一种航天发动机用高性能氧气减压器的研制与应用

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。

图6 减压器实测数据图

3 结语

本文详细介绍了工作介质为氧气的一种高压大流量减压器的研制及试验验证情况，通过实测减压器的相关参数，验证了设计理论的正确性。该减压器已成功应用于某型航天发动机供氧系统，实现了大流量、高精度的氧气供给，为后续类似产品的研制提供了参考。