CN112747887A - 一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法 - Google Patents

一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法 Download PDF

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吴斌
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邢彦昌
张�林
唐德阳
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Abstract

本发明公开了一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法。该多阶梯预置方法在高超声速风洞启动过程中，调节阀一般预置2～3个开度阶梯，其中第一个阶梯的预置开度明显大于当前条件下的预估开度，能够加速管路充填；其后阶梯的预置开度减小，等于或略低于预估开度，能够减缓充填速度，防止总压出现过冲。在经历完所有的阶梯后，总压平稳趋近目标值，控制程序再转入实时反馈调节过程，精确控制总压在目标值附近。该多阶梯预置方法，对于大口径、或者因工艺要求管道长、内部容腔大而导致充填缓慢的高超声速风洞，能够加速完成充填建压过程，并可有效防止或减小总压过冲，进而延长高超声速风洞的有效试验时间，同时确保设备安全。

Description

一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法。
背景技术
总压是高超声速风洞试验中最重要的控制参数之一，目标值一般在零点几兆帕到十几兆帕之间，控制精度要求优于1％。高超声速风洞启动时，快开截止阀首先迅速开启，同时气源储罐的高压空气向下游流过调节阀及其后面的工艺管道，再经过喷管，在喷管出口建立流场，开展试验。受高超声速风洞设备现场布局和气动设计的制约，从调节阀到喷管喉道之间的工艺管路中具有较大的空腔容积，高超声速风洞启动后，需先完成此段管路的非定常充填过程，然后才能建压。相应地，高超声速风洞总压快速增大，然后渐趋稳定，这之后才能获得有效的试验数据。
对于高超声速风洞，有限的气源供应限制了试验时间通常为十几秒到几十秒，为保证在有效的试验时间内获得更多的数据，要求高超声速风洞启动后，总压能在短时间(一般不超过3～5秒)内接近目标值，且无明显过冲，进而防止因气流冲击造成测试设备的损害，然后平稳地控制在目标值附近。在高超声速风洞启动后，如果过早地开始反馈调节，此时的总压偏差会非常大，控制算法会大幅增加调节阀开度，从而使总压出现过冲，其后回调，继而产生振荡，使得总压稳定的时间延长；如果太晚进行反馈调节，总压精确调节到目标值时间会相应延后。
因此，对于高超声速风洞，尤其是大口径的高超声速风洞，启动过程中采用一种合理的调节阀开度预置方法，有效缩短工艺管道充填建压的过程，同时防止或减小总压过冲和振荡，对于保证有效试验时间和设备安全都是十分有意义的。
当前，亟需发展一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，以有效缩短高超声速风洞工艺管道的充填建压过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法。
本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，其特点是，所述的多阶梯预置方法应用于安装有调节阀、快开截止阀和总压变送器的高超声速风洞，所述的多阶梯预置方法包括以下步骤：
a.根据当前试验状态和历史数据，估算调节阀阀后压力；
b.根据调节阀的生产厂家给出的经验公式，用气源压力和阀后压力计算出调节阀对应的开度，作为预估开度；
c.操作员设置调节阀的各个阶梯的预置时长、预置开度以及相关的控制参数；
d.操作员手动操作调节阀至第一个阶梯的预置开度；
e.进行高超声速风洞试验，控制程序开启快开截止阀，高超声速风洞启动运行，计时开始；
f.控制程序根据步骤c的设定，在每个阶梯的预置时长内，控制调节阀动作到对应的预置开度，直到经历完所有的阶梯；
g.控制程序根据设置的控制参数和测得的总压进行实时反馈调节环节，直到高超声速风洞试验结束。
进一步地，第一个阶梯的预置开度为预估开度的105％～150％，其余阶梯的预置开度为预估开度的80％～100％。
进一步地，所述的步骤g根据高超声速风洞的调压管路上的总压变送器测得的总压控制调节阀的开度。
本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，在高超声速风洞启动过程中，调节阀一般预置2～3个开度阶梯，其中第一个阶梯的预置开度明显大于当前条件下的预估开度，能够加速管路充填；其后阶梯的预置开度减小，等于或略低于预估开度，能够减缓充填速度，防止因系统惯性导致总压出现过冲。在经历完所有的阶梯后，总压平稳趋近目标值，控制程序再转入实时反馈调节过程，精确控制总压在目标值附近。
本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，在高超声速风洞启动过程中先将调节阀维持在一个较大的初始预置开度，可以加速工艺管道内的充填过程。
本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，在工艺管道的充填基本完成后，将预置开度减小到预估开度附近，可以防止总压过冲，从而防止因气流冲击造成测试设备的损害，具有安全性。
本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，对于大口径、或者因工艺要求管道长、内部容腔大而导致充填缓慢的高超声速风洞，能够加速完成充填建压过程，并可有效防止或减小总压过冲，进而延长高超声速风洞的有效试验时间。
附图说明
图1为实施例1中使用本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法的高超声速风洞的布局示意图；
图2为实施例1中使用本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法获得的实施过程示意图；
图3为实施例1中使用本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法获得的总压与调节阀的阀门开度对应曲线。
图1中，1.气源储罐 2.快开截止阀 3.调节阀阀前压力变送器 4.调节阀 5.调节阀阀后压力变送器 6.工艺管道 7.稳定段 8.总压变送器 9.喷管喉道 10.喷管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法应用于安装有调节阀、快开截止阀和总压变送器的高超声速风洞，所述的多阶梯预置方法包括以下步骤：
a.根据当前试验状态和历史数据，估算调节阀阀后压力；
b.根据调节阀的生产厂家给出的经验公式，用气源压力和阀后压力计算出调节阀对应的开度，作为预估开度；
c.操作员设置调节阀的各个阶梯的预置时长、预置开度以及相关的控制参数；
d.操作员手动操作调节阀至第一个阶梯的预置开度；
e.进行高超声速风洞试验，控制程序开启快开截止阀，高超声速风洞启动运行，计时开始；
f.控制程序根据步骤c的设定，在每个阶梯的预置时长内，控制调节阀动作到对应的预置开度，直到经历完所有的阶梯；
g.控制程序根据设置的控制参数和测得的总压进行实时反馈调节环节，直到高超声速风洞试验结束。
进一步地，第一个阶梯的预置开度为预估开度的105％～150％，其余阶梯的预置开度为预估开度的80％～100％。
进一步地，所述的步骤g根据高超声速风洞的调压管路上的总压变送器测得的总压控制调节阀的开度。
实施例1
本实施例的高超声速风洞试验工况的总压目标值为10MPa，当前气源压力为20MPa。试验要求在5秒内快速且平稳完成工艺管路的非定常充填建压过程，期间无明显过冲和振荡，本实施例共设置三个预置开度阶梯。
如图1所示，本实施例的高超声速风洞的调压管路沿气流方向从前至后依次设置有气源储罐1、快开截止阀2、调节阀阀前压力变送器3、调节阀4、调节阀阀后压力变送器5、工艺管道6、稳定段7、总压变送器8、喷管喉道9和喷管10。调节阀4到喷管喉道9之间的工艺管路6里具有较大的空腔容积，高超声速风洞启动时必然会首先经历工艺管路6的非定常充填建压过程。
如图2所示，本实施例采用的方法包括以下步骤：
a.根据历史数据查算确定，当前试验状态下调节阀4到稳定段7之间的压降约为0.35MPa，对应地，调节阀4的阀后压力为10.35MPa；
b.根据调节阀生产厂家给出的经验公式，调节阀4的阀前压力依气源压力确定为20MPa，调节阀4的阀后压力为10.35MPa，计算得到调节阀4的预估开度约为40％；
c.操作员根据经验设置3个预置阶梯，阶梯Ⅰ的预置时长和预置开度分别为1.5s和50％；阶梯Ⅱ的预置时长和预置开度分别为1s和38％；阶梯Ⅲ的预置时长和预置开度分别为1s和40％；
d.操作员手动操作调节阀4，将调节阀4打开至阶梯Ⅰ的预置开度50％；
e.进行高超声速风洞试验，控制程序开启快开截止阀2，高超声速风洞启动运行，计时开始；
f.控制程序根据步骤c中的3个预置阶梯，相应地控制调节阀4在预置时长达到预置开度：
在运时时间小于等于1.5s时，保持调节阀4处于阶梯Ⅰ的预置开度50％；
在运行时间大于1.5s时，控制调节阀4动作到阶梯Ⅱ的预置开度38％，然后保持；
在运行时间大于2.5s时，控制调节阀4动作到阶梯Ⅲ的预置开度40％，然后保持；
在运行时间大于3.5s时，结束预置过程；
g.控制程序实时检测总压，实施PID调节，控制调节阀4的开度，直到高超声速风洞试验结束。
如图3所示，由本实施例的总压与调节阀的阀门开度对应曲线可以看出，高超声速风洞启动后，在阶梯Ⅰ，调节阀4开度大，高超声速风洞的工艺管路6快速充填，总压迅速增加；在阶梯Ⅱ，1.5s～2.5s，调节阀4开度减小，总压增速明显变缓，有效抑制过冲趋势；在阶梯Ⅲ，2.5s～3.5s，调节阀4开度适中，总压渐趋目标值；之后进行反馈调节，控制程序小幅控制调节阀4的动作，总压平稳维持在目标值附近。从3.6s以后，高超声速风洞总压最小值和最大值分别为9.9MPa和10.06MPa，控制精度优于1％，满足试验需求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，其特征在于，所述的多阶梯预置方法应用于安装有调节阀、快开截止阀和总压变送器的高超声速风洞，所述的多阶梯预置方法包括以下步骤：
a.根据当前试验状态和历史数据，估算调节阀阀后压力；
b.根据调节阀的生产厂家给出的经验公式，用气源压力和阀后压力计算出调节阀对应的开度，作为预估开度；
c.操作员设置调节阀的各个阶梯的预置时长、预置开度以及相关的控制参数；
d.操作员手动操作调节阀至第一个阶梯的预置开度；
e.进行高超声速风洞试验，控制程序开启快开截止阀，高超声速风洞启动运行，计时开始；
f.控制程序根据步骤c的设定，在每个阶梯的预置时长内，控制调节阀动作到对应的预置开度，直到经历完所有的阶梯；
g.控制程序根据设置的控制参数和测得的总压进行实时反馈调节环节，直到高超声速风洞试验结束。
2.根据权利要求1所述的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，其特征在于，第一个阶梯的预置开度为预估开度的105％～150％，其余阶梯的预置开度为预估开度的80％～100％。
3.根据权利要求1所述的适用于高超声速风洞的调节阀开度多阶梯预置方法，其特征在于，所述的步骤g根据高超声速风洞的调压管路上的总压变送器测得的总压控制调节阀的开度。
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