反向式气体减压阀静态特性仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天发射技术研究所 作者:罗强

  采用AMESim软件进行了反向式减压阀静态特性研究。分析了改变设计流量Q、刀锋直径d、敏感活塞面积Am和弹簧有效刚度Ke等参数对反向减压阀静态特性的影响,并通过减压阀性能试验进行验证,为减压阀研制提供了合理可行的理论依据。

  1、概述

  在航天领域地面供配气系统和设备中,气体减压阀是重要元件之一。减压阀的主要作用是降低气源压力,并依靠气体本身的能量转换和减压阀内部运动系统的受力平衡,自动维持出口压力的相对稳定,即当气源压力和输出流量发生变化时,仍可以向下游用气设备提供稳定的压力值,因此,减压阀性能及可靠性对完成发射任务有直接的影响。本文应用AMESim 软件建立仿真模型进行静态特性分析,并进行了试验验证,为设计改进或重新设计提供方向和技术依据,而且也为现有各种减压阀的性能分析提供参考。

  2、工作原理及静态特性

  以某反向式减压阀为例(图1) 。当气体经过减压阀时,入口压力P1进入高压腔V1之后,在减压阀瓣和阀座刀峰之间的开启缝隙处受到第一次节流,压力下降至Ps。然后,气体在减压阀瓣下方旋转90°,经过阀座与减压阀瓣的环形通道时,受到了第二次节流,压力降至P2,进入低压腔V2,以质量流量Q 输出。

反向式减压阀

图1 反向式减压阀

  在设定充气压力Pt0之后,打开减压阀的出口,以流量Q 输出时,减压阀开启瞬间,出口压力P2降低,气簧腔内压力Pt > P2,推动减压阀瓣向上运动,减压阀开启高度增大,出口压力P2上升。当P2到达某一值时,阀体内部副弹簧的作用力、减压阀瓣的气动力和敏感活塞的气动力等与气簧力的作用力相平衡,此时减压阀处于稳定工作状态。当入口压力P1下降时,减小了减压阀瓣上部的高压气动力和阀瓣的流量,使敏感活塞上部出口压力P2亦下降,减小了该活塞的气动力。

  由于以上两种气动力的减小,使气簧向上推动敏感活塞,加大减压阀瓣的开启高度,增加该阀瓣流量,恢复出口压力P2。在入口压力P1不变的情况下,如出口压力P2下降,则减小敏感活塞的向下气动力,使敏感活塞向上推动减压阀瓣,加大该阀瓣的开启高度和其流量,提高出口压力P2。反之,如出口压力P2上升,则加大敏感活塞的向下气动力,压缩气簧,减小减压阀瓣的开启高度和流量,降低出口压力P2。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为减压阀以敏感活塞上的出口压力P2的变化为信息,借助该活塞和副弹簧等的机械负反馈作用,改变减压阀瓣的开启高度,稳定出口压力P2和输出流量Q。

  在稳定流动状态下,当进口压力或出口流量发生变化时,出口压力相应产生变化,这种出口的压力随进口压力或出口流量变化而变化的性质,称为减压阀的静态特性。

  4、结语

  采用AMESim 软件对反向式减压阀的静态特性进行了仿真分析,并与试验结果进行了比对,验证了数学模型和仿真模型的正确性和合理性,为后续开展反向式减压阀研究奠定了基础。通过分析主要参数对减压阀静态特性的影响,并给出了优化设计的思路,对减压阀产品研制具有一定的指导意义。

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