一种航天飞行器用高性能气体减压器的设计

2018-07-30 09:05王俊丽王抓卢猛仝继钢
机械工程师 2018年7期
关键词:减压器膜片作用力

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。

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