(shù)，即在表4中，Pr=0.90對(duì)應(yīng)那一行的流量系數(shù)乘以0.963來(lái)修正。

Case 3：區(qū)間試驗(yàn)點(diǎn)密集分布平均法

例如，在Pr=0.65與Pr=0.70之間，試驗(yàn)數(shù)據(jù)一共計(jì)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個(gè)特征點(diǎn)，且這4個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏離度系數(shù)λ1、λ2、λ3和λ4分別為1.089、1.145、1.149和1.088。對(duì)于這種情況，Pr=0.65與Pr=0.70這兩行的修正系數(shù)做如下處理，以λ1、λ2、λ3和λ4的平均值1.118作為Pr=0.65與Pr=0.70這兩行的修正系數(shù)，即在表4中，Pr=0.65和Pr=0.70對(duì)應(yīng)那兩行的流量系數(shù)乘以1.118來(lái)修正。

Case 4：無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)就近借用法

因?yàn)镻r＜0.15沒(méi)有相應(yīng)的流量系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，且這些壓比在實(shí)際中很少出現(xiàn)，因此根據(jù)就近原則統(tǒng)一乘以0.950來(lái)修正。

Case 5：綜合考慮法

若某一行的修正包含上述4種情況中的幾種，這時(shí)需綜合考慮這幾種情況，最終確定該行的修正系數(shù)。

采用上述算法，對(duì)表4中的流量特性進(jìn)行修正，修正后的流量特性如表7所示。由表7反映的三維效果如圖2所示。

圖2　修正后的特種閥流量特性圖Fig.2 Modified special control valve flow characteristics

3　閥流量特性驗(yàn)證

根據(jù)高空臺(tái)某次真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用本文修正后的流量特性計(jì)算出本次試驗(yàn)流經(jīng)輪盤式特種閥的流量，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)中流量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖3所示，圖中黑色實(shí)線為實(shí)際試驗(yàn)中輪盤式特種閥的測(cè)量流量，紅色實(shí)線為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用本文修正后的流量特性計(jì)算出的流量。由圖可知，當(dāng)特種閥處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量流量與計(jì)算流量的最大偏差為3 kg/s，穩(wěn)態(tài)誤差在5%以內(nèi)；從100 s到250 s特種閥處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，試驗(yàn)測(cè)量流量與計(jì)算流量的最大偏差為6 kg/s，因此動(dòng)態(tài)過(guò)程中的相對(duì)誤差在8%以內(nèi)。

圖3　輪盤式特種閥流量對(duì)比結(jié)果Fig.3 Comparison result of disc type special control valve flow

4　結(jié)論

針對(duì)高空臺(tái)中輪盤式特種流量調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)的流量特性模型誤差太大的問(wèn)題，本文運(yùn)用高空臺(tái)試驗(yàn)中若干次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后基于預(yù)處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一種輪盤式特種調(diào)節(jié)閥流量特性的間接修正算法。該修正算法分5類情況，按數(shù)據(jù)特征對(duì)特種閥流量特性系數(shù)進(jìn)行修正。采用高空臺(tái)某次試驗(yàn)輪盤式特種調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)修正算法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，這種間接修正算法在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的相對(duì)誤差不大于5%，動(dòng)態(tài)過(guò)程中的相對(duì)誤差不大于8%，為后續(xù)流量調(diào)節(jié)閥流量特性的工程化提供了一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)用方法。

[1]侯敏杰.高空模擬試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[2]侯敏杰.SB101高空模擬試車臺(tái)非等流量試驗(yàn)方法研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1995，8(2)：18—20.

[3]侯敏杰，劉冬根.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)的發(fā)展與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012，(3)：1—4.

[4]黃春峰，劉麟，劉志友，等.美國(guó)阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展[C]//.中國(guó)航空學(xué)會(huì)第七屆動(dòng)力年會(huì)論文摘要集.2010.

[5]Davis M，Montgomery P.A flight simulation vision for aeropropulsion altitude ground test facilities[J].Journal of Engineering for Gas Turbines&Power，2005，127(1)：21—31.

[6]Montgomery P，Burdette R，Klepper J，et al.Evolution of a turbine engine test facility to meet the test needs of future aircraft systems[R].ASME GT-2002-30605，2002.

[7]Montgomery P A，Burdette R，Wilhite L，et al.Modernization of a Turbine engine test facility utilizing a real-time facility model and simulation[R].ASME 2001-GT-0573，2001.

[8]Davis M，Hale A，Beale D.An argument for enhancement of the current inlet distortion ground test practice for aircraft gas turbine engines[R].ASME 2001-GT-0507，2001.

[9]Pachlhofer P M，Panek J W，Dicki D J，et al.Advances in engine test capabilities at the NASA Glenn Research Center′s Propulsion System Laboratory[R].ASME GT2006-90181，2006.

[10]王惠儒.大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及試驗(yàn)設(shè)備研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21(1)：13—17.

[11]楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[12]楊世忠，邢麗娟.調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇[J].閥門，2006，(05)：33—36.

[13]孫淮清，王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[14]馬卡洛夫А Н，舍爾曼М Я.節(jié)流裝置計(jì)算[M].姚文華，譯.北京:冶金工業(yè)出版社，1957.

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，四川瀘州人，博士研究生，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制和高空臺(tái)數(shù)字仿真平臺(tái)研究。