基于有效面积作用的膜盒式压力比敏感元件设计

王战生，崔国序

（1.中航工业太原航空仪表有限公司，太原030006；2.中航工业长春航空液压控制有限公司，长春130102）

基于有效面积作用的膜盒式压力比敏感元件设计

王战生1，崔国序2

（1.中航工业太原航空仪表有限公司，太原030006；2.中航工业长春航空液压控制有限公司，长春130102）

为研究膜盒作为压力比敏感元件对航空发动机控制系统整体性能的影响，对1种航空发动机的气动式防喘放气活门结构和工作原理进行了分析，提出了膜盒式压力比敏感元件的概念。以力平衡方程为基础建立了敏感元件膜盒的简化物理模型，给出了不同压力比膜盒的结构参数设计方法。结果表明：膜盒有效面积比参数与压比参数呈反比关系，改变膜盒的有效面积比即可调整工作压比。根据该方法设计的不同压比膜盒已在多型发动机防喘放气活门中应用。

敏感元件；压力比；膜盒；有效面积；航空发动机

0　引言

压力比敏感元件是航空发动机控制系统中的重要基础元件，其稳定性和动态性能直接影响控制系统的整体性能［1］。膜片、膜盒等机械式弹性敏感元件常作为压力、压差敏感元件使用，但无法直接用于压力比测量。用于压力比测量时，需增加分压器组合工作［2］。某型涡扇发动机的涡轮膨胀比调节器中即采用分压器式的压力比敏感元件用于测量控制机构，但其工作稳定性不够理想［3］。

本文介绍了1种组合嵌套焊接波纹管结构的膜盒式压力比敏感元件，可以不需要结合分压器而独立用于压力比测量控制。与分压器式压力比敏感元件相比，膜盒式压力比敏感元件的准确度和工作稳定性有明显改善。

1　膜片、膜盒及焊接波纹管概述

膜片是金属材料制成的带有多圈同心波纹、硬中心和环形边缘的薄片，常用材料有锡青铜、铍青铜、不锈钢、精密合金等，按形状分为平膜片和波纹膜片。平膜片的刚度较大，允许的中心位移小，压力与输出位移大致呈抛物线关系；波纹膜片的刚度较小，允许的中心位移比平膜片的大，压力与输出位移可以呈线性关系。波纹膜片波形种类如图1所示，其中包括正弦形、梯形、三角形、圆弧形等［4］。

图1　波纹膜片波形种类

膜盒由2个波纹膜片沿周边焊接构成。将几个膜盒沿硬中心依次叠加起来便是膜盒组（串）。膜盒的位移是2个膜片位移之和，膜盒组（串）的位移是各膜盒位移之和（膜盒组如图2所示）。

图2　膜盒组

膜盒根据结构可分为开口膜盒与闭口膜盒。开口膜盒又称为压力膜盒，可以用来测量膜盒内外的压力差；闭口膜盒又有真空膜盒与充填膜盒之分，真空膜盒可以测量外部的绝对压力值，在闭口膜盒内充填气体、液体或饱和蒸汽，可以感受外部环境温度的变化输出位移或力［4］。

焊接波纹管采用多组环形膜片沿内外边缘依次焊接组合而成。与液压成形波纹管相比，焊接波纹管具有形状尺寸精度高、性能精度高、性能一致性好、压缩量大等优点。各类波形的焊接波纹管如图3所示。根据膜片波形可分为对称式波形（图3中左列）和层叠式波形（图3中右列）［5］。

以上几种类型的弹性敏感元件都可以用来感受测量发动机控制过程中的各类压力、压差参数，但不适用于压力比的测量。压力比即2个压力的比值，简称压比。空气（或燃气）压力比是表示发动机性能或工作状态的重要参数，例如压气机的增压比、涡轮的膨胀比等。典型的机械式压力比敏感元件如图4所示。其由分压器和薄膜式压力（差）敏感元件组成，用来测量p3与p2的比值ε3=p3/p2。其中，分压器由2个节流嘴和一定容积的中腔（分压室）构成，分压器的中腔与薄膜式压力（差）敏感元件的上腔相通，薄膜式压力（差）敏感元件的下腔作用有p3气体。进入分压器的进气压力为p2，中腔压力为p1，出口压力为p0（通常为环境压力），p2＞p1＞p0，并且p1/p2=常数［1］。

图3　各类波形的焊接波纹管

图4　分压器式压力比测量元件原理

某型发动机的防喘放气活门中，使用了1种并联组合嵌套结构的焊接波纹管式压力比敏感元件（简称膜盒）。与分压器类型的压力比敏感元件相比，该膜盒压比元件具有尺寸紧凑、质量轻、控制精度高和性能稳定可靠等优点。

2　放气活门中的压比膜盒

在航空发动机中，防止压气机喘振极其重要，某型发动机采用放气活门防止发动机喘振，该型放气活门带有可以测量空气压比的膜盒。这种膜盒是放气活门中的核心部件。放气活门原理如图5所示［6］。

图5　放气活门工作原理

该型航空发动机的压气机有2级，放气活门装在压气机机匣上，与2级压气机之间的空气流道相通。放气活门打开时可以放出2级压气机之间的空气，使压气机工作线远离喘振边界，避免压气机喘振［9］。

放气活门根据发动机第2级压气机后的空气压力与大气压力的比值（P2/P0）控制开闭。

在发动机停车时，放气活门处于打开位置。在发动机起动后，P2/P0逐渐增大，当达到设定数值时，放气活门关闭，此时压气机工作线已经远离喘振边界。在发动机减速过程中，P2/P0逐渐减小，当达到设定数值时，放气活门打开。

放气活门的膜盒感受P2和P0，膜盒内部作用着P2空气压力，膜盒外部作用着P0空气压力。在发动机加速过程中，当P2/P0增大到调定值时，膜盒因伸长而关小薄膜控制腔的泄漏口，控制腔（节流嘴B下游）压力升高，薄膜左移关闭活塞腔的泄漏口，活塞腔内压力升高，活塞克服弹簧力下移，通过扇形齿轮将活门关闭。

在发动机减速过程中，当P2/P0减小到调定值时，膜盒收缩，薄膜右移，活塞腔内压力降低，活塞在弹簧力作用下上移，通过扇形齿轮打开活门。

放气活门安装在压气机机匣锥形段上方，主要结构由3部分构成（如图6所示）：（1）压力控制部分（包括膜盒、气滤组件、节流片、稳流片）；（2）活门控制部分（包括齿套、弹簧、齿轮、轴封、活门壳体组件等）；（3）信号输出部分（包括微动开关、滚轮弹性片等）。

图6　放气活门结构

放气活门开/闭的准确性非常重要，准确测量P2/P0是关键。膜盒是放气活门中测量P2/P0压比的核心敏感部件。

3　膜盒的结构与压力比特性分析

膜盒剖视和结构分别如图7、8所示。膜盒由一大一小2个焊接波纹管并联嵌套后通过上膜片、中心杆与底座组合焊接而成，2个焊接波纹管与上膜片、中心杆与底座组合形成的封闭腔为真空状态。底座上安装有止动套，常压下与中心杆底部接触止动［15］。

图7　膜盒剖视

图8　膜盒结构

在膜盒工作时，外界环境压力P0不变的情况下，随内腔压力P2增大（P2/P0增大），膜盒中心杆与止动套脱离止动并产生向上的位移，直至P2达到规定值，位移达到最大值；反之，内腔压力P2减小（P2/P0减小）时，膜盒中心杆逐渐向下位移，直至与止动套接触止动。外界环境压力P0对应于不同的飞行高度。膜盒中心杆位移同时取决于P2、P0的影响，膜盒的最大位移值与P2/P0的比值相关。以上特性也决定了放气活门在不同飞行高度的动作点仅与P2/P0相关，而不受飞行高度气压P0绝对值的影响。

图9　简化物理模型

简化的膜盒物理模型如图9所示。从图中可见，2个焊接波纹管相当于2个不同端面积（A0、A2）的活塞，该端部面积对应于焊接波纹管的有效面积A0。2个活塞构成组合体，分别感受相向的均布压力P0、P2作用，当P2×A2＞P0× A0时，F2＞F0，中心杆向上移动，反之向下移动。P2× A2=P0×A0时，组合体两端力平衡，膜盒中心杆处于动作点位置［7］。

根据力平衡方程P2·A2=P0·A0，可得P2：P0=A0：A2。亦即感受P0、P2的焊接波纹管有效面积之比等于压缩比的反比。通过对样件膜盒结构参数的分析和验算，证实了上述关系。膜盒参数计算对比见表1。从表中可见，某型膜盒的A0/A2=5.9，放气活门P2/P0=6，二者基本一致。需要指出的是，以上简化模型中忽略了焊接波纹管的刚性反力作用。在设计焊接波纹管时，在满足强度、耐压和工艺性等要求的前提下，应尽可能减小其刚度值。

4　膜盒设计与计算

在将膜盒用于其他压比控制用途时，需改变膜盒结构参数来调整A0/A2。放气活门用于其他涡轴发动机时，因发动机总增压比发生变化，活门工作点也必须随之变化，其中核心部件膜盒的结构性能参数需相应变化。例如BB、CC型号发动机分别提出工作点为4、5、7、9等压比参数的需求，原有的压比为6的膜盒无法满足需求。保持膜盒A0不变，调整A2的大小，从而改变A0/A2，使之与目标压比值一致。这样做使得膜盒外形尺寸保持不变，避免了放气活门配合安装零件变化，减少了设计变更环节，简化了工艺难度，保持零组件通用性，提高设计标准化程度（表1）。

表1　膜盒参数计算对比

焊接波纹管有效面积A=f0πR2，表示波纹管输出的集中力与输入的均布力之比，cm2，反映了波纹管的均布力转化能力。式中符号含义及计算示例见表2［5］。

表2　焊接波纹管参数计算

根据以上方法设计的压比为4的膜盒已装于BB发动机，工作情况良好。压比为9的膜盒的特性曲线如图11所示，目前正在试制、验证过程中。从图中可见，4条曲线代表同一膜盒4种P0状态（对应于气压高度0、3000、4500、6000 m）下的压比-位移关系，4条曲线斜率虽然不同，但全部汇聚于1点，说明膜盒在该点的位移只与压比相关，而与P0值无关。该点对应的压比值即膜盒压比动作点，是由膜盒结构参数决定的固有属性，不受外界其他参数变化的影响。在深入分析其工作原理的基础上，进行逆向工程设计，按照有效面积作用原理，调整膜盒内部小膜盒串的膜片直径尺寸，即可获得4～10范围的任一压比结果。在不改变放气活门的结构参数和安装尺寸的前提下，实现放气活门产品的系列化，满足了更多发动机型号的使用需求。

图10　确定平板型波纹管f0，，的曲线

图11　膜盒压比-位移特性曲线

5　结束语

该膜盒式压比敏感元件结构设计独特，在1个组件上嵌套2只焊接波纹管，使元件在承受内压和外压时具有了2个不同的有效面积值，从而实现压力比的测量。大小2只焊接波纹管的有效面积之比与膜盒压比性能呈反比关系。

与分压器式压力比测量元件相比，该膜盒式压比元件具有尺寸紧凑、质量轻、控制精度高和性能稳定可靠等优点。在使用特性方面有以下不同之处：首先，该膜盒适用于2个绝对压力之比值的测量控制；其次，该膜盒工作时需要由止动状态到达规定压比工作点，而不是在压比变化时由平衡状态输出位移。

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（编辑：张宝玲）

Design of Capsule Pressure-Ratio Sensitive Element Based on Effect of Effective Area

WANG Zhan-sheng1，CUI Guo-xu2
（1.AVIC Taiyuan Aero-instruments Co.，Ltd.Taiyuan，China，030006；2.AVIC Changchun Aviation Hydraulic Controls Co.，Ltd.Changchun，China，130102）

In order to research the influence of capsule pressure-ratio sensitive element on performance of aeroengine control system，the structure and working principle of an aeroengine pneumatic anti-surge bleed valve were analyzed and the concept of capsule pressureratio sensitive element was performed.The simplified physical model of the sensitive element capsule was established based on the equilibrium equation，as well as the method of parameter design of different pressure-ratio capsule.The results show that the pressure-ratio parameter is inversely proportional to the effective area parameter.The pressure-ratio will change with the effective area changing.The different pressure-ratio diaphragm has been used in multi type engines anti-surge bleed valves according to the design method.

sensitive element；pressure-ratio；capsule；effective area；aeroengine

V 233.7+31

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.013

2016-02-21

王战生（1970），男，研究员级高级工程师，主要从事膜盒、波纹管等弹性敏感元件的技术研究工作，E-mail：wzs.1122@163.com。

引用格式：王战生，崔国序.基于有效面积作用的膜盒式压力比敏感元件设计［J］.航空发动机，2016，42（5）：76-80.WANGZhansheng，CUIGuoxu.Designof capsulestylepressure-ratiosensitiveelementbasedoneffectionofeffctivearea［J］.Aeroengine，2016，42（5）：76-80.