CN114321714A - 一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置及其控制方法，用于解决现有减压器操纵气系统无法现有100kg/s减压器会产生启动振荡和关机冲击的问题。本发明包括减压器、进气组件和排气组件；减压器连通进气组件和排气组件。本发明通过对基于减压器出入口的压力作为判断依据，通过单片机控制系统控制四个快开电磁阀的开关，实现对减压器操纵气腔进行充气或排气，使大流量减压器操纵气腔内压力变化迅速、稳定，保证了大流量减压器调节迅速、稳定供应的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种供应系统，具体涉及一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置及其控制方法。
背景技术
冲压发动机研制试验任务中需要进行自由射流试验，模拟冲压发动机在一定工况下飞行，用来确定发动机性能是否满足总体要求。
来流模拟系统主要通过在来流加热装置中采用酒精、液氧燃烧加热大流量空气产生高温高压的燃气作为冲压发动机的来流。试验台的空气供应常采用落压式供应，即随着试验时间的延续，储罐里的气体压力逐渐下降，因此需要采用大流量减压器进行减压后供应。
目前100kg/s减压器主体结构研制完成，但是在使用过程中存在启动振荡 (-1.0MPa)和关机冲击(+1.0MPa)现象，分析主要原因是100kg/s减压器的操纵气供应系统无法满足使用要求，即在减压器启动时操纵气压力不能及时满足减压器所需压力，从而减压器出口压力出现波动；当减压器停止工作时，减压器操纵腔内的操纵气无法及时排出，延长减压器关机时间，导致减压器出口的压力出现明显的波峰(+1.0MPa)。空气供应压力波动对来流加热装置的燃烧特性产生明显的影响，进一步影响到来流参数不均匀，导致发动机工作不稳定。如图1所示，在启动过程中出现明显的凹坑，主要是由于启动时，操纵气供应流量无法满足要求的原因；在关机过程出现明显的压力波峰，主要是因为前端主阀关闭后，减压器出口到空气主阀出现盲腔，减压器关机时由于操纵腔容积大的原因，放气阀无法及时排除，延长了减压器关机的时间。
目前的减压器操纵气系统不匹配，因此需设计一套能够实现100kg/s级减压器精确控制的操纵气供应系统。
发明内容
本发明提供了一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置及其控制方法，用于解决现有减压器操纵气系统控制100kg/s减压器时会产生启动振荡和关机冲击的问题。
本发明的技术方案如下：
一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置，所述减压器包括位于减压器壳体内部的减压器操纵气腔、自上而下和减压器操纵气腔依次连接的减压器操纵腔活塞、减压器运动顶杆和减压器阀芯；在减压器壳体上还设置有减压器出口和减压器入口；其特殊之处在于：包括单片机控制系统、分别与减压器连接的进气组件和排气组件；
所述进气组件包括进气缓冲罐、设置在进气缓冲罐上的操纵气气源接口和第一进气气源压力传感器；
所述进气缓冲罐与减压器操纵气腔连通，且两者的连通通路上设置有并联的第一进气快开电磁阀和第二进气快开电磁阀；
所述排气组件包括并联的第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀，所述并联的第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀的一个连接端通过管道与减压器操纵气腔连接，另一连接端连接外部环境；
所述减压器操纵气腔上设置有第二进气气源压力传感器；
所述单片机控制系统的信号输入端分别与第一进气气源压力传感器和第二进气气源压力传感器的输出端电连接；单片机控制系统的信号输出端分别与第一进气快开电磁阀、第二进气快开电磁阀、第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀的控制端电连接。
进一步地，所述第一进气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为4mm；第二进气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
进一步地，第一排气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为4mm；第二排气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应控制方法，基于上述所述的一种 100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置，其特殊之处在于：
步骤1，将10-25MPa的氮气作为控制气源，通过操纵气气源接口输送到进气缓冲罐内；
步骤2，单片机控制系统通过第一进气气源压力传感器和第二进气气源压力传感器实时显示和采集相对应的气源压力；
步骤3，单片机控制系统预设减压器操纵气腔内的压力值为p0，实际减压器操纵气腔内的压力值为p1，两者压力差值为pe，则其具有以下关系式：
pe＝p0-p1
根据pe的大小，单片机控制系统控制第一进气快开电磁阀和第二进气快开电磁阀、第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀的开关，实现减压器压力的稳定。
进一步地，步骤3中，所述第一进气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为4mm；第二进气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为0.6mm；
第一排气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为4mm；第二排气快开电磁阀，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
进一步地，所述步骤3具体为：当pe≥2MPa时，单片机控制系统自动打开第一进气快开电磁阀和第二进气快开电磁阀，关闭第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀，实现对减压器操纵气腔快速充气；
当1MPa≤pe＜2MPa时，单片机控制系统只将进气的口径为4mm第一进气快开电磁阀打开，第二进气快开电磁阀、第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀均关闭；
当0.1MPa≤pe＜1MPa时，单片机控制系统只将口径为0.6mm第二进气快开电磁阀打开，第一进气快开电磁阀、第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀均关闭；
当-0.1MPa≤pe＜0.1MPa时，单片机控制系统将第一进气快开电磁阀、第二进气快开电磁阀、第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀均关闭；
当-1MPa≤pe＜-0.1MPa时，单片机控制系统只打开口径为0.6mm的第二排气快开电磁阀，第一进气快开电磁阀、第二进气快开电磁阀、第一排气快开电磁阀均关闭；
当-2MPa≤pe＜-1MPa时，单片机控制系统只打开口径为4mm的第一排气快开电磁阀，第二排气快开电磁阀、第一进气快开电磁阀和第二进气快开电磁阀均关闭；
当pe＜-2MPa时，单片机控制系统同时打开第一排气快开电磁阀和第二排气快开电磁阀，第一进气快开电磁阀和第二进气快开电磁阀关闭。
本发明的有益效果具体如下：
(1)本发明通过四个电磁阀相互之间的配合，满足大流量减压器精确调节和控制，减压器出口压力在启动、工作、关机等过程压力波动不超过 0.05MPa。
(2)本发明中操纵气供应系统的第一进气快开电磁阀、第二进气快开电磁阀和第一排气快开电磁阀、第二快开排气电磁阀均采用快开阀，减压器的启动时间和关机时间可以控制在0.1s以内。
(3)本发明中仅仅使用电磁阀与压力传感器组成的操纵气供应系统，其原理简单、工艺可靠性好。
附图说明
图1为现有控制系统下100kg/s级气体减压器的压力曲线；
图2为本发明的100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置的系统布置图 (未示出单片机控制系统)；
图3为使用本发明的操纵气供应装置和控制方法控制100kg/s级气体减压器的压力曲线。
1—操纵气气源接口，2—进气缓冲罐，3—第一进气气源压力传感器， 4—第一进气快开电磁阀，5—第二进气快开电磁阀，6—第二进气气源压力传感器，7—减压器操纵气腔，8—减压器操纵腔活塞，9—减压器运动顶杆， 10—减压器出口，11—第一排气快开电磁阀，12—第二排气快开电磁阀， 13—减压器入口，14—减压器阀芯。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置包括分别与减压器连接的进气组件和排气组件。
减压器内包括减压器操纵气腔7，减压器操纵腔活塞8，减压器运动顶杆 9，减压器阀芯14。减压器操纵气腔7自上至下依次连接减压器操纵腔活塞8，减压器运动顶杆9和减压器阀芯14。减压器上还设置有减压器入口13和减压器出口10，用于气体进出。
减压器操纵气腔7与进气组件和排气组件连通。
进气组件包括进气缓冲罐2、设置在进气缓冲罐2上的第一进气气源压力传感器3和操纵气气源接口1、并联的第一进气快开电磁阀4和第二进气快开电磁阀5。气缓冲罐2连通减压器，并联的第一进气快开电磁阀4和第二进气快开电磁阀5位于气缓冲罐2和减压器之间。
第一进气快开电磁阀4，开关时间为30ms，口径为4mm；第二进气快开电磁阀5，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
排气组件包括第一排气快开电磁阀11和第二排气快开电磁阀12。第一排气快开电磁阀11和第二排气快开电磁阀12两者并联且连通减压器操纵气腔7。
第一排气快开电磁阀11，开关时间为30ms，口径为4mm；第二排气快开电磁阀12，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置控制方法，使用单片机控制系统通过上述装置中的控制第一进气快开电磁阀、第二进气快开电磁阀和第一排气快开电磁阀、第二排气快开电磁阀的开关顺序从而保证减压器内压力稳定。
将25MPa的氮气作为控制气气源，通过操纵气气源接口1输送到进气缓冲罐2内，通过第一进气气源压力传感器3和第二进气气源压力传感器6能够实时显示和采集进气的气源压力。该压力作为单片机控制系统的信号输入源之一。预设减压器操纵气腔7内的压力值为p0，减压器操纵气腔7内的实际压力值为 p1，两者压力差值为pe，则其具有以下关系式：
pe＝p0-p1 (1)
当p0大于p1时，则单片机控制系统会自动根据压力差值pe的大小来控制进气电磁阀的打开顺序，从而使p1增大，实现活塞8向下运动，进一步减压器带动顶杆9向下运动，最终减压器阀芯14向下运动，此时，减压器的气体由减压器入口13进入并通过减压器的阀芯14，最终通过减压器出口10排出。
减压器操纵气腔7的压力达到预置压力值的区间时，第一进气快开电磁阀 4和第二进气快开电磁阀5通过单片机控制系统实现关闭，此时减压器实现了按照预定的压力调节。此时第二进气气源压力传感器6实时采集控制减压器操纵气腔7内的压力；
当减压器准备降低减压器出口10的压力或关闭时，将预设压力值p0设为比p1小或0MPa，此时单片机控制系统会根据上述调节算法自动打开放气阀，从而使p1减小，实现减压器内部的活塞8向上运动，进一步带动顶杆9向上运动，最终减压器阀芯14向上运动，从而降低减压器出口压力或完全关闭。
如果由于减压器出口10的压力或减压器入口13的压力波动导致减压器的操作腔内的压力变化时，第二进气气源压力传感器6实时采集控制气腔内的压力反馈至单片机控制系统实现对小口径0.6mm的电磁阀进行控制，确保操纵腔内的压力波动小于0.1MPa。
该单片机控制系统的压力调节原理为：
当pe≥2MPa时，单片机控制系统自动打开第一进气快开电磁阀4和第二进气快开电磁阀5，关闭第一排气快开电磁阀11和第二排气快开电磁阀12，实现对减压器操纵气腔7快速充气。
当1MPa≤pe＜2MPa时，单片机控制系统只将进气的口径为4mm第一进气快开电磁阀4打开，第二进气快开电磁阀5、第一排气快开电磁阀11和第二排气快开电磁阀12均关闭。
当0.1MPa≤pe＜1MPa时，单片机控制系统只将口径为0.6mm第二进气快开电磁阀5打开。
当-0.1MPa≤pe＜0.1MPa时，单片机控制系统将第一进气快开电磁阀4、第二进气快开电磁阀5、第一排气快开电磁阀11和第二排气快开电磁阀12均关闭。
当-1MPa≤pe＜-0.1MPa时，单片机控制系统只打开口径为0.6mm的第二排气快开电磁阀12，第一进气快开电磁阀4、第二进气快开电磁阀5、第一排气快开电磁阀11均关闭。
当-2MPa≤pe＜-1MPa时，单片机控制系统只打开口径为4mm的第一排气快开电磁阀11，第二排气快开电磁阀12、第一进气快开电磁阀4和第二进气快开电磁阀5均关闭。
当pe＜-2MPa时，单片机控制系统同时打开第一排气快开电磁阀11和第二排气快开电磁阀12，第一进气快开电磁阀4和第二进气快开电磁阀5关闭。
按照上述的连接方案和原理，搭建了试验平台，并对操纵气系统进行了调节。图3表示了减压器操纵腔内的压力变化。从图中可以看到，减压器操纵气腔7内的压力供应平稳。同时通过设置阶梯调节，可以看到，压力曲线爬升迅速至额定值后迅速稳定。减压器操纵气腔7内的压力供应稳定，直接决定了减压器调节平稳。通过减压器操纵气腔7内的压力变化迅速，可以保证减压器的响应时间短，提高减压器的调节动态敏感性和稳定性。
Claims (6)
1.一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置，所述减压器包括位于减压器壳体内部的减压器操纵气腔(7)、自上而下和减压器操纵气腔(7)依次连接的减压器操纵腔活塞(8)、减压器运动顶杆(9)和减压器阀芯(14)；在减压器壳体上还设置有减压器出口(10)和减压器入口(13)；其特征在于：包括单片机控制系统、通过分别与减压器连接的进气组件和排气组件；
所述进气组件包括进气缓冲罐(2)、设置在进气缓冲罐(2)上的操纵气气源接口(1)和第一进气气源压力传感器(3)；
所述进气缓冲罐(2)与减压器操纵气腔(7)连通，且两者的连通通路上设置有并联的第一进气快开电磁阀(4)和第二进气快开电磁阀(5)；
所述排气组件包括并联的第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)，所述并联的第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)的一个连接端通过管道与减压器操纵气腔(7)连接，另一连接端连接外部环境；
所述减压器操纵气腔(7)上设置有第二进气气源压力传感器(6)；
所述单片机控制系统的信号输入端分别与第一进气气源压力传感器(3)和第二进气气源压力传感器(6)的输出端电连接；单片机控制系统的控制输出端分别与第一进气快开电磁阀(4)、第二进气快开电磁阀(5)、第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)的控制端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置，其特征在于：所述第一进气快开电磁阀(4)，开关时间为30ms，口径为4mm；第二进气快开电磁阀(5)，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
3.根据权利要求2所述的一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置，其特征在于：第一排气快开电磁阀(11)，开关时间为30ms，口径为4mm；第二排气快开电磁阀(12)，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
4.一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应控制方法，基于权利要求1至3任一所述的一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应装置，其特征在于：
步骤1，将10-25MPa的氮气作为控制气源，通过操纵气气源接口(1)输送到进气缓冲罐(2)内；
步骤2，单片机控制系统通过第一进气气源压力传感器(3)和第二进气气源压力传感器(6)实时显示和采集相对应的气源压力；
步骤3，单片机控制系统预设减压器操纵气腔(7)内的压力值为p0，实际减压器操纵气腔(7)内的压力值为p1，两者压力差值为pe，则其具有以下关系式：
pe＝p0-p1
根据pe的大小，单片机控制系统控制第一进气快开电磁阀(4)和第二进气快开电磁阀(5)、第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)的开关，实现减压器压力的稳定。
5.根据权利要求4所述的一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应控制方法，其特征在于：
步骤3中，所述第一进气快开电磁阀(4)，开关时间为30ms，口径为4mm；第二进气快开电磁阀(5)，开关时间为30ms，口径为0.6mm；
第一排气快开电磁阀(11)，开关时间为30ms，口径为4mm；第二排气快开电磁阀(12)，开关时间为30ms，口径为0.6mm。
6.根据权利要求5所述的一种100kg/s级气体减压器的操纵气供应控制方法，其特征在于：
所述步骤3具体为：当pe≥2MPa时，单片机控制系统自动打开第一进气快开电磁阀(4)和第二进气快开电磁阀(5)，关闭第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)，实现对减压器操纵气腔(7)快速充气；
当1MPa≤pe＜2MPa时，单片机控制系统只将进气的口径为4mm第一进气快开电磁阀(4)打开，第二进气快开电磁阀(5)、第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)均关闭；
当0.1MPa≤pe＜1MPa时，单片机控制系统只将口径为0.6mm第二进气快开电磁阀(5)打开，第一进气快开电磁阀(4)、第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)均关闭；
当-0.1MPa≤pe＜0.1MPa时，单片机控制系统将第一进气快开电磁阀(4)、第二进气快开电磁阀(5)、第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)均关闭；
当-1MPa≤pe＜-0.1MPa时，单片机控制系统只打开口径为0.6mm的第二排气快开电磁阀(12)，第一进气快开电磁阀(4)、第二进气快开电磁阀(5)、第一排气快开电磁阀(11)均关闭；
当-2MPa≤pe＜-1MPa时，单片机控制系统只打开口径为4mm的第一排气快开电磁阀(11)，第二排气快开电磁阀(12)、第一进气快开电磁阀(4)和第二进气快开电磁阀(5)均关闭；
当pe＜-2MPa时，单片机控制系统同时打开第一排气快开电磁阀(11)和第二排气快开电磁阀(12)，第一进气快开电磁阀(4)和第二进气快开电磁阀(5)关闭。
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| CN115388327B (zh) * | 2022-07-26 | 2024-02-09 | 北京航天试验技术研究所 | 一种低温推进剂贮箱气体快速安全排放系统 |
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