一種航天飛行器用高性能氣體減壓器的設(shè)計(jì)

王俊麗， 王抓， 盧猛， 仝繼鋼

（凱邁（洛陽(yáng)）氣源有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

氣體減壓器是氣體控制的工業(yè)設(shè)備，主要應(yīng)用于航空航天、機(jī)械動(dòng)力、石油化工及車載消防等領(lǐng)域,通過(guò)控制減壓器閥芯、閥座形成的節(jié)流口來(lái)調(diào)節(jié)氣體的流量，同時(shí)借助膜片前后調(diào)壓彈簧、復(fù)位彈簧及壓力的變化調(diào)節(jié)節(jié)流口的開度，使輸入壓力在某一范圍不斷變化時(shí)，保持流量和輸出壓力不變的調(diào)壓裝置[1-5]。

應(yīng)用于航天飛行器的減壓器，各項(xiàng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通行業(yè)的減壓器，具有入口壓力范圍較寬、流量大、輸出壓力低、輸出穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性好、密封性好及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。本文著重探討一種航天飛行器用氣體減壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其理論計(jì)算的正確性，為工程應(yīng)用提供參考。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 組成及工作原理

減壓器主要由調(diào)壓螺釘、調(diào)壓彈簧、緊固螺母、調(diào)壓蓋、上彈簧座、膜片、氣頂桿、閥座、閥芯、下彈簧座、復(fù)位彈簧、殼體等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示，減壓器的工作原理為：初始狀態(tài)密封座和密封桿形成的節(jié)流口全開，當(dāng)進(jìn)口有壓力輸入時(shí)，氣流經(jīng)節(jié)流口進(jìn)入出口腔，當(dāng)出口壓力達(dá)到調(diào)壓彈簧設(shè)定的壓力時(shí)，此時(shí)出口壓力作用在膜片上的向上作用力、復(fù)位彈簧及輸入壓力通過(guò)密封桿作用在膜片上的向上作用力，二者之和與調(diào)壓彈簧作用在膜片上的向下作用力達(dá)到平衡，出口壓力達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)出口壓力繼續(xù)升高，膜片受到向上的作用力大于調(diào)壓彈簧向下作用力，膜片向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)密封桿在復(fù)位彈簧的作用力下也向上移動(dòng)，閥口開度減小，使得出口壓力仍保持在穩(wěn)定值；同理當(dāng)出口壓力下降時(shí)，膜片向下移動(dòng)，膜片推動(dòng)密封桿向下移動(dòng)，閥口開度變大，使得出口壓力維持在穩(wěn)定值附近。

圖1 減壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 理論計(jì)算過(guò)程

1.2.1 安全性設(shè)計(jì)

殼體是減壓器的主要承壓零件，決定著減壓器的耐壓安全性。殼體材料宜選用力學(xué)性能和耐候性較好的馬氏體沉淀不銹鋼，對(duì)于減壓器的耐壓安全性來(lái)說(shuō)，殼體輸入接口的退刀槽處為最薄弱的地方，如圖2所示，該處的內(nèi)、外徑分別為D1、D2，殼體所承受的最高工作氣壓為P,為保證該處設(shè)計(jì)的合理性，按照式（1）進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算:

式中：σb為馬氏體沉淀不銹鋼的抗拉強(qiáng)度；S為退刀槽處壁厚。

通過(guò)計(jì)算得到的安全系數(shù)為7.89，要求安全系數(shù)應(yīng)不小于2.5，因此滿足使用安全性。

1.2.2 減壓器節(jié)流口進(jìn)氣有效面積計(jì)算

空氣的臨界參數(shù):Ct1=0.528（25℃時(shí)，比熱容比k=1.4）。當(dāng)輸入壓力為最低工作壓力時(shí)的產(chǎn)品節(jié)流口有效面積A最大，要保證最小流量，此時(shí)P2/P1＜0.528。當(dāng)P2/P1＜0.528，為聲速流動(dòng)。流量計(jì)算公式：

式中：P1為輸入壓力，MPa；P2為輸出壓力，MPa；T 為環(huán)境溫度，K；A為節(jié)流口進(jìn)氣有效面積，mm2；QZ為減壓器輸出流量，L/min。

閥座與閥芯組成的節(jié)流孔如圖3所示，組成面積A，遠(yuǎn)大于式（2）計(jì)算的面積，所以產(chǎn)品不會(huì)形成節(jié)流，節(jié)流孔設(shè)計(jì)滿足要求。

1.2.3 膜片受力分析

圖3 閥座、閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 膜片受力示意圖

產(chǎn)品采用平衡膜片式結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化分析，在靜態(tài)平衡受力分析時(shí)忽略密封件的摩擦力影響,受力圖如圖4所示，平衡膜片受力方程:

式中：F1=K1S1，F(xiàn)2=K2S2，F(xiàn)i=P1πD2/4，F(xiàn)o=P2πD21/4。其中：F1為調(diào)壓彈簧作用力；K1為調(diào)壓彈簧剛度；S1為調(diào)壓彈簧壓縮量；F2為復(fù)位彈簧作用力；K2為復(fù)位彈簧剛度；S2為復(fù)位彈簧壓縮量；Fi為輸入壓力作用力；P1為入口壓力；D為密封座進(jìn)口直徑；Fo為輸出壓力作用力；P2為輸出壓力；D1為膜片直徑。

輸入壓力作用力Fi為一變量，此變量由輸入壓力決定，當(dāng)輸入壓力最大時(shí)Fi最大，即

因此調(diào)壓彈簧最大作用力F1=Fimax+Fo+F2。

1.2.4 膜片密封直徑設(shè)計(jì)

減壓器的設(shè)計(jì)思想是產(chǎn)品的外形尺寸盡量小、重量輕，因?yàn)檩敵鰤毫^低，在保證外形尺寸的基礎(chǔ)上，膜片的直徑應(yīng)盡量大，否則產(chǎn)品的輸出壓力特性將達(dá)不到研制任務(wù)書的要求。

減壓器壓力特性曲線公式為

根據(jù)式（5）及空間結(jié)構(gòu)可以計(jì)算出膜片直徑。

1.2.5 減壓器調(diào)壓精度分析

分析輸入壓力作用力的變化ΔFi=Fimax-Fimin。

因?yàn)檎{(diào)壓彈簧作用力F1為定量，而輸入壓力作用力由大變小，因此輸出壓力作用力必然由小變大，輸出壓力作用力會(huì)有相應(yīng)的升高，即ΔFo=ΔFi。

根據(jù)公式ΔP2=ΔFo÷πD21/4，可計(jì)算出輸出壓力的變化（調(diào)壓精度）滿足要求。

1.2.6 復(fù)位彈簧及調(diào)壓彈簧設(shè)計(jì)

根據(jù)密封桿結(jié)構(gòu)尺寸，參考GB/T2089-1994圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸及參數(shù)，材料選用不銹鋼絲1Cr18Ni9（B YB（T）11-1983），表面鈍化處理。彈簧剛度K2計(jì)算：

彈簧最大允許變形量S0計(jì)算：

彈簧節(jié)距t設(shè)計(jì)：

彈簧自由高度H0計(jì)算：

按照公式（10）進(jìn)行穩(wěn)定性校核:

根據(jù)公式計(jì)算，復(fù)位彈簧及調(diào)壓彈簧滿足穩(wěn)定性要求。

2 試驗(yàn)研究

按照減壓器的工作原理及理論設(shè)計(jì)所得的參數(shù)，試制出該減壓器樣機(jī)，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該減壓器的流量、輸出壓力、動(dòng)態(tài)特性、密封性、重量及外形尺寸滿足設(shè)計(jì)及總體要求；通過(guò)與總體試飛試驗(yàn)驗(yàn)證了該減壓器滿足壞境適應(yīng)性的要求，主要實(shí)測(cè)性能指標(biāo)詳見表1。

表1 主要性能指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

1）本文介紹了一種航天飛行器用氣體減壓器的理論計(jì)算方法，并通過(guò)樣機(jī)試制、試驗(yàn)驗(yàn)證及隨總體試飛，驗(yàn)證該理論設(shè)計(jì)的正確性。該減壓器具有入口壓力范圍較寬、流量大、輸出壓力低、輸出穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)特性好、密封性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于某航天飛行器氣動(dòng)系統(tǒng)，它的研制為同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒方法。2）以上理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法是進(jìn)行氣體減壓器設(shè)計(jì)的有效方法，并且通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得出各因素對(duì)減壓器性能的影響，得到其中的變化規(guī)律，這些影響及變化規(guī)律可以應(yīng)用至減壓器的理論設(shè)計(jì)中，并為后續(xù)減壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的參考。