0 引　言

鱼雷作为重要水下攻防武器，其航速、航程和航深迫切需要显著提高，以满足现代海战的发展需求。Li/SF₆闭式循环热动力系统具有能量密度高、不依赖空气、无产物排放等特点，而且工作时无航迹、不受航行深度影响，可满足深水鱼雷热动力系统的发展需求^{[1 - 2]}。

美国的MK 50鱼雷成功采用了Li/SF₆闭式循环热动力系统，工作时SF₆气体喷入锅炉反应器内的熔融Li液中进行稳定燃烧和高效传热，从而生成过热蒸汽驱动汽轮机做功，即构建以过热蒸汽作为工质的闭式循环系统实现功率输出。随后，国外学者们对Li/SF₆燃烧机理、理论模型、试验应用等方面进行了深入研究^{[3 − 5]}。国内21世纪初期开始Li/SF₆闭式循环热动力系统的研究，在燃烧流场模拟分析、燃烧室结构设计、热源启动技术和材料性能等方面取得了突破性进展，但在燃烧控制与优化方面仍面临较大挑战^{[6 − 10]}。温伯尧等^[11]采用反应分子动力学仿真方法研究了Li/SF₆微观反应过程、反应路径和反应机理。吴浩齐等^[12]采用真空泵对储罐内SF₆进行加压后利用调节阀控制供给流量，研究了不同温度和压力条件下Li/SF₆的燃烧现象和反应动力学参数。刘丛林等^[13]采用钢瓶直喷方式控制SF₆气体供给到燃烧室的流量，从而实验研究Li/SF₆热动力系统的性能。Li/SF₆浸没喷射式燃烧反应剧烈，必须精确调节SF₆的供给流量，才能有效控制燃烧反应器温度和汽轮机转速，保证系统安全稳定的工作。然而，目前系统大多采用钢瓶储存高压SF₆，利用调节阀控制SF₆气体供给流量，流量调节精度低且长时间供给压力容易不足。

本文设计搭建了一种SF₆氧化剂供给调节系统，提出了两级压力和两级温度的PID闭环控制方法，试验研究了SF₆氧化剂供给调节系统的稳态特性和动态特性，从而为Li/SF₆闭式循环热动力系统研制提供理论基础。

1 系统工作原理

图1为SF₆氧化剂供给调节系统的工作原理。储罐内SF₆处于气液饱和态，工作时储罐内液态SF₆排出使得温度和压力降低，故采用电加热器对储罐内液态SF₆进行加热保持稳定恒定即压力恒定。系统接收供给指令后储罐内高压液态SF₆经过一级减压阀节流降压，将压力调节至指定范围内，但因节流效应部分饱和液态SF₆会出现汽化，形成气液两相流。气液两相SF₆在汽化器加热下完全汽化成为气态SF₆，再进一步经过过热器加热成为设定温度的过热气态SF₆。过热气态SF₆经过二级减压阀进一步节流降压达到设定压力，此时在喷嘴前获得设定压力和温度的过热气态SF₆。过热气态SF₆进入喷嘴后在其内部达到临界音速状态，不受环境背压的影响，仅通过调节喷嘴前过热气态SF₆的温度和压力即可精确调节其供给流量。

系统采用分散控制架构，主要分为压力控制和温度控制，包含5个相互独立的闭环PID控制回路。如图2所示，各控制器仅依赖本地传感器反馈实现设定点跟踪。两级压力控制：一级压力控制通过压力传感器1和一级减压阀构成闭环负反馈控制回路，对液态SF₆进行粗调，二级压力控制则通过压力传感器2与二级减压阀构成闭环负反馈控制回路，对过热气态六氟化硫再次进行精调。两级温度控制：一级温度控制回路由温度传感器1和汽化器组成闭环负反馈控制回路，对液态SF₆初次加热完成相变，二级温度控制回路则同样通过温度传感器2与过热器构成闭环负反馈控制回路，对相变后的SF₆再次加热，使其变为过热状态。

2 实验系统搭建

基于上述工作原理搭建SF₆氧化剂供给调节系统试验平台，如图3所示。高压钢瓶用于储存气液饱和SF₆，一级减压阀和二级减压阀均采用电子膨胀阀，通过PLC接收压力传感器的反馈信号，利用驱动器调节电子膨胀阀的开度，组成两级压力闭环控制系统且PID控制相互独立。汽化器和过热器采用PTC电加热管，其中汽化器由4根PTC电加热管组成，过热器则是1根PTC电加热器，通过PLC接收温度传感器的反馈信号，并采用可控硅调压器控制PTC电加热管的加热功率，组成两级温度闭环控制系统且PID控制相互独立。质量流量计用于测量液态SF₆氧化剂的流量。

表1为SF₆氧化剂供给调节系统试验参数，试验过程中喷嘴前气态SF₆设定温度为40 ℃，使得气态SF₆在试验压力范围内始终处于过热状态，防止其在喷嘴内发生液化导致流量不稳。

3 试验结果分析 3.1 系统稳态特性

图4为SF₆氧化剂供给调节系统压力随时间的变化。可知，一级减压阀后压力和二级减压阀后压力均与设定压力吻合良好，并且压力能够保持稳定，波动幅值均在0.2 bar范围内，表明两级压力闭环控制系统可精确调节SF₆氧化剂的供给压力，保证SF₆氧化剂供给流量精确稳定。

图5为一级减压阀和二级减压阀的开度随时间的变化。可知，一级减压阀的开度尽管在4.0%左右波动，但却能够及时调节液态SF₆的压力并保持稳定。二级减压阀的开度在83%左右，未随时间发生明显波动，可知二级减压阀的闭环控制较为稳定。

图6为系统温度和加热功率随时间的变化。可知，喷嘴前过热气态SF₆温度稳定在39.8℃，与设定温度40℃吻合较好，过热器的加热功率约为0.9 kW，达到了热平衡。

过热气态SF₆在喷嘴内部达到临界音速状态，其流量由喷嘴前供给压力和温度决定，不受环境背压的影响。喷嘴流量通过下式进行计算：

$ {P}_{cr}/{P}_{0}={\left(2/\left(\gamma +1\right)\right)}^{\gamma /\left(\gamma -1\right)} ，$

(1)

$ {Q}_{\max }=A\cdot \text{C}{\left(\frac{2}{\gamma +1}\right)}^{1/\left(\gamma -1\right)}{\left(\frac{2\gamma }{\gamma +1}\right)}^{1/2}{P}_{0}{\left(\frac{1}{{R}_{g}T}\right)}^{1/2}。$

(2)

式中：γ为气态SF₆等熵指数；P₀为滞止压力；P_cr为临界压力；R_g为SF₆气体常数；A为喷嘴喉部面积；C为喷嘴流出系数。

图7为SF₆氧化剂供给调节系统的流量随时间的变化。可知，SF₆供给流量比较稳定，而且与理论流量吻合较好，由此可知系统可以实现SF₆氧化剂稳定供给。

图8为设定40℃温度条件下系统供给流量随供给压力的变化。可知，系统供给流量（喷嘴流量）与理论流量吻合较好，而且喷嘴流量随供给压力成线性变化，有利于系统调节供给流量。

3.2 系统动态特性

图9为设定压力由8 bar突降至4 bar时系统的动态特性。从图9(a)可知，二级减压阀的压力经过5 s时间从8 bar迅速减小并稳定在4 bar，供给压力波动幅值在0.15 bar以内，表明系统可以迅速调节供给压力，动态响应特性较好。从图9(b)可知，二级减压阀开度从30%快速减小至11%左右，由此可知，系统在供给压力突降时具有良好的动态响应特性，能迅速减小SF₆氧化剂供给流量。

图10为一级设定压力阶跃时系统温度和加热功率的变化。可以看出，过热器加热功率从0.16 kW降至0.12 kW，而随着SF₆流量的减小温度略微上升，这是由于温度调节的滞后性以及管路热容导致的，系统也会自动对温度进行修正，气态SF₆始终处于过热态不影响喷嘴流量。

图11为两级设定压力阶跃时系统供给压力的变化。从图11(a)可知，一级减压阀设定压力由10 bar阶跃至12 bar和二级减压阀设定压力由5 bar阶跃至8 bar时，一级减压阀经过30 s才稳定在设定压力，系统一级供给压力调节时间较长，这可能是由于两级压力同时调节相互干扰导致的。从图11(b)可知，喷嘴前设定压力由5 bar阶跃至8 bar时，二级减压阀经过14 s就稳定在设定压力，在一级减压阀影响下二级减压阀仍能快速调节和稳定喷嘴前压力，波动幅值在0.2 bar以内，表明系统两级压力闭环控制系统具有良好的动态响应特性，可以精确调节系统的供给压力，能够满足使用要求。

图12为两级设定压力阶跃时系统减压阀开度的变化。可以看出，一级减压阀开度较小且随时间波动，这一方面可能是由于两级压力同时调节干扰；另一方面可能是液态SF₆体积流量相对较小和部分汽化，不易调节。二级减压阀是对气态SF₆氧化剂进行调节，其开度在80%开度附近变化，容易进行供给压力调节。

图13为两级设定压力阶跃时系统温度和加热功率的变化。可知，过热器的加热功率由0.16 kW迅速增大至0.9 kW，但喷嘴前SF₆氧化剂温度随时间有所降低，这可能是由于SF₆氧化剂流量迅速增大以及热容产生的迟滞效应导致的。此外，SF₆氧化剂温度虽然有所降低，但始终处于过热状态，从而不影响喷嘴的流量。

4 结　语

本文设计搭建了一种SF₆氧化剂供给调节系统，实验研究了稳态工况下供给压力对系统供给流量的影响，主要得出以下结论：

1）稳态工况下SF₆氧化剂供给压力与温度和设定值吻合良好，压力与温度波动幅值分别在0.2 bar和0.2°C范围内，实现了SF₆氧化剂供给压力和温度精确稳态调节。

2）稳态工况下SF₆氧化剂供给流量比较稳定，而且供给流量随供给压力成线性变化，有利于调节SF₆氧化剂的供给流量。

3）动态工况下喷嘴前压力阶跃时系统经过5s时间就可将供给压力稳定在设定值，而且波动幅值在0.15 bar以内，系统单级供给压力调节动态响应特性较好。

4）动态工况下两级压力阶跃时系统PID调节时间明显长于单级压力阶跃工况，但喷嘴前压力波动幅值仍能控制在0.2 bar以内，可实现SF₆氧化剂供给流量精确调节。

5）动态工况下两级压力阶跃时SF₆氧化剂的温度有所降低，这是由于SF₆氧化剂流量增大和热容引起的迟滞效应有关。

6）动态工况下两级压力联动调节时系统响应时间明显长于单级压力调节，这是由于两级压力同时调节相互干扰导致的。