符号说明
S———阀套调整行程，mm
Smax———阀套最大调节行程，mm
———阀套的相对调整行程=S/Smax
D———阀门前后管道直径，mm
Ft———阀门前后管道截面积，mm2
———阀门初始开启面积比，
———最大开启面积比，
———指数特征曲线和直线特征曲线的过渡点
与管道截面积相比
x———型面横坐标，mm
y———型面纵坐标，mm
p02———阀后总压，Pa
p01———阀前总压，Pa
ν———压力恢复系数，ν＝p02/p01
λ2-阀后管道速度系数
Z（λ）———冲量函数
K———比热比，空气k＝1.4
G———气流流量，kg/s
R———气体常数，J/（kg·K）
V———气源容积，m3
To———气体总温，K
0 引言
在下吹式跨超声速风洞中，压力调节阀用于控制稳定段内的气流压力，风洞运行过程中，随着气源压力的下降，通过控制系统调节控制调压阀的开度，以保证稳定段内气流压力稳定在某一运行压力值，维持风洞的正常运行。由于大型暂冲式风洞试验对其调压阀气动力要求的特殊性：（1）与调节机构有关的节流阻力应当均匀地变化，以保持相同阀芯位移引起相近的压力变化；（2）应具有很高的调节速度，以减小风洞的耗气量；（3）调压阀应具有较小的全开位置阻力，以提高气源的截止压力；（4）压力调节特性（能力）在理论上的可预知性，以确保对风洞调压能力的实现。因此，采用工业管道阀门难以满足要求。
目前，风洞中常用的压力调节阀有以下类型：（1）窗孔套筒阀，其优点是阀后气流对称性好，调节特性可满足风洞运行压力控制的要求，但存在压力调节范围窄、套筒移动过程阻力变化不均匀、全开位置阻力大等缺点；（2）锥形压力调节阀具有调节范围宽、操作惯性大的特点；（3）环形间隙压力调节阀可在主要工作状态下获得线性或近似线性调节特性，具有阀后气流对称性好、调节范围宽、阀芯移动过程中阻力变化均匀、全开状态阻力小等优点。此外，相关文献表明，其压力调节特性的理论模型预测值与试验结果一致。根据上述特点，国内外新建的压力调节阀主要采用这类压力调节阀，如中国最大的2.4m×2.4m引射式跨声速风洞主调压阀采用环形缝隙调压阀，更好地满足风洞调压性能要求，其结构简图见图1。
图1
介绍了我国大型超声风洞主调压阀的气动设计及相关调试结果。
1 调压阀设计介绍
大型超声速风洞试验段尺寸为2m×2m，试验mａ数范围为1.5～4.0.采用全柔壁喷管实现马赫数的阶梯变化。同时需要实现降速压和增速压运行，风洞流量范围约(300~4000)kg/s，上游调压阀的配置将很难适应如此广泛的运行压力和流量范围。
同时，由于风洞采用中压气源供气，系统容积有限。如果气源总容积约1万立方米，储气压力约2MPa，最低截止压力约为000.6MPa，在极限条件下，风洞的运行时间约为35s。因此，为了满足风洞吹风时间的需要，阀门需要快速的压力调节能力来增加稳定的运行时间，良好的压力调节精度满足风洞总压控制精度的要求。
二 设计思路和原则
控制阀的设计理念是充分利用指导试验的研究成果，吸收以往大型临时冲孔控制阀设计和施工的成熟经验，降低技术风险。同时，采用可靠的工程设计方法，确保其压力调节特性满足风洞的广泛运行范围和精度要求。
设计原则：统筹风洞高马赫数和低马赫数压力调节需求，覆盖风洞全马赫数调节范围；统筹风洞性能和效率，确保高效、实用、经济。
3 气动设计
3.1 阀门配置方案确定
超声速风洞具有试验马赫数和压力运行范围广的特点。采用单阀配置进行压力调节时存在两个问题：一是阀门压力调节特性曲线难以考虑风洞的所有运行马赫数，对非设计点下风洞的压力调节精度和运行时间产生不利影响；二是阀门直径大，难以依靠国内工业基础制造。为解决这一矛盾，采用主阀与旁路阀并联调压的方式。气动轮廓见图2。旁路阀只有两种状态：全开和全关。无压力调节表面曲线。在试验段马赫数低、流量大的情况下，打开旁路阀，提高主压力调节特性，满足风洞所有运行状态的压力调节。该阀门配置方法已通过指导试验的验证确定为可行。
图2 阀门配置方案
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3.2 阀门管径D
根据气动总体性能设计参数、气源工作压力以及阀后气流速度的限制经验参数等因素综合确定主调压阀直径约2m，旁路阀直径约1.2m。所有运行马赫数下阀后管道内的气流速度系数λ值限制在0.05～0.50范围内。
3.3 阀芯最大行程
阀芯最大行程Smax值应合理。如果行程，驱动功率大，轴向尺寸大，行程过小，控制过敏，影响调灵敏，影响调节精度。根据风洞性能要求，国内外使用的环缝调压阀调节行程多为(0.15～0.70）D。根据风洞尺寸大的特点，为了合理协调压力调节系统的延迟效应和压力稳定性（缩短压力不稳定过程），主调节阀芯的行程值Smax＝0.325D，约650mm。
3.4 阀门最大和最小开度
当阀门最大开度值过大时，阀门压力调节过程会过慢。过小的值使气罐终止压力过高，特别不利于中压气罐储气压力的充分利用。根据中压气源气罐的终止压力和流量特性，调压阀的最大开度值约为60.4％。
阀门最小开度的值应确保阀后最低压力的实现。阀门最小开度值为0.005～0.025主调压阀最小开度值约为2%。
3.5 阀门特性曲线
为了保证压力调节的稳定性，阀门表面曲线通常被选为指数特征曲线。其优点是，在任何调节状态下，阀后压力的相对变化基本上是线性比例与阀门调节行程的相对位移，有利于阀门控制系统的设计和压力调节。风洞主调节阀采用修正指数特征曲线作为调节表面的设计方程。前段采用指数特征方程，后段采用直线过渡到最大开度，形成完整的阀门表面结构特征曲线。为了紧密关闭，阀门完全关闭到最小开度之间，然后相切过渡到指数特征曲线，直到约70%的阀门调节行程，直线和指数特征方程出口到整个行程。后两个曲线方程为：
阀面曲线由以下几何特性方程组数值解解得到，型面曲线坐标系见图3。
图3 阀门型面坐标系
主调压阀的几何特性曲线方程如下，相对开度随阀芯变化曲线见图4。
图4 阀门的相对开度
3.6 阀门调压特性预测
如果阀门在节流过程中等焓假设，可以导出以下方程组：
（a）>时，即气流过阀门的速度系数λ＜1时：
即λ＝1：
（b），即λ＜1：
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当旁路阀打开时，上述计算公式中的主调压阀与阀门前后管道截面积之比。阀门的调压特性曲线可通过上述阀门在节流和非节流状态下的方程获得。具体计算不再重复，以下是预测结果。
旁路阀关闭时主调压阀调压性能预测曲线见图5。可见，随着试验段马赫数的增加，阀后速度系数λ减小，压力调节性能曲线整体向上移动，相同阀芯相对位置下的阀后和阀前压比逐渐增加。在相同的马赫数下，压力调节阀性能曲线的前后变化曲率较小，中间变化曲率较大，是主要的压力调节范围。该范围压力调节敏感，阀芯运行稳定。
图5 阀门调压特性预测曲线（旁路阀关闭）
另外，使用单阀时可以看到低马赫数（Ma＝1.5)下流通能力明显不足，阀门全开时压比最大约为0.52.这将导致风洞运行时气源截止压力高，气源供气能力难以充分发挥，难以满足风洞低马赫数和大流量运行时吹风时间的要求，这也是配置旁路的直接原因。
旁路阀打开状态下的压力调节性能预测曲线见图6。对比图5显示，由于旁路阀打开，阀门的初始循环能力大大提高。当阀芯全部打开时，所有低马赫的压力比大于0.90.运行时气源截止压力大大降低，低马赫数运行时阀门调压能力大大提高。因此，双阀并联调压可以解决低马赫数单阀调压能力不足的问题。
图6 阀门调压特性预测曲线(旁路阀打开)
4 调试结果及分析
阀门前后总压试验结果如图7所示。可以看出，阀门调压特性曲线试验结果与理论预测曲线一致。阀芯的运动区主要集中在最大位移的40%~70%，调节灵敏度高，气流动态质量好。因此，上述理论设计方法可以完全满足工程应用的需要。
图7 阀门调压特性理论与实测结果对比(旁路阀关闭)
图8显示了低马赫数时旁路阀开启状态下压力调节特性曲线的理论与测量结果的比较。可以看出，测量结果略低于理论值。分析的原因可能是由阀后压力滞后引起的。由于测试数据是旁路阀提前打开，当主阀以均匀速度打开时，阀后的动态压力值。无旁路阀打开，其他马赫数下的阀门需要进一步的测试数据补充和验证。
图8 阀门调压特性理论与实测结果(旁路阀打开)对比
5 基本结论
环形间隙压力调节阀的类型可满足临时冲孔压力调节能力的要求。为了满足宽流量下压力调节精度的要求，可以设置旁路阀并联调节双阀。同时，对于大型环形间隙压力调节阀的压力调节特性曲线，理论预测与实际性能一致。
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