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)
一種航天發(fā)動機(jī)用高性能氧氣減壓器[1](以下簡稱“減壓器”)是根據(jù)某型航天發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置研制任務(wù)書要求進(jìn)行研制,工作介質(zhì)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(yīng)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(jī)地面試驗(yàn)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(dāng)發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)需要供氧時(shí),首先將手閥打開,然后將電磁閥通電打開,此時(shí)氣瓶中的氧氣通過減壓器減壓后經(jīng)過單向閥輸出;當(dāng)發(fā)動機(jī)不需要供氧時(shí),關(guān)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(jù)技術(shù)要求及用途可知:該減壓器的各項(xiàng)性能遠(yuǎn)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(diǎn)。根據(jù)此減壓器的特點(diǎn),本文有針對性地進(jìn)行了理論設(shè)計(jì),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其理論設(shè)計(jì)的合理性,保證其可靠使用。
根據(jù)研制任務(wù)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(diǎn),設(shè)計(jì)時(shí)采用雙向平衡活塞式減壓結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由調(diào)壓彈簧、活塞、密封圈、進(jìn)出口接頭、閥體、密封桿、密封座、復(fù)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(dāng)進(jìn)口有壓力輸入時(shí),氣流經(jīng)節(jié)流口進(jìn)入出口腔,當(dāng)出口壓力達(dá)到調(diào)壓彈簧設(shè)定的壓力時(shí),此時(shí)出口壓力作用在活塞上的向上作用力、復(fù)位彈簧向上作用力,二者之和與調(diào)壓彈簧作用在活塞上的向下作用力達(dá)到平衡,出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力,當(dāng)出口壓力繼續(xù)升高,活塞受到向上的作用力大于調(diào)壓彈簧向下作用力,活塞向上運(yùn)動,同時(shí)密封桿在復(fù)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(shè)定壓力;同理,當(dāng)出口壓力下降時(shí),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(shè)定壓力。
圖2 減壓器總體結(jié)構(gòu)圖
閥體作為減壓器的承壓部件,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,因該減壓器工作介質(zhì)為氧氣,所示閥體采用銅合金材料,該類材料具有高的強(qiáng)度、硬度、彈性極限,并且彈性穩(wěn)定性好,受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花,是工業(yè)中具有良好綜合性能的重要材料,廣泛應(yīng)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(qiáng)度校核公式[3]及ANSYS仿真分析,強(qiáng)度滿足要求。閥體壁厚計(jì)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(qiáng)度,MPa;D為閥體外徑,mm。
圖3 閥體外形結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度仿真圖
當(dāng)輸入壓力為最低工作壓力(8 MPa)時(shí)的產(chǎn)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(shí)P2/P1=2.5÷8≈0.31,為聲速流動。
1)減壓前端面積計(jì)算。取最極限狀態(tài),即計(jì)算輸入壓力為8 MPa時(shí)的流通面積,計(jì)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(jù)公式計(jì)算得知,減壓前端流通面積滿足要求。
2)減壓后端面積計(jì)算。根據(jù)要求,減壓后端最小輸出壓力為2.5 MPa,考慮減壓器的實(shí)際工況,其氧氣流動仍未聲速流動,按照式(2)進(jìn)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
減壓器采用雙向平衡活塞式結(jié)構(gòu),在靜態(tài)平衡受力分析時(shí),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(fù)位彈簧力,N;Fp為輸出壓力對活塞的作用力,N;Fn為調(diào)壓彈簧力,N。
按照上述公式進(jìn)行計(jì)算可知:在活塞的設(shè)計(jì)過程中,其直徑應(yīng)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(zhì)量等要求及一些成熟的減壓器工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),該減壓器的活塞直徑應(yīng)不小于30 mm。
調(diào)壓彈簧[4]是減壓器的調(diào)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(jù)輸出壓力及活塞面積可知,調(diào)壓彈簧工作時(shí)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(nèi)具有更大的剛度,設(shè)計(jì)調(diào)壓彈簧的剛度K1為450 N/mm,正常工作壓縮量約為6~9 mm。
當(dāng)壓縮量為6.7 mm時(shí),調(diào)壓彈簧力達(dá)到約3000 N,滿足使用要求。
復(fù)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(shè)計(jì)至關(guān)重要。密封桿錐面的作用力如圖5所示。根據(jù)密封桿錐面受力情況可得復(fù)位彈簧作用力,計(jì)算公式為
圖5 密封桿錐面作用力示意圖
式中:FFW為復(fù)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(jì)算并考慮外形、安裝空間等因素的影響,復(fù)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。
在保證外形尺寸、質(zhì)量的基礎(chǔ)上,活塞的直徑應(yīng)盡量大,從而盡可能地提高減壓器的調(diào)壓精度。由于減壓器采用密封桿雙向平衡結(jié)構(gòu),不受輸入壓力的影響,此處減壓器輸出壓力精度僅受調(diào)壓彈簧和復(fù)位彈簧的影響,計(jì)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(jù)計(jì)算可知,減壓器的精度不大于0.2 MPa,可滿足要求。
該減壓器工作介質(zhì)為氧氣,對使用的金屬及非金屬材料[2]有著嚴(yán)格的要求,參照GB16912-2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),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(shí)只熔化、不會燃燒,摩擦、撞擊時(shí)不起火,受沖擊時(shí)不產(chǎn)生火花,可以保證產(chǎn)品使用氧氣的安全性。非金屬材料的危險(xiǎn)度相對較高,設(shè)計(jì)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(diǎn)火溫度、較高的耐氧氣指數(shù)和較低的燃燒熱,均可滿足使用要求。
按照上述理論計(jì)算對減壓器進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)、裝配調(diào)試,并對輸入壓力、輸出壓力及流量等相關(guān)的動態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,主要試驗(yàn)參數(shù)如圖6所示。從圖6可以看出,在輸出流量調(diào)定的情況下,輸入壓力在8~30 MPa進(jìn)行變化時(shí),輸出壓力隨輸入壓力的變化波動較小,具有調(diào)壓精度高、動態(tài)穩(wěn)定性好及流量大等特性,達(dá)到了理論設(shè)計(jì)要求,可滿足實(shí)際工況使用。
圖6 減壓器實(shí)測數(shù)據(jù)圖
本文詳細(xì)介紹了工作介質(zhì)為氧氣的一種高壓大流量減壓器的研制及試驗(yàn)驗(yàn)證情況,通過實(shí)測減壓器的相關(guān)參數(shù),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性。該減壓器已成功應(yīng)用于某型航天發(fā)動機(jī)供氧系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大流量、高精度的氧氣供給,為后續(xù)類似產(chǎn)品的研制提供了參考。