氣體減壓閥動(dòng)靜壓差研究

郭 珣， 樊 蕾

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京 100076)

引言

動(dòng)靜壓差是氣體減壓閥在一定流量和進(jìn)出口壓力工況下，由動(dòng)態(tài)切換到靜態(tài)的出口壓力變化量，是產(chǎn)品的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)。動(dòng)靜壓差過(guò)大會(huì)對(duì)減壓閥和氣路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。國(guó)家氣動(dòng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)國(guó)內(nèi)部分氣體減壓閥進(jìn)行了一系列測(cè)試[1]，得到產(chǎn)品動(dòng)靜壓差實(shí)測(cè)值。姬俊鋒、鄧攀、彭育輝等在新閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行了關(guān)于流量的仿真，從其仿真結(jié)果中可得到動(dòng)靜壓差[2-4]，但未對(duì)動(dòng)靜壓差進(jìn)行理論計(jì)算。

本研究對(duì)航天發(fā)射領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種氣控反向氣體減壓閥任意狀態(tài)的靜壓和動(dòng)靜壓差計(jì)算方法進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。

1 理論研究

1.1 機(jī)理分析

減壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

根據(jù)氣體一維恒定等熵流動(dòng)基本方程[5]：

(1)

式中,p—— 氣體壓力

ρ—— 氣體密度

u—— 氣體流速

E—— 氣體比內(nèi)能

1.敏感活塞 2.敏感活塞復(fù)位彈簧 3.閥座 4.閥芯 5.閥芯復(fù)位彈簧圖1 減壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣體開始流動(dòng)時(shí)，部分壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，出口腔壓力降低；敏感活塞在氣動(dòng)力作用下推動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，氣控腔容積增大，腔內(nèi)壓力下降， 力平衡狀態(tài)改變，出口壓力重新穩(wěn)定，此時(shí)出口壓力為動(dòng)壓。氣體停止流動(dòng)時(shí)，動(dòng)能重新轉(zhuǎn)化為壓力能，出口腔壓力回升；敏感活塞與閥芯復(fù)位，出口腔壓力重新穩(wěn)定，此時(shí)的出口壓力為靜壓。靜壓與動(dòng)壓的差值稱為動(dòng)靜壓差。

1.2 理論計(jì)算

1) 靜態(tài)工況受力分析

靜態(tài)工況下閥芯受力分析見圖2。

圖2 靜態(tài)工況閥芯受力

靜態(tài)工況下閥芯受力平衡方程為：

(pks-p2s)Am-Ff-Kmhm+FN-Ktht-

(p1-p2s)As=0

(2)

式中,pks—— 靜態(tài)工況氣控腔壓力

p2s—— 出口腔靜態(tài)壓力

Am—— 敏感活塞面積

Ff—— O形圈摩擦力

Km—— 敏感活塞復(fù)位彈簧剛度

hm—— 敏感活塞復(fù)位彈簧初始?jí)嚎s量

FN—— 閥座對(duì)閥芯的反作用力

Kt—— 閥芯復(fù)位彈簧剛度

ht—— 閥芯復(fù)位彈簧初始?jí)嚎s量

p1—— 入口腔靜態(tài)壓力

As—— 閥座孔面積

閥座與閥芯的理論最小密封比壓由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[6]：

(3)

式中,qmin—— 最小密封比壓

C,K—— 與材料有關(guān)的常數(shù)

b—— 密封寬度

閥座對(duì)閥芯的反作用力為：

FN=Sπdsbqminsinα

(4)

式中,ds—— 閥座直徑

S—— 密封系數(shù)

α—— 閥芯圓錐面母線與中心線夾角

2) 動(dòng)態(tài)工況受力分析

假設(shè)氣源壓力穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)工況下閥芯受力分析圖見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)工況閥芯受力

動(dòng)態(tài)工況下閥芯受力平衡方程為：

(pkd-p2d)Am-Ff-Km(hm+x)-Kt(ht+x)-

(As-εA12)(p1-p2d)=0

(5)

式中,pkd—— 動(dòng)態(tài)工況氣控腔壓力

p2d—— 出口腔動(dòng)態(tài)壓力

x—— 閥芯開度

ε—— 面積修正系數(shù)，取0.97[7]

A3—— 閥座節(jié)流面積

3) 流量計(jì)算

減壓閥的流量由負(fù)載決定，負(fù)載模擬孔板流量計(jì)算公式為[8-9]：

(6)

式中,φx—— 孔板流量系數(shù)

Ax—— 孔板流通面積

R —— 氣體常數(shù)

T—— 氣體溫度

k—— 氣體絕熱指數(shù)

p0—— 孔板出口壓力

ycr—— 臨界壓力比

4) 閥芯開度計(jì)算

將氣體在減壓閥內(nèi)流動(dòng)近似認(rèn)為是等溫流動(dòng)[10]，由此可得閥芯節(jié)流面積計(jì)算式為：

A3=Axyvrp

(7)

式中,yv—— 閥芯壓比，yv=p2d/p1

rp—— 壓比函數(shù)

壓比函數(shù)可由式(6)得出，在不同壓比組合情況下形式不同，見式(8)：

(8)

式中,yx為閥芯壓比，y0=p0/p2d。

可得錐形閥芯開度x為：

(9)

5) 靜壓及動(dòng)靜壓差計(jì)算

在減壓閥工作壓力為0～35 MPa，工作溫度為常溫，在此范圍內(nèi)壓縮因子接近1[11]，所以將氣體狀態(tài)方程近似為理想氣體狀態(tài)方程：

pV=mRT

(10)

式中,p—— 容腔氣體壓力

V—— 容腔體積

m—— 容腔氣體質(zhì)量

忽略氣控腔氣體溫度的變化，則由式(5)、式(9)、式(10)可得氣控腔靜態(tài)壓力：

(11)

式中,V為氣控腔初始容積。

將式(3)、式(4)、式(11)帶入式(2)可以得到靜壓與動(dòng)靜壓差計(jì)算公式為：

(12)

Δp2=p2s-p2d

(13)

式中, Δp2為動(dòng)靜壓差。

2 影響因素分析

影響動(dòng)靜壓差的因素主要有出口壓力、氣體流量、敏感活塞面積等。以某減壓閥為例，進(jìn)行動(dòng)靜壓差影響因素的計(jì)算分析，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 減壓閥部分參數(shù)

2.1 進(jìn)出口壓力

動(dòng)靜壓差隨著出口壓力的升高而增大，且當(dāng)進(jìn)口壓力增高時(shí)；動(dòng)靜壓差增大的趨勢(shì)減緩。進(jìn)出口壓力對(duì)動(dòng)靜壓差的影響見圖4。

圖4 進(jìn)出口壓力對(duì)動(dòng)靜壓差的影響

根據(jù)圖4可知，在進(jìn)行氣體減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，一般對(duì)最高出口壓力下的動(dòng)靜壓差值進(jìn)行計(jì)算。

2.2 氣體流量

氣體流量通過(guò)不同負(fù)載模擬孔板流通面積Ax來(lái)表示。動(dòng)靜壓差隨著流量的增加而增加。以進(jìn)口壓力為20 MPa時(shí)為例，氣體流量對(duì)動(dòng)靜壓差的影響見圖5。

圖5 氣體流量對(duì)動(dòng)靜壓差的影響

圖中計(jì)算的Ax=0處，孔板處流量也為0，此處的動(dòng)靜壓差，是閥芯剛剛接觸閥座和閥芯完全密封所產(chǎn)生的壓差。

根據(jù)圖5可知，出口壓力越高，動(dòng)靜壓差隨流量變化趨勢(shì)越明顯。在減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，一般對(duì)最大流量時(shí)的動(dòng)靜壓差進(jìn)行計(jì)算。

2.3 敏感活塞面積

敏感活塞面積對(duì)動(dòng)靜壓差的影響為“U”字形。以進(jìn)口壓力為20 MPa時(shí)為例，敏感活塞面積對(duì)動(dòng)靜壓差的影響見圖6。

根據(jù)圖6可知，在不同出口壓力下，動(dòng)靜壓差最小值對(duì)應(yīng)的敏感活塞面積不同，隨著出口壓力升高，動(dòng)靜壓差最小值點(diǎn)左移。但存在一個(gè)敏感活塞面積的區(qū)間范圍，使得動(dòng)靜壓差均在一較小的范圍內(nèi)。在減壓閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮使敏感活塞面積盡可能落在此范圍內(nèi)。

圖6 敏感活塞面積對(duì)動(dòng)靜壓差的影響

2.4 其他因素

經(jīng)分析，其他一些因素如O形圈摩擦力、閥座孔面積等對(duì)動(dòng)靜壓差影響較小，不再詳細(xì)說(shuō)明。

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)氣路如圖7所示。試驗(yàn)過(guò)程中打開JF1、JF2，減壓閥完成調(diào)壓后，通過(guò)開關(guān)電磁閥DF進(jìn)行動(dòng)靜壓差的測(cè)試。通過(guò)P1讀取減壓閥進(jìn)口壓力，通過(guò)P2讀取減壓閥出口壓力。

G.過(guò)濾器 JF1,JF2.手動(dòng)截止閥 P1,P2.指針式壓力表 JQ.減壓閥 DF.電磁閥 X.負(fù)載模擬孔板圖7 試驗(yàn)氣路原理圖

3.1 不同進(jìn)出口壓力試驗(yàn)

試驗(yàn)中負(fù)載模擬孔板面積為10.75 mm2，在不同進(jìn)出口壓力工況下進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果和式(12)計(jì)算結(jié)果見表 2。

表2 不同進(jìn)出口壓力試驗(yàn)靜壓計(jì)算結(jié)果 MPa

3.2 不同流量工況試驗(yàn)

入口壓力為23 MPa，出口調(diào)節(jié)壓力為10 MPa，選擇不同的負(fù)載模擬孔板進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果和式(12)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同孔板流通面積試驗(yàn)靜壓計(jì)算結(jié)果

3.3 試驗(yàn)誤差分析

表2、表3中靜壓計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差均小于5%，計(jì)算準(zhǔn)確度較高。

靜壓試驗(yàn)值與計(jì)算值之間的誤差來(lái)源有以下幾方面：

(1) 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)、密封系數(shù)的選擇；

(2) 測(cè)量方法和儀表精度的限制；

(3) 試驗(yàn)中氣源壓力存在微小波動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)理論研究得出了一種氣體減壓閥任意狀態(tài)靜壓和動(dòng)靜壓差的計(jì)算方法，分析了動(dòng)靜壓差的主要影響因素，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

本研究得到的計(jì)算分析方法可為氣體減壓閥產(chǎn)品研制和減壓閥氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)途徑。提出的研究方法也可在其他類型氣體減壓閥的動(dòng)靜壓差分析時(shí)提供參考。