遠程高壓大流量減壓閥的研制

姬俊鋒，林　萌，吳光中，康淑婷（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

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遠程高壓大流量減壓閥的研制

姬俊鋒，林萌，吳光中，康淑婷
（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京100074）

摘要：研制一種遠程、先導(dǎo)式高壓大流量減壓閥；介紹了該減壓閥特點，建立了減壓閥數(shù)學(xué)模型，利用Matlab進行該減壓閥動力學(xué)仿真，研究各個參數(shù)對減壓閥性能的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，加工了一臺實物產(chǎn)品。搭建了減壓閥性能測試試驗臺，分析了壓力、流量特性，并和仿真做了比較。結(jié)果表明：仿真和試驗符合的比較好，說明仿真對減壓閥的研制與分析具有指導(dǎo)作用。該減壓閥使用方便，安全、可靠，已經(jīng)用于數(shù)個試驗中。

關(guān)鍵詞：高壓大流量減壓閥；動力學(xué)仿真；數(shù)學(xué)模型

0　引言

減壓閥是氣動系統(tǒng)中的重要元件之一［1-2］。在液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)中，減壓閥是重要的壓力調(diào)節(jié)部件。儲存于高壓氣瓶內(nèi)的氣體經(jīng)氣體減壓閥節(jié)流減壓為較低且恒定的輸出壓力，以壓力損失為代價實現(xiàn)減壓，使整個發(fā)動機系統(tǒng)具有穩(wěn)定的工作特性［3］。減壓閥必須保持穩(wěn)定的參數(shù)輸出［4］。通過仿真的方法研究特性，可以為減壓閥優(yōu)化改進設(shè)計提供一定的依據(jù)，并能減少試驗次數(shù)，降低研制成本［5-6］。

西安十一所在減壓器研制方面做了大量工作。在仿真方面。尤裕榮［4，7］對減壓閥做了全面、深入的理論分析工作。他的動力學(xué)分析涉及了氣體作用力、彈性力、阻尼力，還有非線性因素，諸如摩擦力，氣體穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)作用力，涵蓋了減壓閥的各項主要影響因素。國防科大研制了大流量減壓閥。對自主研制的氣體減壓閥，建立了數(shù)學(xué)模型，研究了減壓閥的靜態(tài)特性、穩(wěn)定性和響應(yīng)特性［6］。北京航空航天大學(xué)的張雪梅等建立了液體火箭發(fā)動機常用的反向卸荷式減壓閥的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用四階龍格-庫塔方法進行了數(shù)值仿真，分析了減壓閥在啟動增壓過程中的動態(tài)特性［5］。此外，一些研究者利用Matlab/Simulink軟件對平衡式氣動減壓閥動態(tài)特性、航空供氧減壓閥進行數(shù)值仿真和研究，獲取了氣動減壓閥動、靜態(tài)性能，為減壓閥的設(shè)計和改進提供強有力的理論支撐［2，7-8］。

本文研究了一種先導(dǎo)式、高壓大流量減壓閥。通過仿真，獲得了各個參數(shù)對減壓閥性能的影響，繼而研制一臺高壓、大流量減壓閥。試驗結(jié)果表明，高壓、大流量減壓閥安全、性能可靠。該閥已用于多類試驗中。

1　工作原理

如圖1所示，所研制的減壓閥是逆向、先導(dǎo)薄膜式減壓閥。

該減壓閥具有以下特點：

1）遠程通過先導(dǎo)閥為主閥控制腔注入控制氣，不需要人員去現(xiàn)場調(diào)壓；

2）高壓氣垂直于閥芯，對閥芯軸向無作用力，出口壓力不受入口壓力影響；

3）非金屬膜片，膜片力可以忽略不計；而且膜片預(yù)壓縮，閥門打開的方向是膜片解除壓縮的方向；

4）設(shè)計了保護膜片的壓盤，使膜片不至于受剪切力而失效。

考慮閥芯受力，以向下為正：

圖1　減壓閥原理圖Fig.1　Principle diagram of reducing valve

2　數(shù)學(xué)模型

2.1模型假設(shè)

1） 工作介質(zhì)為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

2） 介質(zhì)通過氣動減壓閥可以看成等效收縮噴嘴流動來計算；

3）忽略工作過程的溫度變化；

4）忽略了活動部件的重力；

5）閥腔內(nèi)氣體參數(shù)采用集中參數(shù)法來描述；

6）氣源壓力保持不變。

2.2流量方程

對于氣體流過減壓閥的節(jié)流口或限流孔時，一般情況下，可將孔口近似當(dāng)作收縮噴嘴來處理，因此可按文獻 ［11］處理。

2.3質(zhì)量守恒方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何瞬時，流出控制體的質(zhì)量流量等于控制體內(nèi)的質(zhì)量對時間的減少量，則控制體內(nèi)的質(zhì)量守恒方程為：

式中：m˙為氣體質(zhì)量流量；Mg為氣體質(zhì)量。

聯(lián)立理想氣體狀態(tài)方程：

式中：pi為各個腔的壓力，Pa；Mi為各個腔的氣體質(zhì)量，kg；Rg為氣體常數(shù)；T為氣體溫度，k。把 （3）式代到 （2）式中，就得到各個腔體的質(zhì)量守恒方程。

2.4活動部件的運動方程

減壓閥閥芯的運動微分方程：

式中：M為活動部件質(zhì)量，kg；K為彈簧剛度，N/m；C為阻尼系數(shù)，C=λ·K，N/m；λ為常數(shù)；X為閥芯行程，m。

3　仿真研究

以上述所建立的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用四階龍格-庫塔數(shù)值方法，運用Matlab編程進行仿真，研究了各個參數(shù)對減壓閥動態(tài)性能所產(chǎn)生的影響。氣體介質(zhì)采用氮氣，入口壓力：10 MPa；出口壓力：5 MPa；下游模擬串聯(lián)孔板，孔板喉徑16 mm。模擬2 s后，下游閥門突然打開，減壓閥開始工作。

3.1阻尼孔喉徑對閥門動態(tài)特性的影響

圖2為不同阻尼腔喉徑對閥門動態(tài)特性的影響情況。

圖2　阻尼腔喉徑對閥門動態(tài)特性的影響Fig.2　Effect of throat diameter of damp cavity on dynamic characteristics of reducing valve

下游閥門打開到穩(wěn)定的時間基本一樣。但是超調(diào)量和頻率不一樣。尺寸越小，超調(diào)量越大，頻率越低。當(dāng)下游閥門打開的時候，先是出口腔壓力下降，然后阻尼腔氣體通過阻尼孔到出口腔，阻尼腔喉徑越小，阻尼腔壓力下降的越慢，減壓閥打開就越慢，減壓閥補氣就越慢，所以出口腔壓力下降的幅度大。

圖2設(shè)阻尼孔喉徑符號Φ，單位mm；其他參數(shù)：K=20 N/mm，M=0.5 kg，λ=0.24。

3.2彈簧剛度對閥門動態(tài)特性的影響

圖3為不同彈簧剛度對閥門動態(tài)特性的影響情況（其他參數(shù)：Φ=5 mm，M=0.5 kg，λ= 0.24）。剛度越小，震蕩幅度減小，震蕩頻率增加，震蕩時間加長。震蕩幅度減小是因為彈簧剛度小會在阻尼腔壓力下降不大時頂開閥芯，閥門打開，補氣迅速，出口腔壓力迅速恢復(fù)。但是，剛度小又會造成穩(wěn)定時間長的問題。

圖3　彈簧剛度對閥門動態(tài)特性的影響Fig.3　Effect of spring stiffness on dynamic characteristics of reducing valve

3.3活動部件質(zhì)量對閥門動態(tài)特性的影響

圖4為不同活動部件質(zhì)量對閥門動態(tài)特性影響的情況（其他參數(shù)：Φ=5 mm，K=20 N/mm，λ=0.24）。

如圖4所示，震蕩頻率基本一樣，活動部件質(zhì)量越小，震蕩幅度越大，震蕩時間也縮短?；顒硬考|(zhì)量小，根據(jù)公式 （4），相當(dāng)于彈簧剛度和阻尼系數(shù)變大。

圖4　活動部件質(zhì)量對閥門動態(tài)特性的影響Fig.4　Effect of quality of moving part on dynamic characteristics of reducing valve

3.4阻尼系數(shù)對閥門動態(tài)特性的影響

圖5所示為阻尼系數(shù)對閥門動態(tài)特性影響（其他參數(shù)：Φ=5mm，K=20N/mm，M=0.5kg）。如圖5所示，阻尼系數(shù)越大，穩(wěn)定性越好，振蕩會在短時間之內(nèi)停止。下游開閥相當(dāng)于流量突然變化，之后振蕩減弱并逐漸穩(wěn)定下來，就是由于有阻尼的作用。阻尼系數(shù)的大小對減壓閥穩(wěn)定性是至關(guān)重要的［12］。對本文來說，選擇合適的阻尼系數(shù)即選擇合適的閥門彈簧。阻尼系數(shù)需要依靠實驗確定。本文僅對阻尼系數(shù)的大小對減壓閥動態(tài)特性的影響進行了定性的分析研究。

圖5　阻尼系數(shù)對閥門動態(tài)特性的影響Fig.5　Effect of damping coefficient on dynamic characteristics of reducing valve

4　試驗研究

根據(jù)以上仿真結(jié)果，結(jié)合閥門強度、密封設(shè)計研制高壓大流量減壓閥，并搭建一個減壓閥性能測試試驗臺，原理圖如圖6所示。介質(zhì)采用氮氣?？装褰?jīng)過標(biāo)定，可以測量流量。

圖6　減壓閥性能測試原理簡圖Fig.6　Test principle diagram for performance of reducing valve

4.1壓力特性

以一組入口壓力（6～14 MPa）為例，出口設(shè)4 MPa，觀察該減壓閥的壓力特性（圖7）。

圖7　出口壓力4 MPa壓力特性Fig.7　Characteristic of 4 MPa pressure at outlet

圖7中p1為入口壓力，p2為出口壓力?？梢钥吹剑瑑烧叩某隹趬毫?、流量都是非常穩(wěn)定。試驗中減壓閥出口壓力從3.34 MPa至3.22 MPa之間變化，出口壓力最大偏差為3.7%，減壓閥的壓力特性較好，輸出壓力穩(wěn)定。

4.2流量特性

選定3個入口壓力，分別做了流量特性試驗，結(jié)果如圖8所示。

圖8　流量特性Fig.8　Flux characteristic

從圖8可以看出，不同入口、出口壓力，覆蓋的流量是不一樣的。當(dāng)入口為30 MPa，出口20 MPa時，減壓閥流量能夠達到10 kg/s。從圖8還可以看出，隨著流量增大，出口壓力在逐漸降低。這是因為，流量增大，閥芯開度越大，出口壓力逐級降低；當(dāng)閥芯開度到達極限之后，流量再想增大，就只能以犧牲出口壓力作為代價。

4.3動態(tài)特性

如圖9所示，在1.5 s打開閥門，試驗數(shù)據(jù)是先下降，然后上升，最后穩(wěn)定在6.5 MPa左右，穩(wěn)定時間1 s左右。而仿真1.5 s打開閥門后，經(jīng)過0.2 s左右的震蕩，然后才穩(wěn)定，穩(wěn)定值6.53 MPa。試驗和仿真比較，主要是振蕩段存在很大差異，仿真有一個明顯的振蕩然后衰減最后穩(wěn)定的過程。仿真結(jié)果在理論上能夠解釋，而實際過程中，減壓閥的工作過程比較復(fù)雜。此外，試驗的壓力測量頻率、精度都對結(jié)果有影響。這些都使得仿真不能完全反應(yīng)真實試驗的情況。但是，比較曲線可以看出，仿真能夠反映出口壓力的變化趨勢，誤差也在允許范圍內(nèi)，說明所建模型是正確的。

圖9　出口壓力7 MPa動態(tài)數(shù)據(jù)Fig.9　Dynamic data of 7 MPa pressure at outlet

5　結(jié)論

利用Matlab軟件建立先導(dǎo)式減壓閥仿真模型，分析各個參數(shù)對減壓閥性能的影響，根據(jù)仿真結(jié)果，研制出高壓大流量減壓閥。研制結(jié)果表明：

1）仿真縮短了閥門研發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計制造成本。

2）研制的減壓閥可以承壓30 MPa，流量達到了10 kg/s以上。

該閥已用于數(shù)個試驗中，工作安全、可靠，達到了設(shè)計指標(biāo)。

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（編輯：王建喜）

中圖分類號：V434-34

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9374（2016）03-0056-07

收稿日期：2016-01-31；修回日期：2016-03-16

作者簡介：姬俊鋒（1981—），男，博士，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機

Development of remote high-pressure mass flow reducing valve

JI Junfeng，LIN Meng，WU Guangzhong，KANG Shuting
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China）

Abstract:A new kind of remote and pilot-operated type high-pressure mass flow reducing valve was developed.The characteristics of this reducing valve are introduced.A mathematical model of the reducing valve was built.Dynamic simulation of the reducing valve was done with Matlab.The effect of each parameter on the reducing valve performance was studied.According to the simulation result，a real reducing valve was manufactured.A reducing valve capability test bed was built.The pressure and flux characteristic were analyzed and compared with the simulation.The result demonstrates that the test result is coincident with simulation results quite well，which indicates that the simulation has guiding function for development and analysis of the reducing valve.The reducing valve is easy to use，safe and credible.It has been employed in a number of tests.

Keywords:high-pressure mass flow reducing valve；dynamics simulation；mathematic model