王抓， 王俊麗， 楊永樂(lè)， 江澎， 李彥卿

（凱邁（洛陽(yáng)）氣源有限公司，河南 洛陽(yáng)471003）

0 引言

一種航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高性能氧氣減壓器[1]（以下簡(jiǎn)稱“減壓器”）是根據(jù)某型航天發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置研制任務(wù)書要求進(jìn)行研制，工作介質(zhì)為氧氣，輸入壓力為8～30 MPa，輸出壓力為2.5～3.5 MPa，最大流量應(yīng)滿足32 g/s。與氧氣瓶、手閥、電磁閥、單向閥及連接管路等組成氧氣供給系統(tǒng)，為組合發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)提供氧氣。

減壓器在氧氣供給系統(tǒng)中的工作原理圖如圖1所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)需要供氧時(shí)，首先將手閥打開(kāi)，然后將電磁閥通電打開(kāi)，此時(shí)氣瓶中的氧氣通過(guò)減壓器減壓后經(jīng)過(guò)單向閥輸出；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不需要供氧時(shí)，關(guān)閉手閥及電磁閥，氣路斷開(kāi)。壓力表監(jiān)測(cè)氣瓶中壓力，保證氣瓶正常工作。

圖1 減壓器在氧氣供給系統(tǒng)的工作原理圖

根據(jù)技術(shù)要求及用途可知：該減壓器的各項(xiàng)性能遠(yuǎn)高于其它普通的減壓器，具有輸入壓力范圍較大、輸出壓力范圍較窄、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定要求較高、流量較大等特點(diǎn)。根據(jù)此減壓器的特點(diǎn)，本文有針對(duì)性地進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其理論設(shè)計(jì)的合理性，保證其可靠使用。

1 減壓器設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)研制任務(wù)書要求，考慮減壓器輸出壓力范圍小、流量大、穩(wěn)壓精度高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)采用雙向平衡活塞式減壓結(jié)構(gòu)，將輸出壓力通過(guò)密封桿中心孔引入到密封桿下端，使得密封桿上下端面均受到輸出壓力的作用，其作用力相互抵消。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由調(diào)壓彈簧、活塞、密封圈、進(jìn)出口接頭、閥體、密封桿、密封座、復(fù)位彈簧等組成。

如圖2所示，其工作原理為：初始狀態(tài)密封座和密封桿形成的節(jié)流口全開(kāi)，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)出口壓力作用在活塞上的向上作用力、復(fù)位彈簧向上作用力，二者之和與調(diào)壓彈簧作用在活塞上的向下作用力達(dá)到平衡，出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力，當(dāng)出口壓力繼續(xù)升高，活塞受到向上的作用力大于調(diào)壓彈簧向下作用力，活塞向上運(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(kāi)度減小，使得出口壓力仍保持在設(shè)定壓力；同理，當(dāng)出口壓力下降時(shí)，活塞向下移動(dòng)，活塞推動(dòng)密封桿向下移動(dòng)，閥口開(kāi)度變大，使得出口壓力維持在設(shè)定壓力。

1.2 閥體設(shè)計(jì)

圖2 減壓器總體結(jié)構(gòu)圖

閥體作為減壓器的承壓部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，因該減壓器工作介質(zhì)為氧氣，所示閥體采用銅合金材料，該類材料具有高的強(qiáng)度、硬度、彈性極限，并且彈性穩(wěn)定性好，受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花，是工業(yè)中具有良好綜合性能的重要材料，廣泛應(yīng)用于航空儀表和電工電器制造，特別適宜作為承壓部件。閥體承壓最薄弱處如圖3所示，按照強(qiáng)度校核公式[3]及ANSYS仿真分析，強(qiáng)度滿足要求。閥體壁厚計(jì)算公式為

式中：S為閥體壁厚，mm；Pb為工作壓力，MPa；σb為材料抗 拉強(qiáng)度，MPa；D為閥體外徑，mm。

圖3 閥體外形結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度仿真圖

1.3 流通面積計(jì)算

當(dāng)輸入壓力為最低工作壓力（8 MPa）時(shí)的產(chǎn)品節(jié)流口有效面積A最大，輸出壓力取最小值2.5 MPa，要保證最大流量32 g/s，此時(shí)P2/P1=2.5÷8≈0.31，為聲速流動(dòng)。

1）減壓前端面積計(jì)算。取最極限狀態(tài)，即計(jì)算輸入壓力為8 MPa時(shí)的流通面積，計(jì)算公式為

式中：P1為輸入壓力，MPa；T為環(huán)境溫度，℃；A為有效流通面積，mm2；QZ為減壓器輸出流量，L/min。根據(jù)公式計(jì)算得知，減壓前端流通面積滿足要求。

2）減壓后端面積計(jì)算。根據(jù)要求，減壓后端最小輸出壓力為2.5 MPa，考慮減壓器的實(shí)際工況，其氧氣流動(dòng)仍未聲速流動(dòng)，按照式（2）進(jìn)行校核可知，減壓后端流通面積滿足要求。

圖4 活塞受力分析圖

1.4 活塞受力分析及設(shè)計(jì)

減壓器采用雙向平衡活塞式結(jié)構(gòu)，在靜態(tài)平衡受力分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析，忽略密封件的摩擦力影響。如圖4所示，平衡活塞受力方程為

式中：Fa為復(fù)位彈簧力，N；Fp為輸出壓力對(duì)活塞的作用力，N；Fn為調(diào)壓彈簧力，N。

按照上述公式進(jìn)行計(jì)算可知：在活塞的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其直徑應(yīng)盡量大，以便提高減壓器的輸出精度。綜合考慮減壓器的壓力特性、外形、質(zhì)量等要求及一些成熟的減壓器工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該減壓器的活塞直徑應(yīng)不小于30 mm。

1.5 調(diào)壓彈簧設(shè)計(jì)

調(diào)壓彈簧[4]是減壓器的調(diào)壓部件，彈簧力大小決定了輸出壓力的大小，因此該彈簧的穩(wěn)定性決定了減壓輸出的穩(wěn)定性。根據(jù)輸出壓力及活塞面積可知，調(diào)壓彈簧工作時(shí)的力約為3000 N，綜合考慮外形、精度及安裝空間等因素的影響，在有限的空間內(nèi)具有更大的剛度，設(shè)計(jì)調(diào)壓彈簧的剛度K1為450 N/mm，正常工作壓縮量約為6～9 mm。

當(dāng)壓縮量為6.7 mm時(shí)，調(diào)壓彈簧力達(dá)到約3000 N，滿足使用要求。

1.6 復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)

復(fù)位彈簧[4]力決定著無(wú)流量情況下減壓器的輸出壓力（靜壓），其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。密封桿錐面的作用力如圖5所示。根據(jù)密封桿錐面受力情況可得復(fù)位彈簧作用力，計(jì)算公式為

圖5 密封桿錐面作用力示意圖

式中：FFW為復(fù)位彈簧作用力，N；N為密封錐面反作用力，N；FM為密封面摩擦力，N。

按照上述公式計(jì)算并考慮外形、安裝空間等因素的影響，復(fù)位彈簧的剛度K1為19 N/mm，正常工作壓縮量約為4～7 mm，滿足使用要求。

1.7 減壓器調(diào)壓精度分析

在保證外形尺寸、質(zhì)量的基礎(chǔ)上，活塞的直徑應(yīng)盡量大，從而盡可能地提高減壓器的調(diào)壓精度。由于減壓器采用密封桿雙向平衡結(jié)構(gòu)，不受輸入壓力的影響，此處減壓器輸出壓力精度僅受調(diào)壓彈簧和復(fù)位彈簧的影響，計(jì)算公式為

式中：ΔP為減壓器精度，MPa；F為彈簧力合力，N；A1為活塞面積，mm2。

根據(jù)計(jì)算可知，減壓器的精度不大于0.2 MPa，可滿足要求。

1.8 材料選用

該減壓器工作介質(zhì)為氧氣，對(duì)使用的金屬及非金屬材料[2]有著嚴(yán)格的要求，參照GB16912-2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，與高壓氧氣直接接觸的金屬材料均選用銅基合金材料，這些材料不含碳元素，高溫時(shí)只熔化、不會(huì)燃燒，摩擦、撞擊時(shí)不起火，受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花，可以保證產(chǎn)品使用氧氣的安全性。非金屬材料的危險(xiǎn)度相對(duì)較高，設(shè)計(jì)過(guò)程中均選用氧氣環(huán)境中允許使用的乙丙橡膠、聚酰亞胺等材料，所選材料均為阻燃材料，具有較高的自動(dòng)點(diǎn)火溫度、較高的耐氧氣指數(shù)和較低的燃燒熱，均可滿足使用要求。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述理論計(jì)算對(duì)減壓器進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)、裝配調(diào)試，并對(duì)輸入壓力、輸出壓力及流量等相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，主要試驗(yàn)參數(shù)如圖6所示。從圖6可以看出，在輸出流量調(diào)定的情況下，輸入壓力在8～30 MPa進(jìn)行變化時(shí)，輸出壓力隨輸入壓力的變化波動(dòng)較小，具有調(diào)壓精度高、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好及流量大等特性，達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求，可滿足實(shí)際工況使用。

圖6 減壓器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了工作介質(zhì)為氧氣的一種高壓大流量減壓器的研制及試驗(yàn)驗(yàn)證情況，通過(guò)實(shí)測(cè)減壓器的相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性。該減壓器已成功應(yīng)用于某型航天發(fā)動(dòng)機(jī)供氧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大流量、高精度的氧氣供給，為后續(xù)類似產(chǎn)品的研制提供了參考。