姜一通， 趙 玲,2， 費(fèi)一塵， 趙俊杰， 田 寧

(1. 北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076； 2.清華大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院， 北京 100084；3.山西江淮重工有限責(zé)任公司， 山西晉城 048026)

引言

減壓閥作為重要的壓力調(diào)節(jié)裝置，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域，如火箭推進(jìn)系統(tǒng)中的儲(chǔ)箱增壓、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量和渦輪落壓比調(diào)節(jié)[1]、飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中的氧氣補(bǔ)給[2]以及汽車燃料電池的能源供應(yīng)[3]等，其工作的穩(wěn)定性、響應(yīng)的靈敏性、控制的準(zhǔn)確性都決定了系統(tǒng)整體工作的性能。

近幾十年來，盡管電子信息科技發(fā)展飛速，但基于機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精密控制的氣體減壓閥仍一直是大流量高壓氣體減壓供應(yīng)實(shí)現(xiàn)的最佳方案。其中，氣室加載式先導(dǎo)減壓閥因其快速響應(yīng)、大流量適用等特點(diǎn)得到了研究者的普遍關(guān)注[4]。

目前國內(nèi)外有關(guān)于氣體減壓閥的研究多基于彈簧加載式，面向的需求對(duì)象為中小流量減壓控制，研究人員重點(diǎn)研究了其穩(wěn)/動(dòng)態(tài)特性。如徐志鵬等[5]設(shè)計(jì)了一種高壓氣動(dòng)比例減壓閥，建立了數(shù)學(xué)模型并搭建試驗(yàn)平臺(tái)完成了測試；大連海事大學(xué)、蘭州理工大學(xué)以及上海宇航系統(tǒng)工程研究所相關(guān)研究人員基于AMESim軟件對(duì)減壓閥進(jìn)行仿真，獲取了摩擦力、彈簧剛度、閥芯質(zhì)量等參數(shù)對(duì)輸出特性的影響[6-8]；劉君等[9]在完成減壓閥結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模基礎(chǔ)上采用流固耦合方法研究了其動(dòng)態(tài)特性，重點(diǎn)研究了進(jìn)口壓力值對(duì)出口壓力的影響；譚建國等[10]為解決大流量減壓器的劇烈振蕩、出口壓力上漂等問題，建立了減壓閥非線性模型并提出了解決方案；王翀等[11]在建立可模擬外激振動(dòng)條件的減壓閥工作過程的計(jì)算模型基礎(chǔ)上探索了隨機(jī)振動(dòng)條件下增壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；張雪梅等[12]采用四階龍格庫塔方法計(jì)算分析了啟動(dòng)增壓過程中的動(dòng)特性問題；陳曉琴[13]通過非線性仿真，分析了單一參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響；王春民[14]對(duì)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)氦氣減壓閥建立了考慮管路熱量傳遞、容積效應(yīng)等影響的計(jì)算模型，對(duì)擠壓系統(tǒng)的啟動(dòng)過程進(jìn)行了仿真；SEKITA等[15]通過減壓閥建模分析解釋了H-II火箭飛行時(shí)發(fā)生的增壓壓力振蕩問題；SUN等[16]針對(duì)新式雙級(jí)氣體減壓器完成了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響研究；NABI A等[17]建立了頂部加載氣動(dòng)減壓閥的集總參數(shù)模型，計(jì)算結(jié)果顯示該模型能很好的描述其動(dòng)態(tài)特性。

隨著航天地面試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)長程大流量試驗(yàn)的需求越來與迫切[18]。目前，見諸文獻(xiàn)的、應(yīng)用于航空航天大流量減壓供應(yīng)領(lǐng)域的減壓閥相關(guān)研究較少，尤其對(duì)氣室加載式先導(dǎo)減壓閥更是寥寥無幾，其工程應(yīng)用水準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其理論研究水平。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮了控制腔、彈簧腔等腔室建壓過程影響，特別針對(duì)氣室加載先導(dǎo)式減壓閥構(gòu)建了非線性仿真模型，探索了該型減壓閥不同的使用模式以及不同的易變結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響，尤其結(jié)合工程使用經(jīng)驗(yàn)對(duì)此類減壓閥的壽命提升以及易損耗件改進(jìn)優(yōu)化提出了建議，得到了在不需要大的改動(dòng)下即可對(duì)減壓閥特性進(jìn)行整定的方法，對(duì)于航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的大流量減壓閥研究人員具有一定的參考價(jià)值。

1 氣室加載式先導(dǎo)減壓閥原理

如圖1給出了氣室加載式先導(dǎo)減壓閥的基本結(jié)構(gòu)原理。

圖1 氣室加載式先導(dǎo)減壓閥結(jié)構(gòu)[19]Fig.1 Structure of chamber-loaded pilot pressure regulator

該閥門主要由上閥體、下閥體、閥芯、閥座、頂桿、膜片、導(dǎo)向板等組成，這些組件將閥門分割成了入口腔、出口腔、彈簧腔、先導(dǎo)氣室腔、控制上腔以及控制下腔。通過氣室加載壓力的調(diào)節(jié)，間接改變了作用在控制腔膜片上的力，從而帶動(dòng)導(dǎo)向板帶動(dòng)頂桿以及閥芯上下運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到了控制閥門開度大小的目的。

在減壓閥平衡(包括靜、動(dòng)平衡)的狀態(tài)下，假定閥門上游壓力不變，當(dāng)增大氣室加載壓力時(shí)，閥芯/頂桿/導(dǎo)向板原有的平衡被打破，使閥門開度瞬間增大，從而引發(fā)下游壓力抬升以及彈簧壓縮力的增大，隨著下游壓力的逐步抬升，閥門開度隨之變化，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。減小氣室加載壓力的閥門動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程與之相反。

氣室加載式先導(dǎo)減壓閥具有可遠(yuǎn)程控制、響應(yīng)迅速、輸出流量范圍寬、閥后壓力穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但同時(shí)也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、需外接加載氣源等問題。

2 減壓閥數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

由氣室加載式先導(dǎo)減壓閥的基本結(jié)構(gòu)可知，先導(dǎo)氣室、彈簧、出口腔、入口腔之間的力的平衡決定了閥門開度以及最終閥門出口壓力。為此，簡化構(gòu)建模型時(shí)主要考慮以下基本假設(shè)：

(1) 閥桿、閥芯以及控制腔活塞(以下稱“三聯(lián)組件”)作同步動(dòng)作；

(2) 閥芯與閥座之間的接觸近似認(rèn)為線接觸，該接觸線上游氣體壓力與入口相同，接觸線下游氣體壓力與出口相同；

(3) 認(rèn)為三聯(lián)組件所受的庫倫摩擦力為常值，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；

(4) 采用氣體滿足理想氣體假設(shè)，且比熱比為常數(shù)；

(5) 建模中涉及的壓縮和膨脹過程都是絕熱的；

(6) 減壓器入口腔和出口腔容積內(nèi)認(rèn)為壓力是一致的，不考慮長管內(nèi)流動(dòng)的壓力分布；

(7) 忽略氣室氣源的壓力整定變化過程。

圖2 氣室加載式先導(dǎo)減壓閥簡化模型示意圖Fig.2 Simplified model of chamber-loaded pilot pressure regulator

圖2給出了簡化后的氣室加載減壓閥模型示意，針對(duì)圖中的三聯(lián)組件建立力平衡方程如下，主要考慮作用力為慣性力、摩擦力、出/入口壓力以及彈簧力，其中以三聯(lián)組件向下運(yùn)動(dòng)作為正方向，即開閥方向：

(1)

式中,α，β—— 作用在閥芯閥座接觸線上、下游附近力的等效修正因子

mcomb—— 三聯(lián)組件質(zhì)量

x—— 組件位移

kspr—— 彈簧剛度系數(shù)

Fs—— 彈簧預(yù)緊力

f—— 組件摩擦力

Ain1，Ain2—— 閥芯入口處局部有效截面積

Ao1，Ao2—— 閥芯出口處局部有效截面積

Actrl1，Actrl2，Aspr—— 控制上腔、控制下腔以及彈簧腔有效作用截面積

pin，po，pctrl1，pctrl2，pspr—— 入口、出口、控制上腔、控制下腔以及彈簧腔的壓力

對(duì)于氣室加載減壓閥的氣室上/下腔、減壓閥出口腔、彈簧腔而言，認(rèn)為其壓力、溫度、容積滿足如下微分方程約束：

(2)

(3)

V=V(0)+Ax

(4)

對(duì)于建模過程中涉及的“喉道”流動(dòng)而言，其質(zhì)量流量計(jì)算基于以下公式：

(5)

(6)

式中，γ—— 氣體比熱比

Cd—— 流量系數(shù)

A—— 有效流通面積

pin，pout—— 對(duì)應(yīng)喉道的進(jìn)出口壓力

Nin,out對(duì)于音速流取值等于1，而對(duì)于非音速流而言：

(7)

應(yīng)用上述方法對(duì)氣室加載減壓閥工作過程中的關(guān)鍵流動(dòng)特征進(jìn)行建模，通過采用4階龍格庫塔算法求解平衡方程。

3 參數(shù)設(shè)置與模型校驗(yàn)

本研究以TESCOM26-12[19]系列減壓閥在某工況下工作的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，完成了上述非線性數(shù)學(xué)模型的最終校準(zhǔn)工作。該型樣本減壓閥主要尺寸參數(shù)如表1。校準(zhǔn)過程中，設(shè)定在上游壓力為25 MPa，與試驗(yàn)時(shí)上游壓力基本一致，由于試驗(yàn)時(shí)下游實(shí)際填充容腔較小，因此可不考慮氣源壓力降低。

表1 部分參數(shù)取值Tab.1 Value of some parameters

圖3 數(shù)學(xué)模型校驗(yàn)Fig.3 Predication model verification

表2 模型校驗(yàn)偏差情況Tab.2 Model calibration deviation

將上表中的減壓閥參數(shù)輸入已構(gòu)建模型。參照試驗(yàn)時(shí)控制腔輸入壓力變化曲線，通過數(shù)學(xué)模型對(duì)該控制輸入狀態(tài)下減壓閥出口壓力進(jìn)行預(yù)測，得到壓力預(yù)測曲線同試驗(yàn)實(shí)測輸出曲線對(duì)比如圖3所示。圖3a為直接設(shè)定控制腔指令壓力12 MPa時(shí)出口壓力動(dòng)態(tài)變化情況，圖3b為分段逐級(jí)設(shè)置指令壓力為4,8,12 MPa 時(shí)出口壓力動(dòng)態(tài)變化情況，表2給出了不同工況下減壓閥出口壓力在試驗(yàn)和仿真時(shí)的偏離情況。由圖表可見該非線性仿真模型對(duì)減壓閥工作狀態(tài)有較好的預(yù)測功能，在直接增壓和逐級(jí)增壓兩種工作模式下，預(yù)測模型值均與試驗(yàn)測試值有較好的符合性。

4 動(dòng)態(tài)特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

通過對(duì)上述經(jīng)過校驗(yàn)的計(jì)算模型開展多參數(shù)計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，與已有文獻(xiàn)中關(guān)于中低流量減壓閥特性有所不同，對(duì)于大流量氣室加載減壓閥而言，在一定范圍內(nèi)的閥芯質(zhì)量、彈簧剛度、彈簧預(yù)緊力以及摩擦力等這樣的參數(shù)反而對(duì)閥本身的動(dòng)態(tài)性能影響并不明顯。然而，卻辨識(shí)到其輸出特性對(duì)閥座密封填料尺寸、彈簧腔及控制腔阻尼孔徑、出口容積、入口壓力等參數(shù)是相對(duì)敏感的，下面給出了相關(guān)的研究結(jié)果。

4.1 分級(jí)調(diào)壓對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

設(shè)定模型閥門入口壓力23 MPa，將控制腔分別采用分級(jí)增壓和直接增壓兩種模式進(jìn)行調(diào)壓，所得減壓閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性情況如圖4所示。其中，對(duì)于直接增壓模式，給控制階躍信號(hào)，即0～13 MPa；對(duì)于分級(jí)增壓模式，控制腔分別在0 s給予3 MPa階躍、1 s給予8 MPa階躍、2 s給予13 MPa階躍。由圖4閥芯運(yùn)動(dòng)位移曲線知，當(dāng)采用直接增壓模式時(shí)，閥門開度瞬間達(dá)到最大，維持約0.5 s后逐步降到了穩(wěn)定開度，如果增大出口腔容積該最大開度維持時(shí)間還將進(jìn)一步延長，而采用分級(jí)增壓模式時(shí)閥門開度是逐漸增加的，最終到達(dá)穩(wěn)定開度，盡管也存在一定的閥芯位移回落，但始終未觸及閥芯開度限位。此外，由圖4閥出口壓力響應(yīng)曲線可見分級(jí)增壓模式達(dá)到最終壓力時(shí)的超調(diào)量明顯小于直接增壓，增壓模式差異對(duì)輸出壓力穩(wěn)定值無影響。

圖4 調(diào)壓模式對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響Fig.4 Influence of pressure regulating mode on dynamic characteristics

這一結(jié)果對(duì)氣室加載式大流量減壓閥實(shí)際使用具備較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。由于真實(shí)減壓閥“三聯(lián)組件”是分體式，因此在閥門迅速開啟至最大的過程中，由于較高的加速度而使頂桿、閥芯支板以及閥體之間存在強(qiáng)烈的磨損與振動(dòng)，日積月累頻繁使用使減壓閥門極易在最大開度位置出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，從而對(duì)介質(zhì)供應(yīng)乃至下游燃燒過程產(chǎn)生災(zāi)難性的影響。在不影響介質(zhì)供應(yīng)響應(yīng)速度的條件下，采用分級(jí)增壓恰恰解決了上述問題，圖5為采用分級(jí)增壓模式前后閥芯頂面狀況，可見分級(jí)調(diào)壓前因閥桿“長行程、大動(dòng)作”而出現(xiàn)的“散坑”現(xiàn)象明顯減輕。此外通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大控制腔容積或減小控制腔節(jié)流對(duì)上述問題解決也有一定作用，但將顯著影響調(diào)壓速度。

圖5 調(diào)壓模式改變前后閥芯端面變化情況(使用2年)Fig.5 Comparison of valve core end face before and after pressure regulation mode change (2 years of use)

4.2 閥入口壓力降對(duì)輸出壓力的影響

隨著大流量氣體的長時(shí)間減壓供應(yīng)，通常上游氣源壓力值是隨著時(shí)間累積逐漸降低的，為研究入口壓力降對(duì)閥輸出壓力的影響，設(shè)定閥入口壓力在50 s 時(shí)間內(nèi)由23 MPa降至17 MPa，圖6給出了隨著閥入口壓力緩慢下降時(shí)閥輸出壓力以及閥芯位移的動(dòng)態(tài)變化。由圖知在一定范圍內(nèi)，入口壓力線性降低將使閥門開度線性增加，閥門出口壓力也有所抬升。

因此在長時(shí)間大流量減壓閥使用過程中，對(duì)于擠壓式供液系統(tǒng)而言，供應(yīng)流量隨著時(shí)間累積將逐漸增大；而對(duì)于減壓式供氣系統(tǒng)，供應(yīng)流量更是逐漸增加的，此時(shí)除去供應(yīng)壓力增大之外還應(yīng)額外考慮供應(yīng)溫度隨著時(shí)間延長的降低。為保證長時(shí)間大流量的穩(wěn)定供應(yīng)[18]，應(yīng)在考慮供應(yīng)溫度的基礎(chǔ)上根據(jù)輸出流量的變化按照供應(yīng)精度要求適當(dāng)調(diào)整減壓閥控制壓力。

圖6 入口壓力降對(duì)減壓閥輸出特性的影響Fig.6 Effect of inlet pressure drop on output characteristics

4.3 閥座密封填料尺寸對(duì)輸出特性的影響

在氣室加載式減壓閥中，閥座處通常設(shè)置密封填料，與閥芯共同構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)，如圖1中所示。該密封填料多為聚四氟乙烯材質(zhì)，因頻繁受壓、上游氣體不純凈等因素而成為了易損易耗件，該填料形狀往往會(huì)隨著閥門的使用發(fā)生變化，從而引發(fā)閥門輸出特性的改變。

圖7給出了密封填料密封倒角30°，45°，60°，75° 4種狀態(tài)下閥門輸出壓力的變化。由圖知隨著密封倒角的逐漸增加，輸出穩(wěn)定壓力逐漸減小，調(diào)節(jié)時(shí)間逐漸縮短，超調(diào)值與穩(wěn)態(tài)值的比值逐漸降低且當(dāng)?shù)菇堑陀谀持岛蟪{(diào)消失。這樣的動(dòng)態(tài)特性主要是由于出口倒角變化使氣體流通通道改變和閥芯頂部受壓面改變共同決定的。對(duì)于固定結(jié)構(gòu)參數(shù)閥門，存在1個(gè)最優(yōu)的填料倒角值使輸出壓力最為準(zhǔn)確，同時(shí)在小超調(diào)條件下滿足調(diào)節(jié)時(shí)間要求，經(jīng)計(jì)算本款樣本閥門最優(yōu)填料倒角為45°。

圖7 閥座密封填料倒角對(duì)動(dòng)態(tài)輸出壓力的影響Fig.7 Influence of valve seat chamfer on dynamic output

4.4 彈簧腔及控制下腔阻尼孔徑對(duì)輸出特性影響

經(jīng)過仿真計(jì)算得知，在氣室加載式減壓閥中有2個(gè)關(guān)鍵的小孔——彈簧腔及控制下腔阻尼孔，其流通面積顯著影響了閥門的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在減壓閥設(shè)計(jì)過程中這2個(gè)阻尼孔可設(shè)置為開孔螺釘形式，如圖1中所示，其開孔孔徑調(diào)整可通過更換螺釘而便捷實(shí)現(xiàn)。

圖8 不同彈簧腔阻尼孔徑對(duì)動(dòng)態(tài)輸出壓力的影響Fig.8 Influence of different diameter of spring cavity on dynamic output

圖8給出了彈簧腔阻尼孔直徑變化對(duì)閥門輸出壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，可知隨著該孔徑的增加，穩(wěn)態(tài)壓力不變，而響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間略有減慢且超調(diào)量略有減小，當(dāng)孔徑大于一定值(2 mm)后閥門響應(yīng)特性不再受該參數(shù)影響；圖9給出了控制下腔阻尼孔直徑變化對(duì)閥門輸出壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，可知隨著該孔徑的增加，穩(wěn)態(tài)壓力不變，而調(diào)節(jié)時(shí)間顯著縮短，且超調(diào)量減小，當(dāng)孔徑大于一定值(2 mm)后閥門響應(yīng)特性不再受該參數(shù)影響。

圖9 不同控制下腔阻尼孔徑對(duì)動(dòng)態(tài)輸出壓力的影響Fig.9 Influence of different diameter of control cavity on dynamic output

4.5 閥出口容積變化對(duì)輸出特性的影響

這里研究的減壓閥出口容積指閥出口腔至下游節(jié)流處的容積，在實(shí)際使用過程中，該容積常因增壓輸送管路切換而變化，從而引發(fā)閥門輸出特性的改變，用戶在設(shè)計(jì)減壓閥下游管路尺寸時(shí)需綜合考慮該因素。

圖10 不同閥出口容積對(duì)動(dòng)態(tài)輸出壓力的影響Fig.10 Influence of different outlet volume on dynamic output

圖10給出了減壓閥出口容積變化對(duì)閥門輸出壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響情況。隨著閥出口容積的增大，輸出穩(wěn)態(tài)壓力不受影響，但響應(yīng)時(shí)間逐漸變慢，超調(diào)量逐漸增加。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)在航空航天大流量氣體供應(yīng)中廣泛應(yīng)用的氣室加載式先導(dǎo)減壓閥建立了能夠模擬其動(dòng)態(tài)工作過程的數(shù)學(xué)模型，在模型有效性校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際使用維護(hù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同增壓過程、入口壓力、填料尺寸、阻尼孔直徑、出口腔容積等參數(shù)對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到主要結(jié)論如下：

(1) 采用“分級(jí)調(diào)壓”的模式，能夠避免減壓閥在動(dòng)作瞬間開度達(dá)到最大從而易產(chǎn)生卡澀的問題，有效提升了減壓閥的使用壽命，經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證改善效果明顯；

(2) 隨著長時(shí)間的減壓供應(yīng)使上游壓力降低，將導(dǎo)致減壓閥出口壓力抬升。在本研究特定參數(shù)下，入口壓力降低25%將導(dǎo)致出口壓升6.3%。因此，為保證流量的穩(wěn)定，應(yīng)在考慮供應(yīng)溫度變化的基礎(chǔ)上及時(shí)整定減壓閥控制壓力；

(3) 閥座密封填料尺寸顯著影響減壓閥輸出特性，存在一個(gè)最優(yōu)的填料倒角值(本研究模型下約為45°)，使閥輸出壓力最為準(zhǔn)確且能夠在小超調(diào)條件下滿足調(diào)節(jié)時(shí)間要求；

(4) 彈簧腔及控制下腔阻尼孔直徑顯著影響減壓閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，存在一個(gè)孔徑調(diào)節(jié)最大值(本研究模型下約為2 mm)，高于該值后，閥門動(dòng)態(tài)特性將不再受阻尼孔徑影響。