一种航天飞行器用高性能气体减压器的设计

王俊丽， 王抓， 卢猛， 仝继钢

（凯迈（洛阳）气源有限公司，河南 洛阳 471000）

0 引言

气体减压器是气体控制的工业设备，主要应用于航空航天、机械动力、石油化工及车载消防等领域,通过控制减压器阀芯、阀座形成的节流口来调节气体的流量，同时借助膜片前后调压弹簧、复位弹簧及压力的变化调节节流口的开度，使输入压力在某一范围不断变化时，保持流量和输出压力不变的调压装置[1-5]。

应用于航天飞行器的减压器，各项性能远远高于普通行业的减压器，具有入口压力范围较宽、流量大、输出压力低、输出稳定、动态特性好、密封性好及环境适应性强等特点[6]。本文着重探讨一种航天飞行器用气体减压器的设计和应用，并通过试验验证其理论计算的正确性，为工程应用提供参考。

1 设计方案

1.1 组成及工作原理

减压器主要由调压螺钉、调压弹簧、紧固螺母、调压盖、上弹簧座、膜片、气顶杆、阀座、阀芯、下弹簧座、复位弹簧、壳体等组成，其结构示意图如图1所示。

如图1所示，减压器的工作原理为：初始状态密封座和密封杆形成的节流口全开，当进口有压力输入时，气流经节流口进入出口腔，当出口压力达到调压弹簧设定的压力时，此时出口压力作用在膜片上的向上作用力、复位弹簧及输入压力通过密封杆作用在膜片上的向上作用力，二者之和与调压弹簧作用在膜片上的向下作用力达到平衡，出口压力达到稳定，当出口压力继续升高，膜片受到向上的作用力大于调压弹簧向下作用力，膜片向上运动，同时密封杆在复位弹簧的作用力下也向上移动，阀口开度减小，使得出口压力仍保持在稳定值；同理当出口压力下降时，膜片向下移动，膜片推动密封杆向下移动，阀口开度变大，使得出口压力维持在稳定值附近。

图1 减压器结构示意图

1.2 理论计算过程

1.2.1 安全性设计

壳体是减压器的主要承压零件，决定着减压器的耐压安全性。壳体材料宜选用力学性能和耐候性较好的马氏体沉淀不锈钢，对于减压器的耐压安全性来说，壳体输入接口的退刀槽处为最薄弱的地方，如图2所示，该处的内、外径分别为D1、D2，壳体所承受的最高工作气压为P,为保证该处设计的合理性，按照式（1）进行安全系数的计算:

式中：σb为马氏体沉淀不锈钢的抗拉强度；S为退刀槽处壁厚。

通过计算得到的安全系数为7.89，要求安全系数应不小于2.5，因此满足使用安全性。

1.2.2 减压器节流口进气有效面积计算

空气的临界参数:Ct1=0.528（25℃时，比热容比k=1.4）。当输入压力为最低工作压力时的产品节流口有效面积A最大，要保证最小流量，此时P2/P1＜0.528。当P2/P1＜0.528，为声速流动。流量计算公式：

式中：P1为输入压力，MPa；P2为输出压力，MPa；T 为环境温度，K；A为节流口进气有效面积，mm2；QZ为减压器输出流量，L/min。

阀座与阀芯组成的节流孔如图3所示，组成面积A，远大于式（2）计算的面积，所以产品不会形成节流，节流孔设计满足要求。

1.2.3 膜片受力分析

图3 阀座、阀芯结构示意图

图4 膜片受力示意图

产品采用平衡膜片式结构，为了简化分析，在静态平衡受力分析时忽略密封件的摩擦力影响,受力图如图4所示，平衡膜片受力方程:

式中：F1=K1S1，F2=K2S2，Fi=P1πD2/4，Fo=P2πD21/4。其中：F1为调压弹簧作用力；K1为调压弹簧刚度；S1为调压弹簧压缩量；F2为复位弹簧作用力；K2为复位弹簧刚度；S2为复位弹簧压缩量；Fi为输入压力作用力；P1为入口压力；D为密封座进口直径；Fo为输出压力作用力；P2为输出压力；D1为膜片直径。

输入压力作用力Fi为一变量，此变量由输入压力决定，当输入压力最大时Fi最大，即

因此调压弹簧最大作用力F1=Fimax+Fo+F2。

1.2.4 膜片密封直径设计

减压器的设计思想是产品的外形尺寸尽量小、重量轻，因为输出压力较低，在保证外形尺寸的基础上，膜片的直径应尽量大，否则产品的输出压力特性将达不到研制任务书的要求。

减压器压力特性曲线公式为

根据式（5）及空间结构可以计算出膜片直径。

1.2.5 减压器调压精度分析

分析输入压力作用力的变化ΔFi=Fimax-Fimin。

因为调压弹簧作用力F1为定量，而输入压力作用力由大变小，因此输出压力作用力必然由小变大，输出压力作用力会有相应的升高，即ΔFo=ΔFi。

根据公式ΔP2=ΔFo÷πD21/4，可计算出输出压力的变化（调压精度）满足要求。

1.2.6 复位弹簧及调压弹簧设计

根据密封杆结构尺寸，参考GB/T2089-1994圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数，材料选用不锈钢丝1Cr18Ni9（B YB（T）11-1983），表面钝化处理。弹簧刚度K2计算：

弹簧最大允许变形量S0计算：

弹簧节距t设计：

弹簧自由高度H0计算：

按照公式（10）进行稳定性校核:

根据公式计算，复位弹簧及调压弹簧满足稳定性要求。

2 试验研究

按照减压器的工作原理及理论设计所得的参数，试制出该减压器样机，并通过试验测试验证了该减压器的流量、输出压力、动态特性、密封性、重量及外形尺寸满足设计及总体要求；通过与总体试飞试验验证了该减压器满足坏境适应性的要求，主要实测性能指标详见表1。

表1 主要性能指标

3 结语

1）本文介绍了一种航天飞行器用气体减压器的理论计算方法，并通过样机试制、试验验证及随总体试飞，验证该理论设计的正确性。该减压器具有入口压力范围较宽、流量大、输出压力低、输出稳定、动态特性好、密封性好、环境适应性强等优点，已成功应用于某航天飞行器气动系统，它的研制为同类产品的研制提供了可借鉴方法。2）以上理论分析和试验结果表明，该设计方法是进行气体减压器设计的有效方法，并且通过试验测试得出各因素对减压器性能的影响，得到其中的变化规律，这些影响及变化规律可以应用至减压器的理论设计中，并为后续减压器的优化设计提供了有力的参考。