欧阳雪 李久龙 向 辉 北京航天试验技术研究所 100074
【文章摘要】
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WS 系列型减压器，该系列减压器是由一支主减压器和一支先导阀通过管路连接构成，其中主减压器进口压力范围15-23MPa，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。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，允许用户在网络上访问电子压力控制器，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
Intelligence Application
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。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16140SCFM，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，考核出口压力值与设定压力值之间的吻合度，第二种试验为快速变化压力设定值， 考核减压器响应能力。试验结果如图6 所示，图中p1 为设定值，p2 为实际测量值。试验结果显示，测量值与设定值吻合度高，出口压力实际值与设定值吻合程度较高，误差小于5% ；并且响应速度较快，跟随性、稳定性较强，重复性较好。
4 结论
通过对减压器的研究分析以及试验验证，该减压器优点为：
（1）调节范围，流量控制精度高，响应快且跟随性、重复性好，可满足试验过程中多变工况的需求；
（2）闭环控制，远程操控，实现了人机隔离，提高操作人员的安全性；
（3）配置合理，操作简便，产品运行稳定、可靠。
合理应用气电减压器可以有效提升发动机试验台燃料供应系统的性能，更好的满足发动机地面试验需求。
【参考文献】
[1] TESCOM CORPORATLON PRESSURE REGULATORS HANDBOOK，2001
[2] 陆陪文. 国内外阀门新结构[M]. 北京：中国标准出版社，1997
[3] 陆陪文. 实用阀门设计手册. 北京：机械工业出版社，2002
图3 操作界面
图5 试验系统
图6 试验结果044