脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)研究

孫　亮，白少卿，羅大亮

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)研究

孫亮，白少卿，羅大亮

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

為解決脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)高頻穩(wěn)定連續(xù)燃燒推進(jìn)劑間歇式供應(yīng)難題，開展了旋轉(zhuǎn)閥技術(shù)研究。通過(guò)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)二階凸輪特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為控制閥芯的直線開關(guān)運(yùn)動(dòng)，并放大電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率特性，實(shí)現(xiàn)最大200 Hz的高頻控制。突破了高頻響應(yīng)、長(zhǎng)壽命驅(qū)動(dòng)和氧氣安全性保障關(guān)鍵技術(shù)，完成旋轉(zhuǎn)閥鑒定試驗(yàn)和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試車考核。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電磁閥相比，旋轉(zhuǎn)閥能夠有效提高響應(yīng)頻率，實(shí)現(xiàn)了爆震波的穩(wěn)定連續(xù)輸出，滿足工程應(yīng)用要求。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)；旋轉(zhuǎn)閥；高頻控制

0　引言

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(Pulse detonation engine，PDE)是一種利用周期性爆震波產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈦?lái)產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力裝置，是當(dāng)前新概念推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其潛在的優(yōu)越性能得到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是：PDE是基于爆震燃燒基礎(chǔ)上的間歇性工作的動(dòng)力裝置，因此如何在爆震管內(nèi)迅速、可靠地產(chǎn)生爆震波是PDE設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題，同時(shí)也是決定PDE性能好壞的核心要素，高頻響應(yīng)旋轉(zhuǎn)閥是解決此核心問(wèn)題的重要途徑。為滿足系統(tǒng)高頻控制要求，控制閥設(shè)計(jì)時(shí)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)、二階凸輪特殊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥芯直線開關(guān)運(yùn)動(dòng)、齒輪變速器放大機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器程序控制調(diào)節(jié)等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥2～200 Hz高頻控制功能。該閥已完成地面熱試車考核。

1　研究現(xiàn)狀

在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，存在如何實(shí)現(xiàn)高頻周期性進(jìn)氣的問(wèn)題。美國(guó)的Helman在模擬飛行狀態(tài)的脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)模型中采用的油、氣閥門都是電磁閥，但電磁閥存在頻率過(guò)低、需外加快響應(yīng)驅(qū)動(dòng)電源等缺陷。還有一類閥門——?dú)鈩?dòng)閥能用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。氣動(dòng)閥在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和脈動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上有過(guò)不少應(yīng)用，典型的如Kentifield，Bertin，Wislicenus等氣動(dòng)閥。這幾種氣動(dòng)閥在結(jié)構(gòu)上有所不同，但其氣動(dòng)原理是一樣的。國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員已在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一些氣動(dòng)閥應(yīng)用于PDE，如Srnirnov等的錐形氣動(dòng)閥，Ashasov和 Penyazkov等帶90°拐彎結(jié)構(gòu)的復(fù)合式氣動(dòng)閥，Levin等的阻流器式氣動(dòng)閥，Brophy等組合了錐形與Kentifield的氣動(dòng)閥及范育新、王家驊等的旋流器式氣動(dòng)閥。除此之外，國(guó)內(nèi)外還開發(fā)了旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)閥利用旋轉(zhuǎn)周期性打開和關(guān)閉介質(zhì)通路或者爆震管，較好地解決了頻率和開關(guān)質(zhì)量問(wèn)題，是PDE研究的另一項(xiàng)核心課題。旋轉(zhuǎn)閥的優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)氣時(shí)流阻小、關(guān)閉時(shí)密封性好，特別是響應(yīng)頻率較高，可以達(dá)到200 Hz量級(jí)，因此在已研制PDE樣機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，如普惠公司研制的五管旋轉(zhuǎn)閥式PDE樣機(jī)，在模擬高空12 000 m條件下實(shí)現(xiàn)了最高工作頻率120 Hz的穩(wěn)定工作。

2　技術(shù)方案

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)控制用高頻旋轉(zhuǎn)閥主要由伺服電機(jī)、相位反饋編碼器、轉(zhuǎn)換齒輪、放大齒輪、二階凸輪、驅(qū)動(dòng)鋼球、旋轉(zhuǎn)閥體、氧路閥、燃路閥、氮?dú)忾y、離心噴嘴和轉(zhuǎn)接支架等組成，材料均按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求選用與氧氣相容的牌號(hào)。采用單個(gè)電機(jī)軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)三路閥芯實(shí)現(xiàn)啟閉控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中氧氣路和煤油路為同相位，氮?dú)饴放c其錯(cuò)開90°，二階凸輪實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，三路各自旋轉(zhuǎn)兩周的頻率放大功能，實(shí)現(xiàn)高頻驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)閥的主要技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

表1　旋轉(zhuǎn)閥主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1　Primary specifications of rotary valve

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1）旋轉(zhuǎn)閥采用空冷交流伺服電機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)滾珠滾動(dòng)，并產(chǎn)生各路閥芯開度變化，使各閥芯能夠打開和關(guān)閉。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)凸輪相位的準(zhǔn)確控制和位置反饋，并提供點(diǎn)火信號(hào)，也可以實(shí)現(xiàn)額定工作頻率以下的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2）旋轉(zhuǎn)凸輪采用二階凸輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每路閥芯在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)間內(nèi)打開和關(guān)閉工作各2次，其工作響應(yīng)頻率是電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率的2倍。氧氣閥、煤油閥均由凸輪1同時(shí)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)打開90°工作區(qū)域后再旋轉(zhuǎn)關(guān)閉90°區(qū)域。氧氣閥和煤油閥處于相同的相位，具有相同的打開與關(guān)閉動(dòng)態(tài)特性；氮?dú)忾y在氧氣閥和煤油閥工作120°相位后由凸輪2驅(qū)動(dòng)開啟，并工作旋轉(zhuǎn)30°區(qū)域時(shí)間。

閥芯工作狀態(tài)與凸輪的相對(duì)位置關(guān)系見圖2。

圖1　旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)原理及其在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)物安裝Fig.1　Structure and principle of rotary valve,and picture of pulse detonation engine system

圖2　閥芯開啟/關(guān)閉狀態(tài)與凸輪位置相對(duì)關(guān)系Fig.2　Relative relation of valve core on/off state and cam position

3） 三路控制閥芯采用相同的技術(shù)方案，見圖3，將不同介質(zhì)工作流量要求不同的閥芯結(jié)構(gòu)按最大流量和通用化思想設(shè)計(jì)為統(tǒng)一狀態(tài)，并通過(guò)調(diào)整墊片進(jìn)行大小流量匹配裝配。閥芯閥座選用菌狀密封型式，閥芯密封材料選擇氟塑料，保證快速關(guān)閉時(shí)具有良好的密封性能，同時(shí)兼顧介質(zhì)相容性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，以滿足高頻長(zhǎng)時(shí)可靠工作要求。

圖3　三路通用閥芯結(jié)構(gòu)Fig.3　Three-channel commonly-used structure of valve core

4） 結(jié)構(gòu)方案中的不同介質(zhì)路閥芯的工作相對(duì)相位可以通過(guò)更換不同相位控制的凸輪零件實(shí)現(xiàn)。凸輪采用高強(qiáng)度材料，并在工作表面進(jìn)行特殊金屬材料涂覆，滿足1 000 h以上的長(zhǎng)壽命工作要求。

5） 旋轉(zhuǎn)閥上還集成設(shè)計(jì)了推進(jìn)劑霧化裝置——旋流式氣－液同軸噴注器，見圖4，為推力產(chǎn)品氣-液工作介質(zhì)常用的噴注單元形式，并在其霧化性能試驗(yàn)方面進(jìn)行過(guò)大量的研究工作；按照該噴注器的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，可以滿足良好摻混與霧化的要求。

圖4　推進(jìn)劑摻混霧化噴注器Fig.4　Mixture and atomization injector for propellant

6）電機(jī)的設(shè)計(jì)與選用

電機(jī)選擇原則：以一個(gè)周期內(nèi)凸輪頂開閥芯瞬間的力所需的全行程最大功率（摩擦力矩）作為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行電機(jī)額定力矩選擇。所需電機(jī)扭矩計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　旋轉(zhuǎn)閥凸輪驅(qū)動(dòng)特性計(jì)算Tab.2 Calculation of cam driving features of rotary valve

根據(jù)表中所需電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選擇某公司生產(chǎn)的80系列空冷交流伺服電機(jī)。該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為2.5 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為7.5 N·m；額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，最高轉(zhuǎn)速為3 600 rpm；額定功率為0.75 kW。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的任意設(shè)定，通過(guò)相位編碼器能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)角位置設(shè)定和位置反饋，該反饋信號(hào)可以作為下一周期的點(diǎn)火控制信號(hào)。

3　關(guān)鍵技術(shù)及攻關(guān)

旋轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)時(shí)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、二階凸輪轉(zhuǎn)換、滾動(dòng)鋼球承接、三路閥芯分別高頻率啟閉的結(jié)構(gòu)方案，具有結(jié)構(gòu)新穎、驅(qū)動(dòng)頻率高、相位可調(diào)、頻率可控、相位可輸出的特點(diǎn)。研制過(guò)程中突破了高頻響應(yīng)控制、長(zhǎng)壽命可靠驅(qū)動(dòng)、氧氣使用安全性等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1高頻響應(yīng)控制設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求旋轉(zhuǎn)閥控制頻率不小于60 Hz，且國(guó)際上已完成80 Hz的驗(yàn)證試驗(yàn)，而現(xiàn)有傳統(tǒng)大流量電動(dòng)氣閥最快響應(yīng)頻率僅達(dá)到30 Hz。要滿足60 Hz以上的控制無(wú)法采用傳統(tǒng)的電磁閥或電動(dòng)氣閥結(jié)構(gòu)方案，必須創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)時(shí)選用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)滾動(dòng)鋼球?qū)㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為常規(guī)閥芯的啟閉直線運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)二階凸輪機(jī)構(gòu)將高頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率（60 Hz）進(jìn)行放大，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，凸輪高低行程變化2次，從而使得閥芯可以開關(guān)2次，將電機(jī)頻率放大一倍，實(shí)現(xiàn)了200 Hz以上的高頻響應(yīng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也可再通過(guò)變速器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更快頻響的控制設(shè)計(jì)。

3.2長(zhǎng)壽命可靠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求旋轉(zhuǎn)閥滿足1 000 h以上旋轉(zhuǎn)工作壽命要求，分析其關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)為凸輪機(jī)構(gòu)與滾動(dòng)鋼球之間的耐磨性。為此，設(shè)計(jì)過(guò)程中采取了以下途徑及措施：

1） 在凸輪外表面和與之配合的閥體內(nèi)孔面上均進(jìn)行鍍鉻化學(xué)表面處理，增強(qiáng)其耐磨性。鍍鉻主要是提高凸輪及其配合面的表面硬度和耐磨性能，以延長(zhǎng)凸輪的使用壽命。鍍鉻層硬度達(dá)到Hv800～1 100，抗磨料磨損性能好，熔點(diǎn)高達(dá)1 770℃，可改善耐熔磨損性能。在正常同等條件下，鍍鉻后零件的使用壽命可提高10～50倍。做好凸輪及配合零件導(dǎo)向面的鍍鉻能夠很好地滿足工作壽命要求。

2）設(shè)計(jì)合理的凸輪高低行程過(guò)渡面。采用流線圓弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效減少運(yùn)動(dòng)阻力，提高凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的靈活性，也消除了由于過(guò)渡不順暢導(dǎo)致磨損，降低壽命問(wèn)題。

3） 表面有效潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在凸輪與閥體內(nèi)腔及鋼球配合面處，設(shè)計(jì)留有一定容腔的結(jié)構(gòu)，用于貯存和保留滿足長(zhǎng)時(shí)間工作必需的潤(rùn)滑油，并在裝配中嚴(yán)格控制和檢查。

3.3安全性設(shè)計(jì)

由于旋轉(zhuǎn)閥工作介質(zhì)為氧氣、煤油和氮?dú)猓嬖谘鯕馐褂冒踩缘膯?wèn)題，針對(duì)該安全性問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下措施：

1）選擇滿足壓力和流速安全性要求的材料。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，氧氣工作壓力最大為4 MPa，滿足大于0.6 MPa且小于10 MPa的范圍，根據(jù)GB16912-1997《氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，其相關(guān)結(jié)構(gòu)材料可以選用奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中均選用了不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料，并熱處理成奧氏體狀態(tài)。

2） 禁油設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)和裝配中禁止在氧氣通路中使用潤(rùn)滑油膏，并在裝配前進(jìn)行嚴(yán)格清洗，裝配試驗(yàn)中嚴(yán)格控制。

3） 減少運(yùn)動(dòng)中的摩擦磨損。在氧氣路結(jié)構(gòu)中提高設(shè)計(jì)表面的光潔度，避免銳邊結(jié)構(gòu)，確保運(yùn)動(dòng)中不產(chǎn)生摩擦火花現(xiàn)象。

4　旋轉(zhuǎn)閥試驗(yàn)

通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，旋轉(zhuǎn)閥通過(guò)了設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)，完成了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)地面多次高頻脈沖點(diǎn)火熱試車考核，其工作性能和壽命均滿足技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到工程應(yīng)用要求。

4.1設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)閥按照技術(shù)文件要求完成了全部設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)項(xiàng)目包括：閥芯行程檢查、液壓強(qiáng)度試驗(yàn)、工作壓力1.0～4.0 MPa下的氣密性檢查、流量流阻特性試驗(yàn)、動(dòng)作壽命試驗(yàn)（動(dòng)作脈沖頻率為10～200 Hz）等。

試驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)閥工作正常，產(chǎn)品性能均滿足技術(shù)文件指標(biāo)要求，具體見表3。

表3　旋轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)結(jié)果Tab.3　Design authentication and test results of rotary valve

4.2熱試車考核情況

旋轉(zhuǎn)閥先后參加了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試樣階段共計(jì)105次地面高頻脈沖點(diǎn)火試車（圖5）。采用編碼器、解碼器和計(jì)算機(jī)組成點(diǎn)火控制系統(tǒng)，以汽油為燃料，氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w(各占50%)為氧化劑，氮?dú)庾鳛楦綦x氣。進(jìn)行了基于旋轉(zhuǎn)閥的點(diǎn)火試車實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其應(yīng)用于脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，實(shí)現(xiàn)了工作頻率2～200 Hz的穩(wěn)定運(yùn)行試車（見圖6）。在旋轉(zhuǎn)閥的高頻控制下，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)和充分發(fā)展的爆震波輸出，爆震波速為1 750～2 800 m/s，達(dá)到了C-J波速的80%～97%。

試車中，旋轉(zhuǎn)閥工作正常，響應(yīng)頻率滿足試車控制要求。

圖5　脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試車點(diǎn)火現(xiàn)場(chǎng)照片及爆震管紅外照片F(xiàn)ig.5　Picture of fire test of pulse detonation engine and infrared photograph of detonation tube

圖6　脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試車爆震管內(nèi)壓力高頻響應(yīng)曲線Fig.6　Curves of pressure high-frequency response inside detonation tube in pulse detonation engine fire test

5　結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)閥是為新型脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)配套研制的一種閥門產(chǎn)品，用于解決脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、充分發(fā)展爆震波而必須進(jìn)行的推進(jìn)劑供應(yīng)高頻間歇式控制的難題。通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，順利完成了設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了最高頻率200 Hz的脈沖爆震點(diǎn)火控制效果，后續(xù)將同脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)一起重點(diǎn)研究工程應(yīng)用課題，完成飛行演示驗(yàn)證。

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（編輯：陳紅霞）

Technology research of rotary valve for pulse detonation engine

SUN Liang,BAI Shaoqing,LUO Daliang
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

In order to resolve the difficult problem of pulse detonation engine's steady and continuous burn ofthe fuel which is supplied intermittently,the technologyresearch ofrotaryvalve was developed.The motor axle's rotary motion is transformed to linear on-off motion of the valve core based on the design of a special structure in which the servo motor is adopted to drive two-order cam. The rotational frequency of the motor is enlarged by two-order cam simultaneously to realize the control of high frequency of 200 Hz.The key technology problems of high-frequency response, long-life drive and oxygen safetywere resolved.The rotaryvalve's performance test and the ground fire test at different operation frequencies were carried out.The results show that the rotary valve can improve the frequency response more efficiently in comparison with the traditional solenoid valve,and satisfy the requirement of engineering application.Steady and continuous output of the detonation wave was realized.

pulse detonation engine;rotary valve;high-frequency control

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0041-06

2016-05-30；

2016-07-05

孫亮（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門設(shè)計(jì)與研發(fā)