一种航天发动机用高性能氧气减压器的研制与应用

2021-06-18王抓王俊丽杨永乐江澎李彦卿

机械工程师 2021年6期

王抓，王俊丽，杨永乐，江澎，李彦卿

（凯迈（洛阳）气源有限公司，河南洛阳471003）

0 引言

一种航天发动机用高性能氧气减压器[1]（以下简称“减压器”）是根据某型航天发动机点火装置研制任务书要求进行研制，工作介质为氧气，输入压力为8～30 MPa，输出压力为2.5～3.5 MPa，最大流量应满足32 g/s。与氧气瓶、手阀、电磁阀、单向阀及连接管路等组成氧气供给系统，为组合发动机地面试验提供氧气。

减压器在氧气供给系统中的工作原理图如图1所示。当发动机地面试验需要供氧时，首先将手阀打开，然后将电磁阀通电打开，此时气瓶中的氧气通过减压器减压后经过单向阀输出；当发动机不需要供氧时，关闭手阀及电磁阀，气路断开。压力表监测气瓶中压力，保证气瓶正常工作。

图1 减压器在氧气供给系统的工作原理图

根据技术要求及用途可知：该减压器的各项性能远高于其它普通的减压器，具有输入压力范围较大、输出压力范围较窄、动态稳定要求较高、流量较大等特点。根据此减压器的特点，本文有针对性地进行了理论设计，并通过试验验证其理论设计的合理性，保证其可靠使用。

1 减压器设计

1.1 总体结构设计及工作原理

根据研制任务书要求，考虑减压器输出压力范围小、流量大、稳压精度高的特点，设计时采用双向平衡活塞式减压结构，将输出压力通过密封杆中心孔引入到密封杆下端，使得密封杆上下端面均受到输出压力的作用，其作用力相互抵消。其结构如图2所示，主要由调压弹簧、活塞、密封圈、进出口接头、阀体、密封杆、密封座、复位弹簧等组成。

如图2所示，其工作原理为：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活塞上的向上作用力、复位弹簧向上作用力，二者之和与调压弹簧作用在活塞上的向下作用力达到平衡，出口压力稳定在设定压力，当出口压力继续升高，活塞受到向上的作用力大于调压弹簧向下作用力，活塞向上运动，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设定压力；同理，当出口压力下降时，活塞向下移动，活塞推动密封杆向下移动，阀口开度变大，使得出口压力维持在设定压力。

1.2 阀体设计

图2 减压器总体结构图

阀体作为减压器的承压部件，其结构如图3所示，因该减压器工作介质为氧气，所示阀体采用铜合金材料，该类材料具有高的强度、硬度、弹性极限，并且弹性稳定性好，受冲击时不产生火花，是工业中具有良好综合性能的重要材料，广泛应用于航空仪表和电工电器制造，特别适宜作为承压部件。阀体承压最薄弱处如图3所示，按照强度校核公式[3]及ANSYS仿真分析，强度满足要求。阀体壁厚计算公式为

式中：S为阀体壁厚，mm；Pb为工作压力，MPa；σb为材料抗拉强度，MPa；D为阀体外径，mm。

图3 阀体外形结构及强度仿真图

1.3 流通面积计算

当输入压力为最低工作压力（8 MPa）时的产品节流口有效面积A最大，输出压力取最小值2.5 MPa，要保证最大流量32 g/s，此时P2/P1=2.5÷8≈0.31，为声速流动。

1）减压前端面积计算。取最极限状态，即计算输入压力为8 MPa时的流通面积，计算公式为

式中：P1为输入压力，MPa；T为环境温度，℃；A为有效流通面积，mm2；QZ为减压器输出流量，L/min。根据公式计算得知，减压前端流通面积满足要求。

2）减压后端面积计算。根据要求，减压后端最小输出压力为2.5 MPa，考虑减压器的实际工况，其氧气流动仍未声速流动，按照式（2）进行校核可知，减压后端流通面积满足要求。

图4 活塞受力分析图

1.4 活塞受力分析及设计

减压器采用双向平衡活塞式结构，在静态平衡受力分析时，为了简化分析，忽略密封件的摩擦力影响。如图4所示，平衡活塞受力方程为

式中：Fa为复位弹簧力，N；Fp为输出压力对活塞的作用力，N；Fn为调压弹簧力，N。

按照上述公式进行计算可知：在活塞的设计过程中，其直径应尽量大，以便提高减压器的输出精度。综合考虑减压器的压力特性、外形、质量等要求及一些成熟的减压器工程设计经验，该减压器的活塞直径应不小于30 mm。

1.5 调压弹簧设计

调压弹簧[4]是减压器的调压部件，弹簧力大小决定了输出压力的大小，因此该弹簧的稳定性决定了减压输出的稳定性。根据输出压力及活塞面积可知，调压弹簧工作时的力约为3000 N，综合考虑外形、精度及安装空间等因素的影响，在有限的空间内具有更大的刚度，设计调压弹簧的刚度K1为450 N/mm，正常工作压缩量约为6～9 mm。

当压缩量为6.7 mm时，调压弹簧力达到约3000 N，满足使用要求。

1.6 复位弹簧设计

复位弹簧[4]力决定着无流量情况下减压器的输出压力（静压），其设计至关重要。密封杆锥面的作用力如图5所示。根据密封杆锥面受力情况可得复位弹簧作用力，计算公式为

图5 密封杆锥面作用力示意图

式中：FFW为复位弹簧作用力，N；N为密封锥面反作用力，N；FM为密封面摩擦力，N。

按照上述公式计算并考虑外形、安装空间等因素的影响，复位弹簧的刚度K1为19 N/mm，正常工作压缩量约为4～7 mm，满足使用要求。

1.7 减压器调压精度分析

在保证外形尺寸、质量的基础上，活塞的直径应尽量大，从而尽可能地提高减压器的调压精度。由于减压器采用密封杆双向平衡结构，不受输入压力的影响，此处减压器输出压力精度仅受调压弹簧和复位弹簧的影响，计算公式为

式中：ΔP为减压器精度，MPa；F为弹簧力合力，N；A1为活塞面积，mm2。

根据计算可知，减压器的精度不大于0.2 MPa，可满足要求。

1.8 材料选用

该减压器工作介质为氧气，对使用的金属及非金属材料[2]有着严格的要求，参照GB16912-2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》等相关国家标准，与高压氧气直接接触的金属材料均选用铜基合金材料，这些材料不含碳元素，高温时只熔化、不会燃烧，摩擦、撞击时不起火，受冲击时不产生火花，可以保证产品使用氧气的安全性。非金属材料的危险度相对较高，设计过程中均选用氧气环境中允许使用的乙丙橡胶、聚酰亚胺等材料，所选材料均为阻燃材料，具有较高的自动点火温度、较高的耐氧气指数和较低的燃烧热，均可满足使用要求。

2 试验验证

按照上述理论计算对减压器进行了工程设计、装配调试，并对输入压力、输出压力及流量等相关的动态特性进行了试验验证，主要试验参数如图6所示。从图6可以看出，在输出流量调定的情况下，输入压力在8～30 MPa进行变化时，输出压力随输入压力的变化波动较小，具有调压精度高、动态稳定性好及流量大等特性，达到了理论设计要求，可满足实际工况使用。