減壓閥啟動振蕩分析與抑制研究

徐登偉，朱建國

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

減壓閥是一種將入口高壓氣體調(diào)節(jié)至某一出口壓力，并依靠自身反饋調(diào)節(jié)機構(gòu)，維持出口壓力穩(wěn)定的閥門，被廣泛應(yīng)用于液體火箭、飛行器等動力系統(tǒng)中，其出口壓力精度直接影響動力系統(tǒng)的工作性能。為了防止減壓閥超調(diào)時對低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成破壞，減壓閥通常集成安全閥。

某擠壓式發(fā)動機試車過程中，減壓閥出口壓力出現(xiàn)啟動振蕩現(xiàn)象，振蕩的壓力將損壞閥芯密封面，影響減壓閥的調(diào)壓功能。此外，高壓啟動沖擊導(dǎo)致該型減壓閥所集成的安全閥有70%出現(xiàn)漏率超標的問題，雖然安全閥造成的耗氣量很小，試車、飛行中氣瓶氣體余量較大，但當(dāng)減壓閥出口壓力振幅較大時，對系統(tǒng)及減壓閥結(jié)構(gòu)安全存在隱患，同時也影響系統(tǒng)充氣裕度。因此，必須采取控制措施抑制減壓閥啟動振蕩，提高動力系統(tǒng)工作可靠性。

本文針對某減壓閥啟動振蕩的問題，分析了啟動振蕩的機理，利用AMESim軟件建立了減壓閥的動態(tài)特性仿真模型，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對減壓閥啟動特性的影響，優(yōu)化并確定了閥芯行程和限流孔徑。通過減壓閥高壓沖擊試驗及整機試車考核，改進后的減壓閥啟動壓力振蕩現(xiàn)象得到有效抑制。

1 減壓閥的工作原理

某卸荷式減壓閥結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由閥體、頂桿、閥芯、彈簧、安全閥、膜片組件等組成，其依靠閥芯與閥座的動態(tài)節(jié)流實現(xiàn)減壓和穩(wěn)壓功能。初始狀態(tài)減壓閥閥芯處于打開位置，隨著低壓腔逐步建壓，出口壓力作用在膜片組件上并與調(diào)節(jié)彈簧力比較，當(dāng)作用于膜片組件上的介質(zhì)力大于彈簧調(diào)整力時，膜片組件壓縮調(diào)節(jié)彈簧向下運動，閥芯在復(fù)位彈簧力的作用下，向開度減小的方向運動，節(jié)流作用增大，出口壓力隨之減??；反之，閥芯向開度增大的方向運動，節(jié)流作用減小，出口壓力隨之增大；當(dāng)閥芯上的作用力達到平衡時，出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定的額定點附近。

1—閥體；2—頂桿；3—閥芯；4—復(fù)位彈簧；5—安全閥；6—膜片組件；7—調(diào)節(jié)彈簧。圖1 卸荷式減壓閥原理圖Fig.1 Schematic diagram of unloading PRV

2 減壓閥啟動振蕩機理分析

減壓閥啟動出口壓力振蕩主要發(fā)生在電爆閥打開高壓氣瓶系統(tǒng)充填增壓的過程，系統(tǒng)啟動時減壓閥入口進氣流量大于或遠大于低壓腔出口的排出流量，兩者流量不匹配，使得多余流量介質(zhì)作用于減壓閥低壓腔較大敏感面積上，產(chǎn)生瞬時遠大于調(diào)節(jié)彈簧力的沖擊力，沖擊力使調(diào)節(jié)彈簧進一步壓縮，閥芯開度同步減小，使得該沖擊力持續(xù)的時間很短；當(dāng)某一時刻作用于敏感面積上的介質(zhì)力小于彈簧力時，調(diào)節(jié)彈簧伸長變形，調(diào)節(jié)彈簧力減小。如此往復(fù)形成了類似彈簧振子模型，彈簧帶動閥芯使其在一定范圍內(nèi)往復(fù)運動，造成閥座節(jié)流口流通面積的不斷變化，從而引起出口壓力振蕩。綜上分析，減壓閥啟動振蕩的根源是啟動瞬間進氣流量太大。因此，從控制入口瞬時流量突變的思路出發(fā)，可采用入口增加限流圈、減小閥芯開度等措施抑制減壓閥啟動壓力的振蕩。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真模型的建立

利用AMESim軟件搭建了減壓閥及發(fā)動機系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示，模型建立時主要進行了以下假設(shè)：①介質(zhì)為理想氣體；②工作過程為絕熱流動；③節(jié)流口簡化為收縮噴嘴；同時考慮安全閥的安全放氣作用，仿真系統(tǒng)盡量模擬發(fā)動機實際管路系統(tǒng)。減壓閥工作介質(zhì)為氮氣，出口壓力(1.8±0.1) MPa。

1—安全閥；2—氣瓶；3—電爆閥；4—減壓閥；5—氧化劑貯箱氣墊；6—燃料貯箱氣墊。圖2 減壓閥仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of PRV

3.2 原狀態(tài)減壓閥啟動過程仿真

為驗證仿真模型的準確性，仿真前按原狀態(tài)減壓閥參數(shù)設(shè)置，閥芯安裝開度0.6 mm，閥芯可運動行程1 mm；安全閥開啟壓力2.3 MPa，最大行程2.3 mm，模擬原狀態(tài)減壓閥的啟動沖擊過程。由圖3可以看出，減壓閥啟動過程存在壓力振蕩，峰值壓力2.1 MPa、持續(xù)1.8 s左右，與試車結(jié)果峰值壓力2.1 MPa、持續(xù)2 s左右能夠?qū)?yīng)，驗證了仿真模型的正確性。

圖3 減壓閥啟動增壓過程Fig.3 Startup and pressurization process of PRV

減壓閥出口集成安全閥，壓力振蕩會導(dǎo)致安全閥開啟泄壓。因此，減壓閥實際出口壓力為安全閥開啟泄壓的同時下游系統(tǒng)的壓力。啟動過程安全閥閥芯運動曲線如圖4所示，閥芯最大開度2.2 mm，且在前1 s內(nèi)閥芯基本處于最大開度和關(guān)閉位置的頻繁動作中，即閥芯存在快速啟閉、撞擊密封面的過程，安全閥為金屬錐面對棱邊的硬密封結(jié)構(gòu)，頻繁快速撞擊閥座容易損壞密封面，回座后容易導(dǎo)致密封性變差，這就是減壓閥高壓啟動沖擊導(dǎo)致安全閥泄漏的主要原因。

圖4 安全閥閥芯開度曲線Fig.4 Valve spool opening degree of safety valve

3.3 不同行程對減壓閥啟動特性的影響

減壓閥理論設(shè)計安裝行程為0.43～1.0 mm，而實際所需要的最大行程為0.104 mm，考慮到生產(chǎn)、裝配環(huán)節(jié)對其開度控制的難度，初定閥芯行程為1.0 mm,0.6 mm,0.45 mm,0.35 mm，從而對比模擬減壓閥不同行程的啟動特性。由圖5可以看出，隨著減壓閥初始安裝行程的減小，其啟動振蕩壓力峰越??；針對本系統(tǒng)減壓閥行程減小至0.35 mm時，峰值壓力1.9 MPa、持續(xù)2 s左右，下游建壓時間與原狀態(tài)相當(dāng)，若進一步減小開度，將增加系統(tǒng)的增壓時間和裝配難度。因此，本系統(tǒng)減壓閥最佳行程為0.35 mm，而此時安全閥因振蕩壓力閥芯開度由2.2 mm減小為1.1 mm。

圖5 閥芯行程對出口壓力的影響Fig.5 Influence of valve spool stroke on outlet pressure

3.4 不同入口限流圈對減壓閥啟動特性的影響

上述仿真結(jié)果表明，減小閥芯開度對抑制該系統(tǒng)減壓閥啟動振蕩作用有限。需采取綜合處理的方式，即在減小閥芯開度的基礎(chǔ)上在入口增加限流圈。在不影響減壓閥最大流量的前提下初定限流圈直徑4，3.2，2.1，1.7 mm。由圖6可以看出，當(dāng)入口增加φ2.1 mm的限流圈時，減壓閥壓力振蕩現(xiàn)象基本消失，啟動過程中安全閥也未開啟；隨著限流圈直徑的減小至φ1.7 mm，系統(tǒng)建壓過程更加平穩(wěn)，減壓閥出口幾乎沒有振蕩。若進一步減小限流圈直徑，則在大流量工況時減壓閥出口壓力不滿足設(shè)計要求。因此，考慮到高低溫對減壓閥流量的影響，確定限流圈最佳直徑為φ1.7 mm。

仿真分析結(jié)果表明，該減壓閥采取閥芯行程減小至0.35 mm、入口增加φ1.7 mm限流圈的措施對系統(tǒng)增壓過程和壓力特性影響最小，且能夠有效抑制啟動壓力振蕩，對改進后的減壓閥進行單機和整機試驗考核。

圖6 限流圈直徑對出口壓力的影響Fig.6 Influence of orifice diameter on outlet pressure

4 試驗考核

4.1 減壓閥高壓沖擊試驗

試驗系統(tǒng)盡可能模擬發(fā)動機系統(tǒng)，真實考核改進后減壓閥的啟動特性。試驗時，氣瓶壓力為26 MPa，瞬間打開氣瓶后的電磁閥，實時采集減壓閥出口壓力曲線。如圖7所示，10次高壓沖擊減壓閥出口壓力無明顯振蕩現(xiàn)象，且壓力峰值不到1.58 MPa，小于安全閥開啟壓力，相對于改進前大幅減小。沖擊試驗后分解檢查，減壓閥閥芯密封面壓痕均勻且無損壞，安全閥泄漏量無變化。

圖7 改進后減壓閥高壓沖擊試驗曲線Fig.7 Test curves of improved PRV under high pressure impact

4.2 整機試車驗證

整機試車減壓閥曲線如圖8所示，改進后減壓閥啟動過程平穩(wěn)，振蕩幅值0.15 MPa，相比改進前振蕩幅值0.44 MPa，降低66%；改進后減壓閥啟動過程最高出口壓力為1.82 MPa，相比改進前振蕩峰值2.1 MPa(安全閥開啟排氣后的結(jié)果)，至少降低22%；系統(tǒng)增壓時間相當(dāng)，均為7 s左右。試車結(jié)果表明，減壓閥改進措施有效，減小了啟動沖擊振蕩，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，對系統(tǒng)的其他工作特性無影響。

圖8 整機試車減壓閥出口壓力曲線Fig.8 Outlet pressure of improved PRV in overall system test

5 結(jié)論

本文針對某減壓閥啟動過程出口壓力振蕩的問題，分析了其啟動振蕩的機理，仿真優(yōu)化確定了減壓閥閥芯開度和限流圈直徑，改進后的減壓閥通過各項試驗考核，啟動過程出口壓力相對平穩(wěn)，振蕩現(xiàn)象得到有效抑制。多次高壓沖擊后安全閥漏率幾乎保持不變，徹底解決了系統(tǒng)啟動過程高壓沖擊導(dǎo)致安全閥漏率超標的問題。研究結(jié)果表明，采取入口增加限流圈、減小閥芯開度的限流措施，有利于抑制減壓閥的啟動振蕩，為高壓減壓閥的設(shè)計提供參考。