航空氧气调节器结构参数设计计算

万玉琴 赵竞全 曾 宇

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

航空氧气调节器结构参数设计计算

万玉琴 赵竞全 曾 宇

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

阐述了某型航空氧气调节器肺式机构和空气进气机构的工作原理，对运动部件进行了受力分析并建立相应的数学模型.以供氧系统的性能技术指标和使用条件作为设计计算约束，根据数学模型，利用MATLAB/simulink软件建立仿真计算模型.在此基础上通过仿真计算特性曲线分析完成了系统主要结构参数的选取，并得出了系统的流量特性以及整个飞行高度上的含氧百分比特性.仿真结果表明:以上提出的设计计算方法对航空氧气调节器进行设计与改进是可行的.

供氧系统;氧气调节器;计算机仿真;优化设计

氧气调节器是航空供氧系统的核心控制单元和中央处理器，它可以随环境压力和使用者呼吸的变化，按不同供氧方式、不同高度的供氧要求，向氧气面罩供给一定压力、流量和含氧浓度的混合气或纯氧.其中，肺式机构和空气进气机构是氧气调节器中十分重要的组成部件，主要特性包括吸气面、流量特性以及含氧分数.肺式机构能够根据使用者的呼吸频率和肺通气量大小自动供给氧气，而空气进气机构能够通过控制活门开度来调节空气流量［1－2］.

肺式机构和空气进气活门的性能直接关系到氧气调节器以及整个航空供氧系统性能的好坏，而目前我国在供氧系统的研发设计中多采用试验方法，暴露出设计方案定位不准、成本高昂、周期较长、限制较多等不足，尤其是对于氧气调节器这种工艺复杂、内部流道繁多的设备，试验测试很难达到预期目标.

本文利用仿真技术手段对氧气调节器进行设计研究，针对氧气调节器的肺式机构和空气进气活门建立数学模型，在MATLAB/simulink平台上进行仿真计算，得到了氧气调节器在特定工作状态下的性能特性和主要结构参数的优化设计方案，同时提出了单结构参数或多结构参数综合优化方法对氧气调节器性能进行优化改进［3］.

1 氧气调节器工作原理简介

图1为氧气调节器的结构原理示意图，主要包括肺式机构和空气进气机构.肺式机构主要由双摇杆机构、主活门6和辅助活门5构成，空气进气机构主要由活塞7、弹簧8和空气活门9构成.

图1 氧气调节器简化示意图

该氧气调节器的工作过程简介如下:来自高压氧源的氧气经减压之后进入氧气调节器.在没有氧气输出的时候，氧气滞留在感压腔，使得感压腔内的压力增大进而迫使膜片向上弯曲带动双摇杆机构关闭主肺式活门和辅助活门.同时随着入口氧气的进入，入口压力不断增大进而推动活塞关闭空气活门，外界空气停止进入氧气调节器.

当使用者吸气时，感压腔内形成一定的真空度.在压差的作用下膜片1向下弯曲带动双摇杆机构打开活门5和6，使氧气流入感压腔.与此同时，入口压力的降低使得活塞与空气活门脱离，活门在压差作用下被打开，外界空气进入感压腔并与氧气混合，形成一定含氧浓度的混合气流向氧气调节器出口并经输氧软管到达供氧面罩以供使用.呼气时，感压腔压力增加，膜片在压差作用下带动摇杆脱离肺式机构活门，使其在弹簧作用下关闭，停止供气.

氧气调节器入口处的流量随感压腔压力的变化称之为流量特性.通过双摇杆机构来联动控制肺式机构主活门和辅助活门的开启及开启量，进而控制氧气流量，是一个典型的先进的机构.

2 氧气调节器数学模型

在建立数学模型时，作以下假设:系统中气体作理想气体处理;认为各调节腔气体温度不变，取值为290K;系统没有气体泄漏;活门流量系数认为不变，取值为 0.85［4－5］.

2.1 肺式机构数学模型

氧气调节器的流量特性主要由肺式机构保证，吸气阻力作为肺式机构的主要特性，应满足以下设计条件:

当有稳定流量输出时，主活门处于平衡状态，其受力平衡方程为

在氧气调节器的技术指标要求下，其主要结构参数应分别满足以下条件

式中，Pp，Ph，P0分别为膜片下腔压力、座舱高度对应的大气压力、氧调器入口氧气压力;ΔPmax为机构允许的最大吸气阻力;Fz为主活门弹簧力;ds，dz分别为辅助活门活塞和主活门直径;fm为膜片有效面积;i，i'分别为摇杆2，3的传动比;L为主活门开启量;Gmax为可能出现的最大瞬间质量流量;μ为活门流量系数;T为流体温度;B为流体亚临界状态质量流量系数;Sz为活门灵敏度;μ为活门流量系数.

肺式机构主要参数根据吸气阻力特性确定，通过式(4)求出fmi之后，可根据结构布置情况确定膜片及杠杆参数，活门弹簧视密封条件确定.

2.2 空气进气机构数学模型

假定活塞弹簧在某一高度H开始作用于空气活门，在此之前空气活门与活塞之间没有力的相互作用，当空气活门开度L'与活塞位移l1之和大于弹簧8距空气活门的初始距离时，弹簧8开始作用于空气活门，从而使空气活门关闭的力增加，据此可得活门开启量稳态模型:

式中，L'是空气活门开启量;l1是活塞的位移;L0是弹簧8距空气活门的初始距离;dh是空气活门的直径;f7是活塞7的横截面积;k7，l7是活塞弹簧的刚度及预压缩量;k8，l8是弹簧8的刚度及预压缩量;k9，l9是空气活门弹簧的刚度及预压缩量.

空气活门流通面积为min(πdhL'

2.3 含氧百分比计算模型

吸入气含氧分数可按下式计算:

式中，进入氧气调节器的氧气流量QO2和空气流量Qair分别为

其中，FO2%为吸入气含氧百分比;d4为限流孔4的直径;E，E*分别为流体亚临界和超临界状态的体积流量系数;k为气体等熵指数.

不同高度下系统含氧分数如表1所示，据此，可根据不同高度对含氧分数的要求得出空气活门直径的取值范围.

表1 不同高度下系统供氧浓度

3 系统仿真计算结果及分析

3.1 肺式机构结构参数的优化设计

3.1.1 主肺式活门直径的选取

主活门直径的选择与最大瞬间流量和活门灵敏度有关［5］.最大瞬间流量依使用者工作条件的不同而有区别，一般在重工作条件下为185 L/min.活门灵敏度越高表示活门只要有较小的开启量变化，就可能引起较大的流量变化，所以灵敏系数要根据调节活门的灵敏度要求进行选择，根据经验值一般取为5.0.

取氧气调节器入口压力的最低压力为设计点.依前所述，主活门直径取为4.5mm.因此，只要确定了系统使用条件以及要求，就可以根据图2中的曲线来确定主肺式活门直径.

3.1.2 感压腔膜片及摇杆传动比的选取

图3所示曲线为式(4)的仿真计算结果，为满足吸气阻力的技术要求，fmi的取值应该为曲线以上所包含的区域.随着高度的增加，fmi的值趋近于0.0072，该值越大，系统的结构尺寸也越大.为了兼顾系统结构尺寸以及高空的正常使用，fmi应不小于0.007 2.膜片的有效面积由其直径决定，传动比由杠杆臂长决定.在不影响结构尺寸的前提下应尽量增加传动比，这样就可以在较小的吸气阻力下获得较大的开启供氧活门的力.综上，取两臂长度为37mm，5mm，膜片直径为35mm，48mm，则 i=37/5=7.4，fm≈3.14 ×0.0352/12=0.001m2，fmi=0.0074 满足吸气阻力要求.

图2 主活门直径的选取

图3 f m i随高度的变化规律

以上通过某一特定工作点的参数选取介绍了系统结构参数选取的方法.当工作点或者工作条件发生变化时，亦可据此方法重新确定结构参数.例如，前面所述均为高压氧气瓶作为氧源，当氧源变为分子筛制氧时，提供给氧气调节器的氧气压力要小很多.这时，只需重新设置氧气调节器入口压力，然后按上述步骤就可以得到相应的参数取值［6］.

3.1.3 肺式机构流量特性计算

在前两节确定好结构主要参数之后，可以得出系统的流量特性，即肺式机构的流量变化对吸气阻力的影响，如图4所示.

图4 肺式机构流量特性

可见，当系统输出流量发生变化时，吸气阻力的波动值在20 kPa以内，故该肺式机构具有良好的流量特性.

3.2 含氧分数性能及参数优化设计

3.2.1 空气进气活门直径的选择

依据式(10)可以得出图5的仿真结果，其中肺换气量为30 L/min.图5显示了在不同座舱高度时含氧分数随活门直径的变化范围.根据表1给定的数据，可以通过图5曲线得出空气活门直径的取值范围，详见表2.

图5 空气活门直径的选择

表2 不同高度下活门直径的取值

为保证4个设计高度下系统的含氧分数都能满足设计要求，需取表2各集合的交集，即为0.0155 ～0.018m.

3.2.2 含氧分数性能

在确定了系统的各主要参数之后，可以求得整个座舱高度上的含氧分数变化规律，其中空气活门直径取为0.017m，如图6所示.

图6 含氧分数示意图

3.2.1 节中肺换气量的设计点取为30 L/min，为了检验通用性，图 6增加了 20 L/min和40 L/min肺换气量下的含氧分数特性.可以看出，当肺换气量发生变化时，系统含氧分数仍然满足设计要求.所以空气活门的设计在肺换气量发生变化时仍然适用.

随着高度的增加，含氧分数逐渐增大并符合表1的技术要求.同时，随着吸气流量的增加，含氧分数也逐渐增大.这是由于进入调节器的氧气

流量逐渐增加的时候，空气活门前的氧气压力变化很微弱，导致空气活门的开启量变化很微弱进而使空气流量几乎没有变化，使混合气中氧气流量的增加率大于空气流量的增加率，所以系统含氧分数随着氧气流量的增加而增加.

4 结束语

以上对航空氧气调节器的运动部件建立了受力平衡方程，根据性能技术指标给出了系统主要结构参数的数学模型.然后在MATLAB上建立仿真模型，并进行了仿真计算，得到了结构参数的变化曲线.通过对曲线的分析，阐明了参数选择的方法.在选定参数的情况下，对系统的流量特性、含氧分数特性、吸气阻力特性进行了仿真计算和验证，针对仿真结果做了详细分析.本文提出的设计方法可以为系统的改良以及故障处理提供参考依据，具有一定的实用价值.

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(编 辑:李 晶)

Investigation of aviation oxygen regulator

Wan Yuqin Zhao Jingquan Zeng Yu

(School of Aeronautic Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

The working principle of the two components(pulmonary-based institutions and air intake body of oxygen regulator)was presented，and the ma the matical model was established based on the analysis of the balance of the imposed forces on the kinetic components.The numerical simulation was implemented through MATLAB/simulink with the technical performance and operating conditions of oxygen supply system as the designing and calculating constraints.The selection of the main structural para meters was achieved through the analysis of the characteristic curve attained from the simulation results，and the flow characteristics of the system together with the characteristics of the oxygen percentage on a whole altitude were drawn.The simulation results show that the method are feasible for design and performance improvement for the oxygen regulator.

oxygen supply system;oxygen regulator;computer simulation;optimization design

V 245.3+1

A

1001-5965(2011)03-0351-04

2010-01-04

万玉琴(1986－)，女，甘肃会宁人，硕士生，wanyuqin123@sina.com.