0 引　言

为满足未来水下攻防作战任务需求，鱼雷作为重要的水下攻防武器，不断朝着远航程、宽速域、大航深方向发展，但也对其能源动力系统的能量密度提出了更高的要求^[1]。

由OTTO-II、HAP和海水配成的三组元推进剂具有能量密度高、安全性好、无航迹等优点，英国“旗鱼”鱼雷采用此三组元推进剂，最大航速达70 kn、航程40～54 km、最大航深约900 m^[2]。然而，三组元推进剂对配比比例要求严苛，且其配比精度取决于三组元比例控制器^[3]。为此，国内学者对三组元比例控制器进行了系列研究，罗凯等^{[4 - 5]}最早提出了叶片式偏心转子比例器，推导了凸轮廓线生成方法以及精度分析与优化整定方法。后来，孟睿等^[6]数值模拟研究了叶片数与配合间隙对偏心转子比例控制器性能的影响，发现叶片最佳数量为4。王鹰等^[7]将罗茨流量计原理应用于三组元比例控制器，理论分析了罗茨式比例控制器内泄漏量与精度。李永东等^[8]提出了2阶椭圆齿轮结构的比例控制器，利用CAXA/UG计算机辅助设计技术，设计了2阶椭圆齿轮的齿形并进行了运动仿真。黄英杰等^[9]首次将三转子流量计原理用于三组元比例控制器，设计的三转子比例控制器结构简单、阻尼小、易加工，在定流量和变流量工况下配比精度较高。白坤雪等^[10]研究了三转子比例控制器各零部件之间的几何关系，推导了比例控制器内泄漏量理论计算公式，为比例控制器样机开发提供了理论依据。李钧浩等^[11]对三转子比例控制器内流场进行了动态仿真，分析了入口压力对比例控制器内泄漏量的影响规律，发现压力剪切作用下的层流泄漏是内泄漏主要来源。综上所述，国内学者深入细致地研究了叶片式、罗茨式和三转子式等容积式比例控制器的定比例特性，但热动力系统要求比例控制器的海水比例能够随运行工况进行变比例调节，以保证燃烧室安全可靠地工作，故亟需开展容积式比例控制器变比例技术研究。

鉴于此，本文首先研究三转子比例控制器加装孔板对其配比比例的影响机理，以此为基础提出比例控制器耦合孔板与自适应阀的变比例调节技术，根据比例控制器接口与配比比例要求设计孔板与自适应阀的结构与尺寸，实验研究比例控制器配比比例随运行工况的变化规律，为比例控制器可变比例调节技术开发提供理论依据。

1 三转子比例控制器结构

三转子比例控制器的工作原理近似三转子流量计，其本质上是由3套类似于三转子流量计的容积计量部件构成（见图1），而且3套容积计量部件共轴同转速^[12]。推进剂3路组元从各自通道分别进入各自的容积计量部件，然后经各自出流口进入混合流道，理论上3路组元的体积流量比例取决于3套容积计量部件的尺寸比例（高度比例），不受外界环境的影响。然而，容积计量部件因具有配合间隙，不可避免地存在内泄漏，而且内泄漏量由配合间隙和工作压差决定。因此，比例控制器的配比比例与精度易受3套容积计量部件的内泄漏量影响。本文就通过孔板与自适应阀来改变比例控制器内泄漏量，从而在一定程度上实现海水变比例调节。

2 比例控制器耦合孔板与自适应阀设计

鱼雷实际工作时，推进剂的3路组元采用相互独立的压力供给方式，而且流经各组元管路系统的压力损失也不相同，导致3路组元进入比例控制器的压力产生差异，从而影响容积计量部件的内泄漏量，使得比例控制器的配比精度下降。为此，本文提出比例控制器3路入口均加装孔板（图2所示），而且在各组元流量工况下3路孔板的压力损失必须相同。三路孔板的压力损失计算式为：

$ Q=128.45\cdot C\cdot{d}^{2}\cdot \sqrt{\Delta P/\gamma } 。$

(1)

式中：Q为推进剂三路组元的流量；C为孔板的流量系数；d为孔板孔径；∆P为孔板压力损失；γ为相对密度。

孔板提高比例控制器配比精度的原理是：3路组元的供给压力增大（减小）导致流经孔板的实际流量随着增大（减小），孔板所造成的压力损失相应地增大（减小），因3路孔板安装比例控制器的入口及其节流调压作用，使得比例控制器相应容积计量部件工作压差的增大量（减小量）小于上游组元压力的波动量，从而减小了上游组元压力波动导致的内泄漏量波动减小，进而保持比例控制器配比比例稳定。

面向比例控制器海水变比例需求，本文提出比例控制器耦合孔板与自适应阀的变比例技术，其中比例控制器的OTTO-II路和HAP路均加装孔板，而海水路加装自适应阀，如图3所示。自适应阀（见图4）由孔板、阀芯、弹簧和支座组成，小流量时阀芯所受流体作用力小，弹簧伸开使得孔板通流面积小；大流量时阀芯所受流体作用力大，弹簧压缩使得孔板通流面积大。

比例控制器耦合孔板与自适应阀实现海水变比例的工作原理是：OTTO-II路和HAP路孔板的压力损失大于海水路自适应阀标准孔板的压力损失，小流量时自适应阀的通流面积减小，使得海水的压力损失大于其他2路组元的压力损失，即比例控制器海水路的工作压差小于其他2路，海水路容积计量部件的实际内泄漏量减小，导致比例控制器海水比例偏小；大流量时自适应阀的通流面积增大，使得海水的压力损失小于其他两路组元的压力损失，即比例控制器海水路的工作压差大于其他2路，海水路容积计量部件的实际内泄漏量增大，导致比例控制器海水比例偏大，从而实现比例控制器海水比例随运行工况自适应调节。

3 比例控制器实验装置

实验装置由柱塞泵、缓冲罐、电磁流量计、节流阀、压力传感器、转速传感器、背压阀、水箱等组成，如图5所示。实验测试时通过变频器控制柱塞泵功率来调节总流量，主管路上的电磁流量计测量总流量。主管路分成3个支路且均安装电磁流量计用于测量推进剂3路组元的流量，节流阀用于调节比例控制器3路组元的入口压力，压力传感器测量比例控制器的上下游压力用于计算3路工作压差。背压阀用于调节管路运行压力，且其与水箱入口连接，水箱出口则连接柱塞泵入口，从而形成循环回路，数据采集系统实时记录比例控制器各组元的流量与压力。

4 实验结果与讨论 4.1 比例控制器加装孔板性能测试

背压阀全开，调节三柱塞计量泵功率使流量从10 L/min连续平稳增大至35 L/min，测试孔板对比例控制器配比精度的影响。

图6所示为变流量工况时比例控制器的氧燃比与冷燃比。氧燃比表示HAP流量与OTTO-II流量的比例，冷燃比表示海水流量与OTTO-II流量的比例。可以看出，比例控制器的氧燃比与冷燃比均随流量的增大而有所减小，而且冷燃比的减小幅值更加明显。这是由于比例控制器3路组元的内泄漏量无法随流量等比例变化引起的。加装孔板后比例控制器的氧燃比和冷燃比在全流量范围内更加稳定，即三组元推进剂的配比精度得到提高。这是由于孔板节流调压效应减小了比例控制器3路工作压差的差异。

管路运行压力稳定在1.2 MPa，在定流量（10 L/min、20 L/min和30 L/min）工况下，通过调节实验装置的节流阀来改变比例控制器3路入口压力，且3路入口压力差异约为0.1 MPa。

表1为3路入口压力相差0.1 MPa时比例控制器的配比比例。比例误差以1.2 MPa背压无入口压力差异时不同流量工况下配比比例的算数平均值为基准进行评价。可知，在10 L/min流量工况下，HAP路入口压力小于其他2路时氧燃比与冷燃比的误差分别为−11%和1.3%；海水路入口压力小于其他两路时氧燃比和冷燃比的误差约为−3%和−12%。在30 L/min流量工况下，HAP路入口压力小于其他两路时氧燃比与冷燃比的误差分别降至−5%和4%；海水路入口压力小于其他2路时氧燃比和冷燃比的误差分别降至−2%和−6%。由此可知，比控制器的配比比例易受三组元推进剂供给压力差异的影响，但此负面影响随着总流量的增大而减弱。

表2为3路入口压力相差0.1 MPa时比例控制器加装孔板后的配比比例。可知，在10 L/min流量工况下，HAP路入口压力小于其他2路时氧燃比与冷燃比的误差分别为−10%和0.5%；海水路入口压力小于其他2路时氧燃比和冷燃比的误差约为−3%和−11%。在30 L/min流量工况下，HAP路入口压力小于其他2路时氧燃比与冷燃比的误差分别降至−2%和1%；海水路入口压力小于其他2路时氧燃比和冷燃比的误差分别降至−2%和−3%。由此可知，孔板能够削弱三组元推进剂入口压力差异对比例控制器配比比例的负面影响，使得比例控制器加装孔板后能够满足设计要求。

4.2 比例控制器加装自适应阀性能测试

背压阀全开，通过调节三柱塞计量泵流量，实验研究变流量和定流量工况下比例控制器耦合孔板与自适应阀后的比例调节特性。

图7为变流量工况下比例控制器加装自适应阀后的氧燃比与冷燃比。可以看出，比例控制器的冷燃比随着总流量的增加而近似线性增大，即冷燃比从1.95平稳增大至2.6左右，表明比例控制器耦合孔板与自适应阀可有效改变海水比例，实现海水比例随运行工况自适应调节。此外，总流量逐渐增大，比例控制器的氧燃比始终保持稳定，从而保证OTTO-II和HAP的配比比例稳定在最佳反应值。

图8为变流量工况下比例控制器的3路压力损失。可知，总流量不断增大，比例控制器的3路压力损失随之增加，而且3路压力损失的变化趋势相似。小流量时，3路压力损失较为接近且近似呈线性增长，但OTTO-II的压力损失相对较小，当总流量增至26 L/min左右时，比例控制器的3路压力损失随总流量增大而缓慢增长，此时OTTO-II路的压力损失明显低于其他2路。

图9为定流量工况下比例控制器加装自适应阀后的氧燃比与冷燃比。由图可知，定流量工况下比例控制器的氧燃比与冷燃比随时间变化几乎无波动，比例控制器的冷燃比在15 L/min和35 L/min时分别稳定在1.98和2.36左右，可知比例控制器的冷燃比在不同流量工况均能稳定在不同数值，表明比例控制器加装自适应阀能够稳定调节海水比例。此外，比例控制器的氧燃比在15 L/min和35 L/min时分别稳定在1.85和1.88左右，可知不同流量工况点比例控制器的氧燃比基本保持不变。

5 结　语

1）总流量逐渐增大，比例控制器的氧燃比与冷燃比随之减小，而且入口压力波动对氧燃比与冷燃比影响显著；

2）孔板提高了比例控制器氧燃比与冷燃比的稳定性，而且大流量工况下入口压力波动0.1 MPa时氧燃比与冷燃比的波动误差降至3%以内。

3）总流量从10 L/min逐渐增至35 L/min，比例控制器耦合自适应阀后冷燃比随之从1.95近似线性增长至2.6左右，同时氧燃比稳定在1.86左右；冷燃比与氧燃比在不同流量工况点均能保持稳定，从而保证热动力系统稳定运行。

4）本文研究成果证明了比例控制器耦合孔板与自适应阀实现海水变比例调节的可行性，后续将进一步研究孔板与自适应阀结构参数等因素对海水比例变化范围的影响规律。