一種航天發(fā)動機用高性能氧氣減壓器的研制與應用

王抓， 王俊麗， 楊永樂， 江澎， 李彥卿

（凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南 洛陽471003）

0 引言

一種航天發(fā)動機用高性能氧氣減壓器[1]（以下簡稱“減壓器”）是根據某型航天發(fā)動機點火裝置研制任務書要求進行研制，工作介質為氧氣，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)動機地面試驗提供氧氣。

減壓器在氧氣供給系統(tǒng)中的工作原理圖如圖1所示。當發(fā)動機地面試驗需要供氧時，首先將手閥打開，然后將電磁閥通電打開，此時氣瓶中的氧氣通過減壓器減壓后經過單向閥輸出；當發(fā)動機不需要供氧時，關閉手閥及電磁閥，氣路斷開。壓力表監(jiān)測氣瓶中壓力，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

根據技術要求及用途可知：該減壓器的各項性能遠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、動態(tài)穩(wěn)定要求較高、流量較大等特點。根據此減壓器的特點，本文有針對性地進行了理論設計，并通過試驗驗證其理論設計的合理性，保證其可靠使用。

1 減壓器設計

1.1 總體結構設計及工作原理

根據研制任務書要求，考慮減壓器輸出壓力范圍小、流量大、穩(wěn)壓精度高的特點，設計時采用雙向平衡活塞式減壓結構，將輸出壓力通過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。其結構如圖2所示，主要由調壓彈簧、活塞、密封圈、進出口接頭、閥體、密封桿、密封座、復位彈簧等組成。

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，當進口有壓力輸入時，氣流經節(jié)流口進入出口腔，當出口壓力達到調壓彈簧設定的壓力時，此時出口壓力作用在活塞上的向上作用力、復位彈簧向上作用力，二者之和與調壓彈簧作用在活塞上的向下作用力達到平衡，出口壓力穩(wěn)定在設定壓力，當出口壓力繼續(xù)升高，活塞受到向上的作用力大于調壓彈簧向下作用力，活塞向上運動，同時密封桿在復位彈簧的作用力下也向上移動，閥口開度減小，使得出口壓力仍保持在設定壓力；同理，當出口壓力下降時，活塞向下移動，活塞推動密封桿向下移動，閥口開度變大，使得出口壓力維持在設定壓力。

1.2 閥體設計

圖2 減壓器總體結構圖

閥體作為減壓器的承壓部件，其結構如圖3所示，因該減壓器工作介質為氧氣，所示閥體采用銅合金材料，該類材料具有高的強度、硬度、彈性極限，并且彈性穩(wěn)定性好，受沖擊時不產生火花，是工業(yè)中具有良好綜合性能的重要材料，廣泛應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，按照強度校核公式[3]及ANSYS仿真分析，強度滿足要求。閥體壁厚計算公式為

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

圖3 閥體外形結構及強度仿真圖

1.3 流通面積計算

當輸入壓力為最低工作壓力（8 MPa）時的產品節(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P2/P1=2.5÷8≈0.31，為聲速流動。

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

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。根據公式計算得知，減壓前端流通面積滿足要求。

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

圖4 活塞受力分析圖

1.4 活塞受力分析及設計

減壓器采用雙向平衡活塞式結構，在靜態(tài)平衡受力分析時，為了簡化分析，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為復位彈簧力，N；Fp為輸出壓力對活塞的作用力，N；Fn為調壓彈簧力，N。

按照上述公式進行計算可知：在活塞的設計過程中，其直徑應盡量大，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、質量等要求及一些成熟的減壓器工程設計經驗，該減壓器的活塞直徑應不小于30 mm。

1.5 調壓彈簧設計

調壓彈簧[4]是減壓器的調壓部件，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。根據輸出壓力及活塞面積可知，調壓彈簧工作時的力約為3000 N，綜合考慮外形、精度及安裝空間等因素的影響，在有限的空間內具有更大的剛度，設計調壓彈簧的剛度K1為450 N/mm，正常工作壓縮量約為6～9 mm。

當壓縮量為6.7 mm時，調壓彈簧力達到約3000 N，滿足使用要求。

1.6 復位彈簧設計

復位彈簧[4]力決定著無流量情況下減壓器的輸出壓力（靜壓），其設計至關重要。密封桿錐面的作用力如圖5所示。根據密封桿錐面受力情況可得復位彈簧作用力，計算公式為

圖5 密封桿錐面作用力示意圖

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

按照上述公式計算并考慮外形、安裝空間等因素的影響，復位彈簧的剛度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 減壓器調壓精度分析

在保證外形尺寸、質量的基礎上，活塞的直徑應盡量大，從而盡可能地提高減壓器的調壓精度。由于減壓器采用密封桿雙向平衡結構，不受輸入壓力的影響，此處減壓器輸出壓力精度僅受調壓彈簧和復位彈簧的影響，計算公式為

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。

根據計算可知，減壓器的精度不大于0.2 MPa，可滿足要求。

1.8 材料選用

該減壓器工作介質為氧氣，對使用的金屬及非金屬材料[2]有著嚴格的要求，參照GB16912-2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規(guī)程》等相關國家標準，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，高溫時只熔化、不會燃燒，摩擦、撞擊時不起火，受沖擊時不產生火花，可以保證產品使用氧氣的安全性。非金屬材料的危險度相對較高，設計過程中均選用氧氣環(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，具有較高的自動點火溫度、較高的耐氧氣指數和較低的燃燒熱，均可滿足使用要求。

2 試驗驗證

按照上述理論計算對減壓器進行了工程設計、裝配調試，并對輸入壓力、輸出壓力及流量等相關的動態(tài)特性進行了試驗驗證，主要試驗參數如圖6所示。從圖6可以看出，在輸出流量調定的情況下，輸入壓力在8～30 MPa進行變化時，輸出壓力隨輸入壓力的變化波動較小，具有調壓精度高、動態(tài)穩(wěn)定性好及流量大等特性，達到了理論設計要求，可滿足實際工況使用。

圖6 減壓器實測數據圖

3 結語

本文詳細介紹了工作介質為氧氣的一種高壓大流量減壓器的研制及試驗驗證情況，通過實測減壓器的相關參數，驗證了設計理論的正確性。該減壓器已成功應用于某型航天發(fā)動機供氧系統(tǒng)，實現(xiàn)了大流量、高精度的氧氣供給，為后續(xù)類似產品的研制提供了參考。