燃料調(diào)節(jié)裝置

對高溫流量調(diào)節(jié)閥的研究主要集中在兩個方面：一方面是對高溫材料的研究；另一方面是對高溫流量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，能否滿足性能要求的研究，這主要通過理論分析，合理設(shè)計并進行試驗來完成。

航天發(fā)動機等領(lǐng)域廣泛使用的高溫材料為高溫合金材料，其抗氧化、工藝性好、高強韌和良好的導(dǎo)熱性等優(yōu)點使其具有良好的綜合性能，但由于高溫合金受到金屬熔點的限制，最高溫度難以滿足發(fā)展的要求，必須尋找出更耐高溫的材料來替代高溫合金。從當前新型高溫材料的研究來看，比較受關(guān)注的主要有陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料、金屬間化合物以及難熔金屬硅化物基復(fù)合材料。他們普遍具有低密度、高比強和低膨脹系數(shù)等優(yōu)點，使用溫度都在1000℃以上，但由于其高溫下的特性仍無法與高溫合金相抗衡，在航天發(fā)動機上的應(yīng)用還比較少，但從國內(nèi)外應(yīng)用情況以及發(fā)展前景來看，非金屬的新型高溫材料將會成為未來應(yīng)用于航天發(fā)動機等領(lǐng)域的主要材料。

燃料調(diào)節(jié)裝置高溫流量調(diào)節(jié)閥控制調(diào)節(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在常溫下流量調(diào)節(jié)閥控制調(diào)節(jié)方式主要有手動調(diào)節(jié)方式、電磁驅(qū)動方式、伺服控制方式和比例控制方式、數(shù)字控制方式以及先導(dǎo)控制方式等。

電磁控制方式采用普通的螺線管式電磁鐵做驅(qū)動元件，結(jié)構(gòu)簡單，屬開關(guān)控制方式，只能實現(xiàn)開環(huán)控制，無法滿足高精度的流量調(diào)節(jié)需要。伺服控制方式是采用力矩馬達做驅(qū)動元件的控制方式，具有響應(yīng)速度快、控制精度高，易于實現(xiàn)閉環(huán)控制等特點。但伺服控制流量調(diào)節(jié)元件對工作介質(zhì)的清潔度等級要求非常高，而且價格較昂貴。比例控制方式是采用比例電磁鐵驅(qū)動的一種控制方式，比例控制元件可以接受電信號的指令，連續(xù)成比例地控制系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)，使之與輸入電信號成比例的變化。與手動調(diào)節(jié)和電磁驅(qū)動的流量調(diào)節(jié)元件相比，比例控制方式控制水平高；與伺服控制方式相比，控制性能稍差，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗污染能力強。

數(shù)字控制方式是采用步進電機或伺服電機的一種控制方式，控制精度高，響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)直接的數(shù)字控制，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要在步進電機或伺服電機與調(diào)節(jié)元件之間增加機械傳動裝置，從而把步進電機或伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為流量調(diào)節(jié)元件閥芯的直線運動。

先導(dǎo)控制方式是采用液體或氣體控制的先導(dǎo)控制元件驅(qū)動主控制元件動作的控制方式，具有控制精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制等特點，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，響應(yīng)速度會受到先導(dǎo)控制元件和先導(dǎo)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的限制。

由于比例電磁鐵、力矩馬達或步進電機的最高工作溫度一般都不超過150℃，而高溫閥的工作溫度一般在400~700℃，因此高溫流量調(diào)節(jié)閥很難采用比例控制、伺服控制和數(shù)字控制進行調(diào)節(jié)。高溫的流量調(diào)節(jié)閥多采用手動調(diào)節(jié)方式，通常用于汽輪機及化工生產(chǎn)過程中。但手動調(diào)節(jié)方式無法滿足超燃沖壓發(fā)動機燃料流量自動精確調(diào)節(jié)的要求。

燃料調(diào)節(jié)裝置燃料控制系統(tǒng)的任務(wù)

通過控制進入鍋爐的燃料量(如:油、煤等)維持過熱器出口汽壓,以保證在不同負荷下鍋爐的安全運行,汽壓變化時表示鍋爐的蒸汽產(chǎn)量和負荷的耗汽量不適應(yīng),這時必須相應(yīng)地改變?nèi)剂系墓?yīng)量,以改變鍋爐的產(chǎn)汽量,維持燃燒過程的能量平衡。

燃料調(diào)節(jié)裝置燃料量控制系統(tǒng)的燃料信號

控制系統(tǒng)與燃燒過程是可以相互獨立運行的，對于燃燒過程而言，可以迅速有效地改變進入爐膛的燃料量，以適應(yīng)負荷的變化，這對于維持主汽壓力的穩(wěn)定是有利的。但對于燃料量的測量上是一個特殊的問題，要準確測量進入爐膛的瞬時煤粉量尚有難度。在系統(tǒng)設(shè)計時采用的方法是兩種間接法：最常見的是采用給粉機轉(zhuǎn)速信號代替給粉量的方法，因為在正常(理想)情況下,給粉機的出力與轉(zhuǎn)速成正比。給粉機轉(zhuǎn)速容易測量、反應(yīng)速度快，因此，采用給粉機轉(zhuǎn)速信號代表給粉量是中儲式熱風送粉鍋爐燃料控制系統(tǒng)常用方法之一。另外一種是以熱量信號代表燃料量信號的燃料控制系統(tǒng)，熱量信號是由蒸汽流量信號和汽包壓力的微分信號組成,在蓄熱系統(tǒng)準確求出后，它能較準確代表進入鍋爐的燃料量，并能克服給粉機轉(zhuǎn)速信號代表給粉量的一些缺點。

在煤氣化聯(lián)合循環(huán)中，當采用熱值較低的氣體燃料時，需要重新設(shè)計燃燒系統(tǒng)，或?qū)ρb置的燃料系統(tǒng)進行修改和調(diào)整。作為燃料系統(tǒng)的重要部件———氣體燃料調(diào)節(jié)閥，其工作情況直接影響燃料系統(tǒng)的運行，乃至整個機組的性能，因此對該閥進行性能試驗研究是至關(guān)重要的。

在低熱值煤氣燃料系統(tǒng)中，由于燃料的熱值低，且主要可燃成分H₂和CO有毒、易爆炸，因此要求煤氣調(diào)節(jié)閥具有大流量、快速關(guān)閉及密封性良好等特點。為了使該閥滿足大流量的要求，增加閥門口徑是有效措施之一。然而，據(jù)美國通用公司在分析以某低熱值煤氣(其熱值約3 768～5 443 kJ/m3)作燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置方案時，估算其燃料管道的直徑和燃料調(diào)節(jié)閥尺寸比原來的天然氣系統(tǒng)增大3～ 4倍,即其通流面積增大9～ 16倍。這種龐大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅增加總體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難，而且會使調(diào)節(jié)閥的動態(tài)特性大大變壞，甚至其時間常數(shù)將要大到機組的調(diào)節(jié)閥所不能容許的程度。此外，閥件尺寸的增加，使氣體密封性能也將變壞。可見單純增大調(diào)節(jié)閥尺寸的改進方法難以滿足要求。我國尚無此類型的調(diào)節(jié)閥，需要對引進國外技術(shù)進行消化和吸收，研制適合煤氣化聯(lián)合循環(huán)的氣體燃料調(diào)節(jié)閥。

伺服技術(shù)在50年代已日臻完善，由于伺服閥的快速響應(yīng)及高的控制精度，以其明顯的技術(shù)優(yōu)勢，迅速在高精度、快速響應(yīng)的領(lǐng)域中，如航天、航空、軋鋼設(shè)備及實驗設(shè)備等中取代了傳統(tǒng)的機電控制方式。但人們也很快發(fā)現(xiàn)，由于電液伺服器件的價格過于昂貴，對油質(zhì)要求十分嚴格，控制損失(閥壓降)較大，使伺服技術(shù)難以更廣泛地被工業(yè)應(yīng)用所接受。在很多工業(yè)應(yīng)用場合，要求一般的高質(zhì)量的控制手段，卻并不要求太高的控制精度或響應(yīng)性。

現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，要求發(fā)展一種廉價、節(jié)能、維護方便、適應(yīng)大功率控制及具有一定控制精度的電液比例控制技術(shù)。而現(xiàn)代電子技術(shù)和測試技術(shù)的發(fā)展為工程界提供了可靠而廉價的檢測、校正技術(shù)。這些為電液比例技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件。

電液比例閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓閥，它可以接受電信號的指令，連續(xù)成比例地控制系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)，使之與輸入電信號成比例的變化。電液比例閥多用于開環(huán)系統(tǒng)中，實現(xiàn)對液壓參數(shù)的遙控，也可作為信號轉(zhuǎn)換與放大元件用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。與手動調(diào)節(jié)和通斷控制的普通液壓閥相比，它能大大提高液壓系統(tǒng)的控制水平；與電液伺服閥相比，雖然它的動靜態(tài)性能有些遜色，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低，己能滿足多數(shù)對動靜態(tài)指標要求不很高的場合。

二十世紀七十年代電液伺服控制技術(shù)日趨成熟，并迅速向民用工業(yè)推廣，但是，由于伺服閥的制造精度要求很高，價格昂貴，對油污十分敏感，對系統(tǒng)的使用維護要求很高，所以它難以被廣泛地接受。于是具有高精度、快響應(yīng)的電液比例閥應(yīng)運而生，它不僅具有伺服閥的特點，而且它的抗污染能力強，使用可靠，維護簡單，成本低廉。而在近30年來，電液比例閥經(jīng)歷了發(fā)展的三個階段：

第一階段的閥是在原電磁開關(guān)閥的基礎(chǔ)上，保留閥內(nèi)主結(jié)構(gòu)不變，只是用比例電磁鐵代替普通電磁鐵，從性能上說頻寬約1~5Hz，滯環(huán)約4%~7%。

第二階段比例器件普遍采用了內(nèi)反饋回路，同時研制了耐高壓比例電磁鐵，與之配套的比例放大器也日趨成熟，從性能上說，比例閥的頻寬己達5~15Hz，滯環(huán)縮小到3%左右。

第三階段起始于80年代，比例技術(shù)主要特點是：

1.設(shè)計原理進一步完善，通過液壓、機械以及電氣的各種反饋手段，使比例閥的性能進一步提高，頻寬達到3~50Hz，滯環(huán)在1%~3%之間；

2.比例技術(shù)和插裝技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出二通、三通比例插裝閥；

3.出現(xiàn)多種將比例閥、傳感器、電子放大器和數(shù)字顯示裝置集成在一塊的機電一體化器件；

4.將比例閥和液壓泵、液壓馬達等組成一起，構(gòu)成節(jié)能的比例容積器件。

比例閥，按其生產(chǎn)過程還可分為兩類：一類是在電液伺服閥的基礎(chǔ)上簡化結(jié)構(gòu)、降低制造精度，從而以低頻寬和低靜態(tài)指標來降低閥的成本，用于對頻寬和控制精度要求不高的場合。另一類是在傳統(tǒng)的液壓閥基礎(chǔ)上，配上廉價的螺管式比例電磁鐵進行控制。

隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展，電液比例閥的性能也在不斷提高，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

1.操作方便，容易實現(xiàn)遙控；

2.自動化程度高，容易實現(xiàn)編程控制；

3.工作平穩(wěn)，控制精度高，價格便宜，性價比高；

4.結(jié)構(gòu)簡單，使用元件較少，對污染不敏感；

5.系統(tǒng)的節(jié)能效果好。因此在控制較復(fù)雜，特別是要求有高質(zhì)量控制水平。

液控式高溫燃料流量調(diào)節(jié)閥的閥口為拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)形式。拉瓦爾管的結(jié)構(gòu)主要包括入口、穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴張段。由于技術(shù)要求對主閥結(jié)構(gòu)大小以及壓力損失的限制，將進氣口安排在近出口端，這樣可以有效的減少壓力損失，同時兩個進氣口對稱布置，不僅保證了大流量的過流能力，而且可以改善閥體受熱與應(yīng)力分布不均勻的狀況。由于把進氣口放置在近出口端，因此該拉瓦爾管幾乎沒有了穩(wěn)定段，會略有來流不穩(wěn)定的問題。收縮段的目的加速氣體并要保證出口氣流穩(wěn)定，因此應(yīng)盡量短，但又不能太短。擴張段為了避免嚴重激波的出現(xiàn)，半頂角角度不應(yīng)過大，而角度太小，壓力損失又比較嚴重，因此在本閥中半頂角選為5°，同時擴張段盡量保證一定的長度是為了更好的恢復(fù)壓力，以滿足出口處對氣體壓力的需求。波紋管在本閥中主要起密封作用，閥芯伸出桿的直徑與波紋管內(nèi)徑幾乎相等，起到一定的徑向固定的作用，防止閥芯在運動過程中受力不均勻而側(cè)彎。

比例閥的閥體采用閥芯、閥套結(jié)構(gòu)，這樣可以在閥套上開非全周的節(jié)流窗口以獲得較小的面積梯度，從而可以增加閥的控制精度。為了使得閥的節(jié)流面積與閥芯位移成正比關(guān)系，閥套上的節(jié)流窗口采用矩形形狀。在閥芯的兩個臺肩上各加工有三條寬和深各為1mm的均壓槽，用以減小閥芯所受到的偏心力，防止閥心卡死。此外，還能起到增加閥芯和閥套之間的氣密性的作用。

閥在工作時，進入閥的工作介質(zhì)溫度很高，而普通的比例電磁鐵、密封圈和彈簧都難以承受如此高的溫度。為了防止它們在高溫下失效，對比例電磁鐵和彈簧要采取隔熱措施，密封圈剛要使用較軟的金屬材料。在本設(shè)計中，用導(dǎo)熱系數(shù)較低的剛玉墊片隔開比例電磁鐵和閥體，整個比例電磁鐵只有連接螺栓和推桿尖端與閥體接觸，它們的橫截面積較小，因此能使比例電磁鐵的溫度保持在安全范圍內(nèi)。對于閥體內(nèi)的彈簧，則使用兩個導(dǎo)熱系數(shù)更低的氧化鋯球來隔開與閥體的接觸，最大限度地防止其溫度的升高。閥中的密封圈使用紫銅加工而成，能保證閥在高溫下的密封性能。

為了保證閥套和閥體間的氣密性，它們的接觸面在加工時需要保證一定的粗糙度要求，它們之間的配合使用過盈配合。由于閥芯既要在閥套內(nèi)滑動，又要保證氣密性，因此它們的表面粗糙度和配合精度要求很高，在設(shè)計與加工中，它們接觸面的粗糙度要求為0.8，配合間隙為3μ。

比例流量控制閥與普通節(jié)流閥的差別就是閥芯的運動由比例電磁鐵來驅(qū)動，并且閥的制造與控制精度更高。當經(jīng)過放大器給定比例電磁鐵一個輸入信號時，電磁鐵推動節(jié)流閥芯移動一定的開口量，當節(jié)流口前后壓差一定時，通過的流量就只與閥芯的開口量有關(guān)。通過調(diào)節(jié)比例電磁鐵的輸入電流就可以控制節(jié)流閥的流量。在進氣口壓力一定和節(jié)流口壓差不變時，給定一連續(xù)的電信號，閥就會輸出一連續(xù)的流量，因此使電信號和輸出流量具有比例關(guān)系。這就是比例式高溫氣態(tài)燃料流量調(diào)節(jié)閥的工作原理。

該閥由主閥和液壓先導(dǎo)控制部分組成，其中液壓先導(dǎo)控制部分主要包括電液伺服閥和主閥閥芯驅(qū)動活塞組成。

液控式高溫燃料流量調(diào)節(jié)閥是采用液壓先導(dǎo)控制的流量調(diào)節(jié)閥，通過先導(dǎo)控制回路調(diào)節(jié)控制活塞的位移，進而調(diào)節(jié)主閥閥芯位移，在主閥閥芯驅(qū)動活塞伸出桿上裝有位移傳感器，位移傳感器將閥芯位移反饋回來與輸入信號進行比較從而形成閉環(huán)控制。調(diào)節(jié)閥P口和T口分別為流量調(diào)節(jié)閥主閥的入口及出口，X口接控制油源，U1為輸入閥芯位移控制信號，U2為位移傳感器的反饋信號，△U為輸入控制信號與反饋信號的偏差信號。當給定一個控制信號時，電液伺服閥控制主閥閥芯驅(qū)動活塞產(chǎn)生一定的位移量，活塞桿與閥芯桿之間通過法蘭剛性連接，因此活塞桿帶動主閥閥芯運動，裝在活塞桿上的位移傳感器將閥芯位移反饋給控制器，控制器通過計算得出位移偏差信號對伺服閥進行控制，從而使主閥閥芯產(chǎn)生與輸入信號相對應(yīng)的位移量，實現(xiàn)閉環(huán)控制。若此時調(diào)節(jié)閥前后壓力和入口溫度一定，則流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的燃料流量只與主閥閥口開度有關(guān)系，這樣就可以通過控制閥芯位移的大小來控制輸出流量。

在比例式氣態(tài)燃料流量調(diào)節(jié)閥中，閥芯的運動是是靠比例電磁鐵來驅(qū)動的，為了給閥的設(shè)計提供依據(jù)，必須全面地分析閥芯運動時的受力情況。閥芯運動時的受力情況，隨閥芯形式的不同而不同，就一般而言，按其作用力的方向可分為：周緣力、側(cè)向力和軸向力三類。周緣力的作用是使閥芯產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，通常忽略不計。側(cè)向力主要是由于流體流過閥芯、閥套之間的縫隙引起的不平衡力產(chǎn)生的，在液壓閥分析設(shè)計中對這種不平衡力已有較詳細的分析和計算，這套分析方法和所得到的規(guī)律對氣動閥也是適用的，只是其定量關(guān)系有些差別。對于側(cè)向力，往往通過一些加工和結(jié)構(gòu)上的方法來減小它，在建立模型時可以不考慮。

作用在閥芯軸向的力主要包括：

驅(qū)動力：比例電磁鐵對閥芯的推力；

慣性力：包括閥芯和隨閥芯一起運動的附件加速運動時產(chǎn)生的慣性力；

干摩擦力：很難計算，需要從設(shè)計和使用上予以消除；

粘性摩擦阻力：當流體流經(jīng)滑閥副縫隙時，由于流體的粘性對閥芯運動產(chǎn)生的摩擦阻力，與閥芯的運動速度成正比，很難精確計算；

氣體反作用力：由于流體在閥腔中的流動而產(chǎn)生的反作用力，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種流體反作用力。

液控式高溫燃料流量調(diào)節(jié)閥主閥閥芯的運動主要靠液壓先導(dǎo)控制部分進行驅(qū)動和控制，為了給液壓先導(dǎo)控制部分的設(shè)計及其控制特性的分析提供依據(jù)，需要對主閥閥芯處的受力進行分析。

閥芯形狀不同，閥芯在運動時所受的力也不同，一般可分為：周緣力，使閥芯產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力；側(cè)向力，由于閥芯徑向受力不均勻而產(chǎn)生的使閥芯沿徑向偏向一側(cè)的力；軸向力，閥芯軸向運動所受到的力，通常為閥芯主要的負載力。周緣力和側(cè)向力可以通過加工時對結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計而消除或是抑制，在本文的設(shè)計仿真中不予考慮。

閥芯所受到的軸向力主要有：

1) 慣性力，閥芯做加、減速運動時由于慣性作用所受到的力；

2) 彈性力，密封作用的波紋管是一個彈性體，當其被拉伸或是壓縮時就會對閥芯產(chǎn)生反作用的彈力；

3) 驅(qū)動力，伺服液壓缸帶動閥芯運動時給閥芯的力；

4) 粘性阻力，閥芯運動時，由于氣體的粘性而產(chǎn)生的阻礙閥芯運動的粘性摩擦力，比較難以計算，但是這個粘性阻力比較小，一般可以忽略。

5) 液動力，分為穩(wěn)態(tài)液動力與瞬態(tài)液動力。液流速度的大小和方向隨著流道空間變化而不隨時間變化產(chǎn)生的力為穩(wěn)態(tài)液動力，穩(wěn)態(tài)液動力一般比較大，是影響主閥閥芯驅(qū)動力的重要因素。閥芯運動引起的液流加速或減速，液流速度的大小和方向隨著時間而變化，由此產(chǎn)生的力為瞬態(tài)液動力，瞬態(tài)液動力相對于穩(wěn)態(tài)液動力一般比較小，但瞬態(tài)液動力會影響閥的穩(wěn)定性，需要進行必要的分析。

自動調(diào)節(jié)裝置就是指不用人力而用機械、電氣等外力 ，通過系統(tǒng)狀態(tài)的反饋自動校正系統(tǒng)的誤差，使諸如速度、溫度、電壓或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的裝置，或者裝置由微電腦、芯片控制自動調(diào)節(jié)。

自動是指不用人力而用機械、電氣等裝置直接操作的；或自己主動；

調(diào)節(jié)是指通過系統(tǒng)狀態(tài)的反饋校正系統(tǒng)的誤差，使諸如速度、溫度、電壓或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的過程（現(xiàn)在的技術(shù)完全可以自動化）；

自動調(diào)節(jié)裝置就是指不用人力而用機械、電氣等外力 ，通過系統(tǒng)狀態(tài)的反饋自動校正系統(tǒng)的誤差，使諸如速度、溫度、電壓或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的裝置，或者裝備由微電腦、芯片控制自動調(diào)節(jié)。

水平調(diào)節(jié)裝置是一款能夠把天平儀器調(diào)整到標準水平位置的調(diào)節(jié)設(shè)備。

中文名稱

水平調(diào)節(jié)裝置

英文名稱

level adjuster

定　　義

調(diào)正離心機處于水平位置的裝置。

應(yīng)用學科

機械工程（一級學科），實驗室儀器和裝置（二級學科），實驗室離心機-實驗室離心機零部件及附件（三級學科）