徐萬武，葉 偉，李智嚴，張振康，張富強

(國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，長沙 410073)

0 引 言

減壓器又稱減壓閥、調(diào)壓閥或調(diào)節(jié)閥，是一種自動調(diào)節(jié)和控制液/氣體流量和壓力的特種閥門，已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、化工、冶金、氫能等眾多工業(yè)領(lǐng)域。我國早在1992年就發(fā)布了氣動調(diào)節(jié)閥的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（GB/T 4213），近年來在調(diào)節(jié)閥技術(shù)領(lǐng)域取得了長足的進步，在很多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自主生產(chǎn)替代進口產(chǎn)品。

氣體減壓器在航空航天領(lǐng)域，尤其是在大型連續(xù)式高超聲速試驗系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，并且有高壓、大流量、調(diào)控精準(zhǔn)、供應(yīng)穩(wěn)定等特殊技術(shù)要求。從使用需求的角度來看，大型高超聲速試驗系統(tǒng)的用氣量十分巨大，以美國最大的高超聲速風(fēng)洞—8 ft高溫風(fēng)洞[1]為例，其噴管出口直徑約2.4 m。根據(jù)馬赫數(shù)4、高度20 km典型狀態(tài)點推算，僅空氣加熱器所需的空氣流量就高達約440 kg/s。另外，8 ft高溫風(fēng)洞用來模擬高空環(huán)境的引射系統(tǒng)采用常溫空氣驅(qū)動，流量約550 kg/s[1]，風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)運行的空氣總流量接近990 kg/s。另外，8 ft高溫風(fēng)洞達到狀態(tài)點的啟動時間就長達近120 s，為獲得40～60 s試驗有效窗口時間，單次試驗空氣消耗總量就高達90～110 t。相應(yīng)的，8 ft高溫風(fēng)洞擁有著十分龐大的空氣氣源系統(tǒng)，其儲氣壓力高達41.37 MPa、總?cè)莘e近1 500 m3。因此，氣體減壓器的供應(yīng)流量、減壓能力、響應(yīng)時間等直接影響了供應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，以及氣源利用率。

另一方面，在高超聲速試驗中，氣體供應(yīng)壓力和流量的穩(wěn)定性，直接影響著空氣加熱器、引射系統(tǒng)的運行性能和模擬準(zhǔn)確度，是決定試驗系統(tǒng)流場品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。氣體減壓器是氣體燃料穩(wěn)定供應(yīng)的核心設(shè)備。大流量氣體在供應(yīng)過程中造成氣源壓力下降迅速，由于絕熱膨脹效應(yīng)也導(dǎo)致氣源溫度同時顯著降低，再加上大流量氣體流動帶來的振動、沖擊十分強烈，給氣體減壓、穩(wěn)壓帶來了極大挑戰(zhàn)。

本文對氣體減壓器工作原理與評價指標(biāo)、常用減壓方案、氣調(diào)方案的技術(shù)難點進行了梳理分析，介紹了國防科技大學(xué)在大流量高壓氣體減壓器技術(shù)研究方面的進展與應(yīng)用，以期為后續(xù)大型連續(xù)式高超聲速試驗系統(tǒng)減壓器的研制提供一定經(jīng)驗與參考。

1 氣體減壓器簡介

1.1 氣體減壓器原理

氣體減壓器的減壓原理都是通過調(diào)節(jié)閥芯開度實現(xiàn)節(jié)流面積的精確控制，達到調(diào)節(jié)壓力和流量的效果。氣流在通過節(jié)流截面時存在兩種流動狀態(tài)，分別為超聲速狀態(tài)和亞聲速狀態(tài)，其流動原理如圖1所示，流量計算方法如公式（1）所示。

圖1 氣體減壓原理圖Fig. 1 Schematic of the gas pressure reducer

當(dāng)閥芯上下游的壓比大于臨界壓比時，氣體在流經(jīng)閥芯節(jié)流位置時，受流通面積收縮的影響而加速至超聲速狀態(tài)，此時氣體流量的影響參數(shù)為流通面積、上游壓力、氣流溫度；當(dāng)閥芯上下游的壓比小于臨界壓比時，氣體在流經(jīng)閥芯節(jié)流位置時仍然是亞聲速狀態(tài)，此時上下游壓比也是影響氣流流量的主要因素。一款高性能的減壓器往往需要兼顧超聲速和亞聲速兩種狀態(tài)下的減壓和穩(wěn)壓性能。

其對應(yīng)的流量公式如下：

其中：

式中：為 氣體質(zhì)量流量，Cd為流量系數(shù)，A為流通面積，pu為截面上游壓力，pd為節(jié)流位置壓力，R為氣體常數(shù)，Tu為氣體溫度，γ為氣體比熱比。

氣體減壓器在運行時，閥芯需要在氣動力、控制力、彈簧回復(fù)力、密封圈摩擦力等復(fù)雜力系作用下進行受控的動態(tài)穩(wěn)定運動，其主要受力分析如圖2所示。其中，上游關(guān)閉力Fu、下游力Fp2分別是閥芯上、下游壓力作用在閥座上的力；控制力Fc是一種外力，是控制閥芯開啟高度和流通面積的主要因素；彈簧回復(fù)力在數(shù)值上相對較小，主要功能是阻尼和上下游壓力接近時的閥芯回位。如果氣體減壓器具備密封功能，閥芯還承受閥座的反作用力Fp1以滿足必要的密封比壓需求。

圖2 氣體減壓器閥芯主要受力分析Fig. 2 Analysis of forced in the gas pressure reducer

另外，氣流在流經(jīng)閥芯通道時會產(chǎn)生氣動力Fst，包括瞬態(tài)氣動力和穩(wěn)態(tài)氣動力，是出口流量和壓力產(chǎn)生波動的影響因素之一。氣動力的計算方法見式（2）：

式中：Ai為氣體作用在閥芯上的有效面積，L為阻尼長度。

1.2 減壓器性能評價指標(biāo)

通常，減壓器性能可通過最大工作壓力、最大供應(yīng)流量、流量調(diào)節(jié)比、減壓比、入口壓比、調(diào)節(jié)精度、開關(guān)閥響應(yīng)時間等7項指標(biāo)進行綜合評估。各項性能指標(biāo)的公式與意義如下：

1）最大工作壓力pin_max，指減壓器入口至閥座上游的工作壓力。pin_max的值越大，氣體的存儲量越大，緊湊化程度越高，技術(shù)難度越大。

3）流量調(diào)節(jié)比ζ是最大與最小供應(yīng)流量之比。對于不同試驗裝備、不同模擬條件，供應(yīng)介質(zhì)的壓力、流量需求差異巨大，尤其是一體化的減壓供應(yīng)系統(tǒng)，對ζ的要求嚴格，需具備寬范圍調(diào)節(jié)性能。一款高性能減壓器的ζ值可達數(shù)十至數(shù)百。ζ的計算公式如下：

5）入口壓比ω是減壓器穩(wěn)定減壓時最低與最高入口壓力之比。通常用來評估單次長時間運行下、入口壓力寬范圍變化時，出口壓力保持平穩(wěn)的動態(tài)穩(wěn)定性能。一般ω越大，穩(wěn)壓性能越好，氣源利用率越高。

6）調(diào)節(jié)精度ε是出口壓力幅值（pout_m）與平均值（pout_ave）之比，是評估減壓器出口流場穩(wěn)定性與品質(zhì)的重要指標(biāo)參數(shù)：

7）開關(guān)閥響應(yīng)時間是指收到開/關(guān)閥指令后，狀態(tài)達到額定工況的響應(yīng)時間。大型高超聲速試驗系統(tǒng)耗氣量大，減壓器的響應(yīng)時間越短，無效的耗氣量越少。

1.3 工業(yè)常用減壓方案

1.3.1 壓力調(diào)節(jié)方案

各種減壓器減壓原理雖然相同，但是調(diào)節(jié)流通面積的方案卻形式多樣。一般可根據(jù)調(diào)節(jié)方案的不同分為套筒式和柱塞式，又可根據(jù)流通方向分為直進直出的軸流式和90°轉(zhuǎn)彎的角式。

吳忠儀表馬玉山[2]提出了一種三段式大可調(diào)比控制調(diào)節(jié)閥，該閥門采用雙閥芯的套筒調(diào)節(jié)方案，以期實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)比ζ在200以上的寬范圍調(diào)節(jié)。該閥門調(diào)節(jié)方案見圖3，通過進液孔與小閥芯之間的間隙實現(xiàn)小流量狀態(tài)下的精確調(diào)節(jié)；通過大閥芯在運動過程中遮擋梯形和箭狀調(diào)節(jié)窗口，達到改變下端/整體面積大小獲得不同的節(jié)流效果，實現(xiàn)中等/大流量狀態(tài)下的精確調(diào)節(jié)。

圖3 三段式大可調(diào)比控制調(diào)節(jié)閥原理圖[2]Fig. 3 Three-section regulator with large mass rate regulation capacity[2]

浙江大學(xué)陳富強等[4-5]提出了一種多級孔板節(jié)流的套筒式減壓方案，見圖4。該減壓器通過控制兩個套筒上孔洞的交錯，實現(xiàn)節(jié)流孔面積的調(diào)節(jié)，并先后針對過熱蒸汽管網(wǎng)應(yīng)用需求和氫燃料電池的氣體供應(yīng)需求，分別對入口壓力5 MPa級、流量～35 kg/s的減壓器和入口壓力35 MPa、減壓比 ψ = 8、最大流量～32 kg/s的減壓器開展了CFD仿真和試驗驗證，進行了閥瓣開度、套筒直徑、倒角半徑、減壓級數(shù)等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

圖4 基于孔板節(jié)流的套筒式多級減壓器[3]Fig. 4 Sleeve multi-stage pressure reducing valve[3]

同濟大學(xué)的訚耀保等[6-8]針對氫燃料電池汽車用超高壓、柱塞式減壓器開展了系列研究工作（圖5）。該減壓器通過兩級氣動減壓方案，可將氫氣從45 MPa以上減壓至0.16 MPa。該類超高壓減壓器口徑較小，秒流量一般在數(shù)十克至數(shù)百克之間。福特汽車公司Chen[9]針對氫燃料電池系統(tǒng)用壓力等級1.2 MPa、流量3 g/s級的減壓器建立了基于的力、能量、流量平衡的常微分方程模型，基于焦耳-湯姆遜效應(yīng)分析得出入口溫度、壓力是造成氫氣出口溫升的主要影響因素。

圖5 燃料電池汽車輸氫系統(tǒng)及其超高壓氣動減壓器[7]Fig. 5 Ultrahigh pressure reduction valve in hydrogen feed system of fuel cell vehicle[7]

1.3.2 控制方案

為了實現(xiàn)減壓器出口壓力和流量的精確控制，需要對閥芯額外施加一個控制力，與彈簧預(yù)緊力、上下游壓差力、氣動力等作用力實現(xiàn)動態(tài)平衡，確保流通面積的精確控制。工業(yè)常用大流量減壓器的控制方案包括電動、液壓、氣動三類，不同控制方案的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 減壓器不同控制方案的優(yōu)缺點分析Table 1 Characteristic analysis for control schemes of pressure reducing valve

電動減壓器是通過電動執(zhí)行器帶動閥桿運動控制節(jié)流處的流通面積，通過閥門下游壓力、流量或位移等參數(shù)作為反饋信號控制電動執(zhí)行器輸出力矩，實現(xiàn)壓力和流量的精確調(diào)節(jié)。該方案的優(yōu)點是電動執(zhí)行器輸出的控制力與氣動力實現(xiàn)了解耦，具有較高的調(diào)控精度。缺點在于，對于大流量高壓氣體減壓器，上下游的壓差力高達數(shù)十噸至數(shù)百噸，對電機的輸出力矩、精度要求極高，難度極大。

液壓控制減壓器是通過液壓機構(gòu)輸出控制力，實現(xiàn)節(jié)流處流通面積的調(diào)節(jié)，其調(diào)控策略與電動減壓器類似。液壓控制方案也實現(xiàn)了輸出控制力與氣動力的解耦，并且具有控制力大、液體壓縮性小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，但也存在著輔助設(shè)備多、控制復(fù)雜等不足。

氣動控制減壓器又稱氣調(diào)式減壓器，其控制方案是通過高壓氣體驅(qū)動敏感元件形成控制力，調(diào)控流通面積。氣調(diào)式減壓器的原理如圖6所示，其入口腔和出口腔壓力可直接傳遞給閥芯，控制力與氣動力存在高度耦合效應(yīng)。因此，氣調(diào)式減壓器具備響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、適合大流量高壓氣體減壓器等優(yōu)點，但同時也存在著控制力與氣動力高度耦合、氣動彈性效應(yīng)顯著、動力學(xué)振蕩易激發(fā)等問題。例如，馬玉山[10]曾針對氣動膜片式調(diào)節(jié)閥開展了流固耦合的數(shù)值仿真研究，發(fā)現(xiàn)氣動執(zhí)行機構(gòu)在進行開度調(diào)節(jié)時存在一個振動過程，并有規(guī)律地衰減。

圖6 膜片式氣控減壓器原理圖[11]Fig. 6 Schematic of diaphragm type pressure reducing valve by pneumatic controlled[11]

1.4 國內(nèi)外研究進展

國際知名閥門公司相繼研制成功了大流量高壓氣體減壓器，如美國費希爾品牌的SGH系列高壓單座調(diào)節(jié)閥，最高壓力規(guī)格為42 MPa；英國斯派莎克品牌的先導(dǎo)活塞式蒸汽減壓閥，最大規(guī)格為DN500/PN160。在國內(nèi)，吳忠儀表有限公司研制出規(guī)格為DN600/PN50的電控低溫大口徑壓力平衡籠式調(diào)節(jié)閥。

當(dāng)前，在入口壓力35 MPa的高壓條件下，氣體減壓器普遍存在單級減壓能力不足、大減壓比工況下易產(chǎn)生動力學(xué)振蕩、調(diào)節(jié)精度低、調(diào)控穩(wěn)定時間長等系列問題。

2 氣控方案減壓器技術(shù)難點分析

2.1 大流量高壓氣體減壓器快速響應(yīng)技術(shù)

閥門開啟時，閥芯先加速后減速至某一穩(wěn)定位置。出口腔氣體的流出導(dǎo)致出口腔和阻尼腔壓力下降，進而造成作用在閥芯上的下游力下降、控制力增加，氣動力從零開始增加，閥座反作用力逐漸降低為零，閥芯受到不斷變化的非平衡合力，進而產(chǎn)生先向上后向下的運動加速度。閥門的開啟速度越快，非平衡合力越大，閥芯的運動加速度變化范圍越大，閥芯的定位精度越難以保證。

閥門關(guān)閉時，由于氣體流通面積的驟然減小，造成氣體壓力升高的“氣錘”效應(yīng)，造成壓力振蕩。閥門關(guān)閉過快，使阻尼腔壓力隨出口腔壓力快速上升，進而造成控制力快速下降，而產(chǎn)生巨大的關(guān)閉力，給閥門的結(jié)構(gòu)強度和可靠性帶來挑戰(zhàn)。壓力的振蕩同時會給閥芯帶來橫向的沖擊力，容易造成閥芯偏心，輕則密封面磨損，嚴重時可能造成閥芯卡死，出現(xiàn)出口腔超壓等問題。

2.2 大減壓比動力學(xué)振蕩抑制技術(shù)

氣體減壓器十分容易產(chǎn)生動力學(xué)振蕩。氣流轉(zhuǎn)向、激波耗散、氣體壓縮、湍流、流通面積變化等因素都會不可避免的產(chǎn)生壓力振蕩。而進出口腔的壓力振蕩可以直接傳遞并相互影響，如果設(shè)計不當(dāng)則會造成振蕩放大。圖7就是某型減壓器在減壓比 ψ =4.768（入口壓力10.286 MPa，出口壓力2.157 MPa）工況下產(chǎn)生動力學(xué)振蕩的試驗曲線。因此，動力學(xué)振蕩抑制是減壓器的核心技術(shù)難題。通常采用阻尼孔濾波、彈簧、摩擦力等方法增加系統(tǒng)阻尼，達到抑制振蕩的效果。阻尼設(shè)計可以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，但也不可避免的帶來響應(yīng)慢、反應(yīng)遲滯等問題。

圖7 某型氣調(diào)減壓器動力學(xué)振蕩的試驗曲線Fig. 7 Dynamic oscillation curves of a pressure reducing valve in one experimental case

對于秒流量百公斤級的氣體減壓器，大減壓比工況下出入口壓差力可達數(shù)十噸，因此需要巨大的控制力來實現(xiàn)閥芯開度的控制，導(dǎo)致控制力的精度控制難度增大；在大減壓比狀態(tài)工作時，閥芯開度小，閥桿的輕微波動都會對流通面積的變化產(chǎn)生巨大影響，進而產(chǎn)生動力學(xué)振蕩。圖8給出了某臺減壓器的系統(tǒng)動力學(xué)仿真曲線，在控制腔壓力一定的條件下，入口腔壓力升高造成不可避免的壓力振蕩。

圖8 某型氣調(diào)減壓器在不同入口壓力條件下的動力學(xué)仿真曲線Fig. 8 Dynamic simulation curves of a pressure reducing valve at different inlet pressure conditions

由于目前大流量高壓氣體減壓器的減壓能力不足，在航天試驗裝備領(lǐng)域通常采用兩級減壓的方案來實現(xiàn)大流量氣體供應(yīng)的精確控制，該方案增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和建設(shè)成本，還造成系統(tǒng)調(diào)控復(fù)雜、可靠性下降等問題。

2.3 入口壓比寬范圍變化穩(wěn)壓技術(shù)

大流量減壓器在長時間運行過程中，氣源壓力會大幅度下降，并且氣體絕熱膨脹效應(yīng)帶來氣體溫度大幅下降。在某些極端條件下，氣源在起始至終止時刻的壓降可達30 MPa、溫降可達90 K。在壓力和溫度如此大范圍變化的過程中，氣體比熱、密度等參數(shù)隨之大幅度變化，給氣體穩(wěn)壓帶來嚴重的非線性影響。

對于氣體減壓器而言，為保證流量的穩(wěn)定供應(yīng)，節(jié)流面積需隨著氣源壓力和溫度的變化動態(tài)增大，對應(yīng)的閥芯開度不斷增大。在閥芯開度變化過程中，不可避免地帶來力的動態(tài)變化，這時閥芯的運動加速度應(yīng)足夠小，才能維持一個動態(tài)平衡過程，避免出現(xiàn)系統(tǒng)動力學(xué)振蕩。

因此，減壓器如何在入口壓比寬范圍變化、入口輸入條件動態(tài)變化的條件下，通過特定的調(diào)控措施，實現(xiàn)出口壓力和流量的穩(wěn)定供應(yīng)，是一個不小的挑戰(zhàn)。

3 國防科技大學(xué)大流量高壓氣體減壓器技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

在大型連續(xù)式高超聲速試驗系統(tǒng)、高功率化學(xué)激光壓力恢復(fù)系統(tǒng)、火箭發(fā)動機高空模擬試驗系統(tǒng)等技術(shù)需求的牽引下，國防科技大學(xué)[11-15]在2007年前后就啟動了大流量高壓氣體減壓器關(guān)鍵技術(shù)研究、試驗驗證和工程應(yīng)用工作，先后突破了大減壓比高壓氣體減壓器快速啟動、動力學(xué)振蕩抑制、入口壓力大范圍變化條件下減壓器實時精確調(diào)節(jié)與控制、高安全性高可靠性結(jié)構(gòu)與密封等多項關(guān)鍵技術(shù)，適應(yīng)多種應(yīng)用場景，成功研制出膜片式、活塞式等多種高壓氣體減壓器，形成了秒流量數(shù)公斤至數(shù)百公斤、最高工作壓力35 MPa系列化減壓器產(chǎn)品，并在國防工業(yè)領(lǐng)域得到了大量工程應(yīng)用。

國防科技大學(xué)研制的百公斤級35 MPa級氣體減壓器實物如圖9所示。該減壓器為上進側(cè)出的角式構(gòu)型，采用金屬活塞式氣調(diào)方案。該型減壓器已成功應(yīng)用于某大型引射系統(tǒng)。受體積規(guī)模的限制，該大型引射系統(tǒng)的氣源選用35 MPa高壓存儲方案，而引射器的運行工況為4.4 MPa，并且氣源在工作過程中壓力大幅度下降，要求減壓器在大壓差、寬范圍等復(fù)雜條件下需具備良好的減壓、穩(wěn)壓性能，給減壓器研制提出了巨大挑戰(zhàn)。

圖9 國防科技大學(xué)研發(fā)的百公斤級氣體減壓器實物圖Fig. 9 Image of 100 kg/s pressure reducing valve developed by National University of Defense Technology

百公斤級氣體減壓器的結(jié)構(gòu)示意如圖10所示，包括入口腔、出口腔、阻尼腔、控制腔、彈簧壓蓋、彈簧、閥芯、閥座、閥桿、金屬活塞等組成。其工作原理是通過控制腔內(nèi)高壓氣體給金屬活塞一個向上的控制力，將閥芯頂開實現(xiàn)入口腔和出口腔的聯(lián)通，出口壓力通過阻尼腔施加在金屬活塞上形成壓力反饋，實現(xiàn)閥芯開度的精確控制，進而達到壓力調(diào)節(jié)的作用。

圖10 百公斤級氣體減壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 10 Structural diagram of 100 kg/s pressure reducing valve

氣調(diào)式減壓器在運行的過程中有預(yù)增壓、運行、卸壓三個工藝過程。在預(yù)增壓階段，出口腔的初始壓力為環(huán)境壓力，通過向控制腔內(nèi)緩慢填充控制氣，頂開閥芯實現(xiàn)入口腔氣體流向出口腔。當(dāng)出口腔壓力達到設(shè)定值后，閥芯將自動關(guān)閉；在運行階段，當(dāng)下游管道系統(tǒng)存在開閥動作時會導(dǎo)致出口腔壓力下降，使阻尼腔氣流作用在金屬活塞上的壓力減少而形成不平衡力，造成閥芯向上運動，當(dāng)氣流流量達到設(shè)定值時，閥芯受力形成新的平衡而穩(wěn)定在設(shè)定高度；在卸壓階段，通過打開電磁閥將控制腔壓力降低至常壓，再通過下游的安全閥或其他閥門將減壓器出口腔及下游管道進行卸壓，期間閥芯始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

項目團隊通過大量試驗驗證和優(yōu)化設(shè)計工作，解決了百公斤級高壓氣體減壓器結(jié)構(gòu)、密封等關(guān)鍵技術(shù)問題，該減壓器入口氣體可長時間加壓，在儲存狀態(tài)時減壓器入口無需卸壓。針對大減壓比工作條件下容易激發(fā)動力學(xué)振蕩的問題，項目團隊通過大量動力學(xué)仿真和試驗，改進氣體流道設(shè)計，優(yōu)化閥芯運動的阻尼特性，優(yōu)化減壓器啟動時序，最終實現(xiàn)了大減壓比條件下系統(tǒng)可靠穩(wěn)定工作。

減壓器試驗曲線如圖11和圖12所示，其開閥響應(yīng)時間約0.81 s，關(guān)閥響應(yīng)時間1.02 s，響應(yīng)十分迅速；另外，在減壓比 ψ為4.23～12.71范圍內(nèi)都能平穩(wěn)運行，說明減壓器的閥芯在小開度時能夠?qū)崿F(xiàn)流動面積的精確控制，成功解決了減壓比大于10工況下的動力學(xué)振蕩問題，實現(xiàn)了大流量高壓氣體的單級減壓供應(yīng)。

圖11 百公斤級氣調(diào)減壓器在大減壓比工況下的試驗曲線（pin、pout分別為入口和出口壓力）Fig. 11 Experimental curves of 100 kg/s pressure reducing valve at big pressure reducing ratio cases (pin, pout is inlet and outlet pressure respectively)

圖12 百公斤級氣調(diào)減壓器在中等減壓比工況下的試驗曲線Fig. 12 Experimental curves of 100 kg/s pressure reducing valve at medium pressure reducing ratio cases

針對入口壓力大范圍變化時減壓器出口壓力易上漂的技術(shù)問題，作者[15]提出了通過實時調(diào)節(jié)氣調(diào)式減壓器控制腔壓力，從而實現(xiàn)減壓器出口壓力實時可調(diào)的精確控制方法，并將該方法成功應(yīng)用于工程實踐。某大流量氣體減壓器應(yīng)用于某大型試驗系統(tǒng)的長時間試驗曲線如圖13所示，通過減壓器將壓力分別為26、16 MPa的高低壓氣源進行連通，滿足了大型試驗系統(tǒng)長時間運行的氣源高精度供應(yīng)需求。在試驗過程中，高低壓氣源壓力大幅度下降，并表現(xiàn)出顯著的非線性特征，通過對減壓器控制腔壓力的精確調(diào)壓控制，實現(xiàn)了長時間運行時減壓器下游壓力的穩(wěn)定。

圖13 某大流量氣體減壓器應(yīng)用于某大型試驗系統(tǒng)的長時間試驗曲線Fig. 13 A long-time experimental curve of a pressure reducing valve applied in a test equipment

4 展 望

本文通過對大流量高壓氣體減壓器的減壓原理、技術(shù)方案、評價指標(biāo)和技術(shù)難點進行了梳理分析，介紹了國防科技大學(xué)近十五年來在大流量高壓氣體減壓器技術(shù)方面的發(fā)展與應(yīng)用。展望大型連續(xù)式高超聲速試驗系統(tǒng)減壓供氣的技術(shù)需求，筆者認為大流量高壓氣體減壓器的未來發(fā)展趨勢如下：

1）從大流量向超大流量發(fā)展。隨著吸氣式高超聲速飛行器技術(shù)的快速發(fā)展，未來大尺度高超聲速飛機的地面試驗迫切需要研制超大尺度的連續(xù)式高超聲速試驗系統(tǒng)，其供氣流量需求達到每秒數(shù)噸，這就需要突破超大流量高壓氣體減壓技術(shù)，研制流量500～1 000 kg/s級乃至數(shù)噸級的高壓氣體減壓器。

2）從單一工況穩(wěn)定供應(yīng)到大范圍高精度動態(tài)調(diào)節(jié)。未來大型連續(xù)式高超試驗系統(tǒng)寬范圍變馬赫數(shù)和變動壓運行將是一個重要發(fā)展方向，相應(yīng)的氣體減壓供應(yīng)的壓力和流量動態(tài)大范圍變化，因此需要大范圍高精度動態(tài)調(diào)節(jié)才能滿足試驗系統(tǒng)的變馬赫和變工況需求。

3）從空氣到特種氣體的拓展應(yīng)用。除了空氣以外，氧氣、氫氣、甲烷等特種氣體的大流量減壓供應(yīng)也具有良好的發(fā)展前景。因此大流量高壓氣體減壓器的介質(zhì)從空氣向特種氣體的拓展應(yīng)用將會是一個發(fā)展方向，則需要根據(jù)各氣體特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，從優(yōu)化設(shè)計、材料選取、制造工藝等多方面進行技術(shù)攻關(guān)，研制高安全性和高可靠性的特種氣體減壓器。

4）減壓供應(yīng)與測量控制的一體化設(shè)計。未來大型連續(xù)式高超試驗系統(tǒng)無論是超長時間高精度運行還是寬范圍高精度動態(tài)調(diào)節(jié)，都需要針對供應(yīng)系統(tǒng)與測控系統(tǒng)進行協(xié)同設(shè)計與協(xié)同控制。因此，需要針對供應(yīng)系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用場景開展動力學(xué)研究，通過氣體儲存、減壓供應(yīng)、實時調(diào)節(jié)控制、參數(shù)監(jiān)控與測量的一體化設(shè)計，簡化供氣系統(tǒng)配置與組成。