CN104949816B - 一种用于低速风洞tps试验的流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，包括上位机、流量控制系统、流量测量系统和用于连接两者的连接钢管，流量控制系统与测量系统一体化设置，流量控制系统包括针阀和电作动筒；针阀顶针在电作动筒的作用下做水平运动；流量测量系统由文丘里喷管、测量耙、流量计内套和流量计外套组成；流量控制装置中的高压气流依次经过进气管道、驻室、针阀孔板、针阀喷管、连接钢管、文丘里喷管后由排气管排出；气流经过的路径为高压密封空间；本发明通过将流量控制和测量系统一体化设计，系统集成度高；响应速度快，控制精度高；体积小，重量轻，安装方便；推力大，承载范围广；可实现四轴同步控制；系统安全性高。

Description

一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置

技术领域

本发明涉及风洞试验中的高压供气流量控制装置，具体为低速风洞TPS试验中高压供气流量控制装置。

背景技术

TPS试验全称涡扇动力模拟试验，是一种评估涡扇发动机对飞机气动特性影响的低速风洞试验技术。TPS试验的核心设备是TPS单元，是一种使用高压空气驱动的发动机模拟器，其风扇转速精度与高压供气的流量控制精度直接相关，而转速精度又与TPS试验精度息息相关，此外，在TPS试验中，通常同时使用多台TPS单元，而高压供气系统只能同时两路供气，因此，必须对高压供气进行二次分配。为实现TPS试验中高压供气流量的精确控制和分配，必须使用高精度的流量控制装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于低速风洞TPS试验的高压供气流量精确控制和分配的装置。

为实现上述技术方案，本发明采用如下技术方案：

一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，包括上位机、流量控制系统、流量测量系统和用于连接两者的连接钢管，流量控制系统与测量系统一体化设置，其中：

流量控制系统包括针阀和电作动筒；针阀包括驻室、针阀孔板、针阀喷管、针阀顶针，针阀顶针的前端穿过针阀孔板伸入到针阀喷管内，针阀孔板置于驻室上；电作动筒由无刷直流伺服电机、减速器、驱动器、控制器、绝对光栅、滚珠丝杠、滑轨、同步带系统组成，滚珠丝杠的通过连杆与针阀顶针连接；针阀顶针在电作动筒的作用下做水平运动；

流量测量系统由文丘里喷管、总压总温测量耙、流量计内套和流量计外套组成；总压总温测量耙设置在连接钢管上；

高压气流依次经过进气管道、驻室、孔板、针阀喷管、连接钢管、文丘里喷管、流量计内套后由排气管排出；气流经过的路径为高压密封空间；

上位机同步控制若干路流量控制系统和流量测量系统，每一路流量控制系统和流量测量系统独立运行。

在上述技术方案中，所述针阀顶针为圆锥形结构，从针尖到针底表面面积逐步增加。

在上述技术方案中，所述针阀喷管的内表面为光滑凸出的曲面，曲面的凸出部分均匀分布在针阀喷管内形成一个闭环圆圈。

在上述技术方案中，针阀顶针的轴心线与针阀喷管的轴心线重合，针阀顶针沿着轴心线在针阀喷管曲面凸出部分之间水平移动。

利用该装置的控制方法具体步骤为：

首先，上位机通过控制器将设定的初始值指令发送给驱动器，由驱动器控制电机运动，连接于电机上的编码器将电机实际位置反馈给驱动器，构成第一个位置控制闭环；

采用绝对光栅测量针阀顶针的实际位移，由驱动器读取光栅的位移反馈值，根据给定位移值和实际位移值之差，对位移误差进行修正，构成第二个位置控制闭环；

高压气流从进气管道进入针阀喷管，由电作动筒控制针阀顶针在针阀喷管中移动，移动的针阀顶针使得针阀喷管凸出的曲面与针阀顶针之间的距离改变，从而改变气流流通的面积；

流量测量系统同步测试由针阀喷管流过的气流，并反馈给上位机，上位机对测量流量与目标流量对比,将修正指令发送给控制器，控制针阀顶针的移动最终达到目标值。

本发明的设计原理如下：无刷直流伺服电机通过同步带系统驱动滚珠丝杠沿直线运动，滚珠丝杠带动针阀顶针运动，改变针阀喷管的喉道（针阀喷管面积最小处）面积，而流量与流通面积有关，从而实现流量控制。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过将流量控制和测量系统一体化设计，系统集成度高；响应速度快，控制精度高；体积小，重量轻，安装方便；推力大，承载范围广；可实现四轴同步控制；系统安全性高。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是流量控制单元的结构示意图；

图2是本发明的外形结构示意图；

图3是系统工作的流程示意图；

其中：1是控制器，2是连接钢管，31是测压靶，32是文丘里喷管，33是流量计外套，34是流量计内套，41是针阀顶针，42是驻室，43是针阀孔板，44是针阀喷管，51是滑轨，52是滚珠丝杠，53是绝对光栅，54是同步带系统，55是减速器，56是伺服电机，57是驱动器，6是进气管，7是排气管。

具体实施方式

如图1 所示，本发明的流量控制装置主要包括两个部分，流量控制和流量测量；而流量控制主要由针阀和电作动筒组成。根据流量与流通面积相关的原理，通过改变流通面积，从而控制流量。

本发明中的针阀部分主要由针阀喷管、针阀孔板、驻室和针阀顶针组成；针阀喷管和进气管道平行设置，针阀喷管与进气管道之间设置为驻室和针阀孔板；驻室是一个密封的腔体用于稳定和缓解高压气流的冲击，针阀孔板为多孔圆筒,置于驻室内部，高压气流通过驻室后再经过针阀孔板后再稳定的进入针阀喷管内。针阀顶针与针阀喷管处于同一轴心线上，针阀顶针在控制作用下沿着轴心线水平移动。

本发明中的针阀喷管内表面为光滑外凸曲面，凸出部分均匀分布在针阀喷管内形成一个闭环圆圈，这即时是针阀喷管的喉道；而针阀顶针为锥形的外形结构，从针尖到针底表面面积逐步增加。当针阀顶针在针阀喷管的喉道中心位置水平移动时，因为针阀顶针的表面面积变化就会导致针阀顶针与针阀喷管喉道壁之间的距离发生变化，距离发生变化后也就意味着针阀喷管喉道能流过的气流的截面面积发生变化，这样就控制住了气流的流量。

本发明中控制针阀顶针移动的是电作动筒，主要由无刷直流伺服电机、减速器、驱动器、控制器、绝对光栅、滚珠丝杠、滑轨、同步带系统等部件组成。电作动筒的运动控制采用双反馈式的闭环控制模式，控制原理如下：首先通过上位机的应用程序设定给定位移值，通过网线将给定值发送给控制器，控制器将指令发送给驱动器，由驱动器控制电机运动。连接于电机上的编码器将电机实际位置反馈给控制器，构成第一个位置控制闭环；此外，还采用绝对光栅测量针阀顶针的实际位移，由驱动器读取光栅的位移反馈值，根据给定位移值和实际位移值之差，对位移误差进行修正，构成第二个位置控制闭环。

如图2所示，为实现多轴控制、提高流量控制精度和系统安全性，采取了如下措施：控制器采用多轴运动控制器，可同时实现四轴控制；采用驻室和孔板来稳定流场，减少气流脉动对运动系统的影响，其中驻室的作用是降低气流速度，孔板的作用的是使气流场更均匀，减少气流脉动；为提高运动控制安全性，采用超差检测和保护、超限检测和保护、过载检测和保护、过流检测和保护四大电气保护手段。

而测量部分主要由文丘里喷管、测量耙、流量计内套和流量计外套组成，测量耙布置于流量计喉道入口3.5D（上游管道直径）处，用于对针阀喷管过来的气流进行总温总压的测量；而文丘里喷管外表面有凸台,凸台一端与连接钢管连接，另一端与流量计外套连接，而流量计的内套置于排气管与文丘里喷管之间,其外表面也有凸台，凸台一端与流量计外套连接,另一端与排气管相连，文丘里喷管和流量计凸台两端面均设置有密封槽,安装O型密封圈后即可密封管道；由于流量只取决于文丘里喷管喉道上游的来流总压、总温，以及喉道面积。因此，只需测量喉道上游的来流总压、总温，以及喉道面积，就可以得到流过文丘里流量计的准确流量。测得的实时数据传输到上位机中。

如图3所示，本发明的工作流程示意图，高压气流从进气管道进入针阀喷管，首先由上位机给出提前预设的指令到控制器，控制器控制驱动器带动电机输出动力到滚珠丝杠，滚珠丝杠带动针阀顶针在针阀喷管中运动，移动的针阀顶针使得针阀喷管凸出的曲面与针阀顶针之间的距离改变，从而改变气流流通的面积；针阀顶针发生的位移通过绝对光栅的测量将数据反馈到驱动器，同时通过编码器再反馈数据到驱动器，不停的进行数据校正，使得数据符合预设值。

而流量的最终大小是由流量计侧得的，当流量计侧得的数据不是最终的理想数据时，在数据反馈到上位机后，通过对比预设数值再次对控制器进行修正，重复上述工作，最终控制针阀顶针移动到合适的位置，使得输出的气流流量符合要求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，其特征在于包括上位机、流量控制系统、流量测量系统和用于连接两者的连接钢管，流量控制系统与测量系统一体化设置，其中：

流量控制系统包括针阀和电作动筒；

针阀包括驻室、针阀孔板、针阀喷管、针阀顶针，针阀喷管和进气管道平行设置，针阀喷管与进气管道之间设置为驻室和针阀孔板，针阀顶针的前端穿过针阀孔板伸入到针阀喷管内，针阀孔板为多孔圆筒,置于驻室内部；电作动筒由无刷直流伺服电机、减速器、驱动器、控制器、绝对光栅、滚珠丝杠、滑轨、同步带系统组成，滚珠丝杠通过连杆与针阀顶针连接；针阀顶针在电作动筒的作用下做水平运动；

流量测量系统由文丘里喷管、测量耙、流量计内套和流量计外套组成；总压总温测量耙设置在连接钢管上；

流量控制装置中的高压气流依次经过进气管道、驻室、针阀孔板、针阀喷管、连接钢管、文丘里喷管后由排气管排出；气流经过的路径为高压密封空间；

上位机同步控制若干路流量控制系统和流量测量系统，每一路流量控制系统和流量测量系统独立运行。

2.根据权利要求1所述的一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，其特征在于所述针阀顶针为圆锥形结构，从针尖到针底表面面积逐步增加。

3.根据权利要求1所述的一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，其特征在于所述针阀喷管的内表面为光滑凸出的曲面，曲面的凸出部分均匀分布在针阀喷管内形成一个闭环圆圈。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，其特征在于针阀顶针的轴心线与针阀喷管的轴心线重合，针阀顶针沿着轴心线在针阀喷管曲面凸出部分之间水平移动。

5.根据权利要求1所述的一种用于低速风洞TPS试验的流量控制装置，该装置的控制方法具体步骤为：

首先，上位机通过控制器将设定的初始值指令发送给驱动器，由驱动器控制电机运动，连接于电机上的编码器将电机实际位置反馈给驱动器，构成第一个位置控制闭环；

采用绝对光栅测量针阀顶针的实际位移，由驱动器读取光栅的位移反馈值，根据给定位移值和实际位移值之差，对位移误差进行修正，构成第二个位置控制闭环；

高压气流从进气管道进入针阀喷管，由电作动筒控制针阀顶针在针阀喷管中移动，移动的针阀顶针使得针阀喷管凸出的曲面与针阀顶针之间的距离改变，从而改变气流流通的面积；

流量测量系统同步测试由针阀喷管流过的气流，并反馈给上位机，通过对比预设数值再次对控制器进行修正，控制针阀顶针的移动最终达到目标值。