气电减压器应用分析

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1、气电减压器应用分析欧阳雪李久龙向辉北京航天试验技术研究所100074【文章】根据大推力液体火箭发动机试验台建设需求，对国外某大流量高压气电减压器的设计原理进行了分析和试验测试，得到其性能特征，并归纳总结了该设备的先进设计理念，为该类型减压器的应用和自主研发提供参考。【关键词】气电减压器；压力；流量0引言近些年，神舟飞船载人航天飞行和嫦娥探月工程相继获得成功，航天技术发展迅猛，对其核心部件之一——液体火箭发动机的推力要求也越来越高。随火箭发动机推力加大，推进剂流量增大，火箭发动机地面试验系统的液气路供给能力要求也相应提高。目前，在国内液体火

2、箭发动机地面试验系统中，绝大部分采用“高压气体经增压减压器减压后对贮箱增压”的模式来实现试验介质的供应，通过调节减压器的出口压力来保证发动机燃料和氧化剂的入口压力。其中常用的大流量减压器之一是国产的Pa，出口压力范围1-15MPa，流量5-20kg/s。该减压器采用开环控制方式，用手动旋钮调整，固定压力设定点，减压器出口压力在给定的性能参数范围内保持该设定点。该减压器没有流量特性曲线，在特定的进、出口压力条件下，难以准确确定气体的流量，且在工作过程中无法实现自动调节，操作相对为复杂。在大推力液体火箭发动机试验中，气体流量大、压力高，采用手

3、动现场调节减压器方式存在一定的安全风险，并且在现场出现安全隐患时无法实现对减压器的操作，而采用远程控制的气电减压器可以解决上述问题，并且操作方便，还可以降低试验风险。目前，在自动化、智能化的发展驱动下，试验台远程控制操作是大推力液体火箭发动机试验的发展趋势之一。本文将对试验台关键部件之一——大流量气电减压器的特征进行分析。1产品特征分析1.1产品介绍大流量气电减压器入口压力范围0～42MPa，出口压力范围0～42MPa，Cv＝12。减压器主阀配置一支Cv＝0.06的先导阀、电子压力控制器和比例执行器，通过管路连接构成减压组件，如图1所示。

4、其中，电子压力控制器与比例执行器相结合，根据减压器出口压力反馈，形成闭环压力控制。基本工作原理为：压力控制器感应出口压力变化，通过调整比例执行器的圆顶压力进行自动补偿，而诸如偏差、进口压力衰减和由于环境温度漂移造成的变化等因素则可以被消除。电子压力控制器提供与计算机、PLC和过程控制器的数字量和模拟量通信。减压器主阀的特性参数见表1，主要零部件的材料构成见表2，外形及内部结构见图2。图1减压器组件结构图表1减压器特性参数表2减压器主要零部件的材料构成1.2软件特征及操作界面该减压器调节程序为一个软件包，允许用户在X络上访问电子压力控制器，

5、并且实现对电子压力控制器的常规性操作。另外，调节程序允许监测系统的工作状态、改变文件、规定失效保护范围、启动口令保护、读/写内部变量、获取数据和查询数据。提供的基本屏幕窗口有：信号发生器、绘图、调节、文件、脉冲、失效保护、数据获取、读/写和口令等。具体的信号特征及PID参数可根据实际调试情况进行设置和修正，调节程序操作界面如图3所示。1.3产品特性减压器的流量曲线见图4，其中，曲线末端的数值（P1）表示减压器的入口压力，纵坐标表示减压器出口压力，横坐标表示氮气体积流量。当进、出口压力确定时，由该图可以查得介质流过减压器的流量。图4减压器流

6、量曲线图（氮气）2流量计算与验证方法2.1流量计算方法减压器的关键特征参数为Cv值，表示减压器在全部开启情况下的过流能力。对于气体，该系数定义为在1psig进口压力下，标准工况的空气以标准立方英尺/分钟为单位的流量。对于减压器进口压力等于或大于2倍出口压力时，Cv值计算公式如下：（1）图2减压器内部结构及外形表3不同气体介质与空气的近似比重值043智能应用IntelligenceApplication电子制作其中P1为进口压力，单位psig；Qg为气体体积流量，单位ft3/min；Sg为气体相对于空气的比重，即气体分子量与空气分子量之比值

7、。当减压器进口压力值小于2倍出口压力时，Cv值计算公式如下：（2）其中ΔP为减压器进、出口压差，P2为出口压力。将任何气体的质量流量（lb/min）转换为空气的体积流量Qg（SCFM）的计算公式如下：（3）针对不同气体介质，与空气的近似比重（Sg）值如表3所示。2.2验证方法针对某试验台试验工况，对减压器的流通能力进行分析。减压器入口压力P1=25MPa，出口压力P2=14MPa，增压氮气流量为9kg/s。该工况对应的减压器前后压差ΔP为11MPa，即1595psig；将增压氮气量换算成对应的空气体积流量，经计算Qg（空气）为16140S

8、CFM，需要减压器最小的Cv值为：可见，该型号的减压器满足上述工况要求。3使用效果采用试验验证方法对该产品工作特性进行分析，试验系统如图5所示。试验测试内容两项：第一项为变工况试验，考核出口压