一種低壓大流量外調式絕壓減壓器

方玲　趙宏韜　彭光梅　夏艷

摘 要：該文介紹了一種能提供穩定工作壓力，具有結構簡單、體積小、重量輕，且適用于低壓大流量用的帶波紋管平衡活門的外調式絕壓減壓器，根據其功用和性能要求，通過對減壓器的受力分析、設計計算和比較，推導得出壓力特性和流量特性公式，說明輸入壓力P入是如何通過絕壓減壓器結構參數來影響輸出壓力P出的，并根據上述特性分析，針對低壓大流量需求給出具體方案和減壓器結構參數（F、f、f活、K1、K2），最后通過試驗驗證該外調式絕壓減壓器的性能完全滿足設計要求。

關鍵詞：減壓器 低壓大流量 外調式 絕壓

中圖分類號：V2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0088-02

A External Adjust Type Absolute Pressure Reduce of Low Pressure and Mass Flow

Fang Ling Zhao Hongtao Peng Guangmei Xia Yan

（Hefei Jiang hang Aircraft Equipment CO.LTD，Hefei Anhui，230051，China）

Abstract：This paper introduces a external adjust type absolute pressure reduce with equilibrium valve， with simple configuration， small size and low weight，is able to provide a steady operation pressure and effectively meets the performance requirement of mass flow capacity under low pressure.According to its function and performance require，By the load analysis，calculation and comparing of the reducer，derived pressure characteristics and flow characteristics formula，it summarized the effect of inlet pressure（Pinlet） on the outlet pressure （Poutlet） through the parameters of the reduce ，and according to the characteristic，Aim at low pressure and mass flow require， specific plan and pressure reducer parameters（F、f、f活、K1、K2） is given. At last through experiment verify its performance meet the design requirements completely.

Key Words：Air reducer；Low pressure and mass flow；External adjust；Absolute pressure

1 概述

減壓器的功能是將輸入氣源的壓力自動降低并保持在一定范圍內。減壓器按其控制方式可分為先導式和直導式兩類，其中在航空供氧上使用的減壓器通常采用直導式；按其結構類型可分為逆向式和順向式。一個理想的減壓器，應該在不同輸入壓力P入及不同流量Q下輸出的減壓壓力不變，但在實際的設計過程中，由于具體的結構及工作原理的原因，輸出壓力P出都不能做到是一個常量。即便在外界條件（P入、Q）及結構參數（F、f、K……）都一樣的情況下，不同類型減壓器的輸出壓力P出的變動范圍也是各不相同的。P出的變動范圍越小，該減壓器的精度就越高。由于在該性能上，逆向式減壓器具有明顯的優勢，因此，在航空供氧系統中普遍使用此類減壓器[2-3]。

目前，現有的減壓器品種較多，但相對壓力減壓器居多，即P出隨環境壓力的變化而變化。當環境高度為5.5 km時，環境大氣壓只有地面的1/2[1]，此時相對壓力減壓器的輸出壓力P出存在一定的壓力損失，如果該減壓器本身的輸出壓力較低，那么這樣的壓力損失就會對減壓器的性能造成很大的影響；而對于絕壓減壓器來說，環境壓力的變化不會對減壓器的輸出壓力造成影響，因此它能夠滿足低輸入壓力的工作環境要求，從而大大改善了系統的性能。用于航空供氧的絕壓減壓器不僅需要有良好的壓力特性和流量特性，同時需要滿足系統低壓大流量的要求，并在結構上能夠與系統匹配，為此，我們專門研制一種帶波紋管平衡活門的外調式絕壓減壓器。

2 功用及性能要求

該絕壓減壓器用于調節系統的輸入壓力，它是從飛機環控系統引入空氣，將入口空氣的最大壓力限制在0.22 MPa以內，從而控制空氣壓力和最大消耗量，以確保下游產品的工作壓力。

根據系統結構和接口要求，該絕壓減壓器具有輸入壓力低（0.15 MPa～1.1 MPa）、供氣量大（達600 L/min以上）的特點，該減壓器的主要性能指標如下。

（1）工作介質：空氣；

（2）流通能力：>80 kg/hr；

（3）輸入壓力范圍：0.15 MPa～1.1 MPa；

（4）額定輸出壓力：0.22 MPa±0.02 MPa

（輸入壓力為0.22 MPa～1.1 MPa、輸出流量為10L/min的條件下）；

（5）輸出流量特性：在輸入空氣壓力為0.7 MPa，輸出流量為600 L/min時，出口壓力應不小于0.15 MPa。

3 設計方案與設計計算

該絕壓減壓器結構如圖1所示，由外殼、調壓波紋管、活門波紋管、活門座及頂桿等零組件構成。其工作原理如下。

由環控系統引入的高壓空氣經減壓器入口進入A腔，由于調壓波紋管組件的作用，通過頂桿克服活門波紋管的預壓力將平衡活門機構開啟，活門處于打開狀態，允許空氣進入B腔，并由減壓器輸出口進入過濾器筒體內。隨著增壓空氣的不斷輸入，減壓器輸出壓力（B腔壓力）逐漸升高，此壓力作用在調壓波紋管組件上，調壓波紋管組件逐漸被壓縮，使活門開啟高度減小，當減壓器輸出壓達到預定值時，活門處于關閉位置，此時減壓器無氣體輸入。若此時B腔內氣體有輸出消耗，則B腔內壓力隨之降低，直到調壓波紋管組件彈力大于周圍氣體的壓力后，調壓波紋管組件伸長，平衡活門機構再次開啟，氣體重新進入B腔，并維持腔內的壓力為某一數值（此數值可以通過調壓螺釘預先設定）。

該絕壓減壓器不同于其它絕壓減壓器的地方在于以下幾點。

（1）此處平衡活門結構在設計時不是通常帶滑動密封的活塞結構，而是采用波紋管。波紋管適用于低壓減壓機構，且靈敏度、精度比較高，結構成熟，能夠滿足技術指標的要求，避免了動密封的磨損，從而大大提高了減壓器的壽命。

（2）該減壓器采用的是外調式調壓機構。通過調壓螺釘調節調壓波紋管內的彈簧變形程度來控制彈簧的張力，以調節預先設定的減壓器輸出壓力。此結構方便調節。

絕壓減壓器特性分析如下：

P入—輸入壓力；

P出—減壓器無輸出流量時的輸出壓力；

P0—調壓波紋管內腔壓力；

P出—減壓器有輸出流量時的輸出壓力；P1、P2—減壓器平衡活門關閉時，調壓彈簧與活門彈簧的預調力；

P1、P2—減壓器平衡活門開啟時，調壓彈簧與活門彈簧的作用力；

F、f、f活—減壓器調壓波紋管、活門波紋管及平衡活門的有效面積；

ΔL—平衡活門的開啟高度；

L1—調壓彈簧變形量；L2—活門彈簧變形量；

K1—調壓彈簧剛度；

K2—活門彈簧剛度。

通過對活門的受力平衡分析得出減壓器活門處于剛開啟位置時，減壓器輸出壓力與輸入壓力間的關系式為：

（1）

當減壓器有流量輸出時，活門開啟ΔL時，可得：

（2）

由以上兩式得出因輸入壓力和輸出流量變化引起輸出壓力變化的關系式，即減壓器的壓力特性和流量特性。

（3）

（4）

當活門波紋管的有效面積f等于平衡活門的有效面積時，其特性方程有如下形式：

（5）

（6）

（7）

（8）

其中（5）式為減壓器輸出壓力的調定值；（7）式表明采用平衡活門（f活=f）結構的絕壓減壓器的輸出壓力特性，即減壓器的輸出壓力不受入口壓力變化的影響，壓力特性線的斜率為零；（8）式表明采用平衡活門（f活=f）結構的絕壓減壓器的流量特性，即在某輸入壓力條件下，減壓器的輸出壓力隨輸出流量（ΔL）的增大而減小，輸出流量特性的理論斜率為，所以改善減壓器流量特性的主要途徑方法為增大調壓波紋管的有效面積，但F值的增大勢必增大減壓器的結構尺寸和重量，因此，必須選擇合理值。

4 試驗與結果

針對上述計算，我們設計了一種可調式絕壓調節器，選定減壓器主要結構參數為：F=4cm2、f=f活=1.13 cm2、K1=36.4 N/mm、K2=3.6 kg/mm。并對其進行了性能試驗。

將以上計算確定的結構參數作為結構設計的依據，設計制造出減壓器樣件。對其進行壓力特性、流量特性試驗。

保持輸出流量Q出=10 L/min，其壓力特性試驗結果（見表1）。

保持輸入壓力△P入=0.7 MPa，其流量特性試驗結果（見表2）。

在不同的高度下，保持輸入壓力△P入=0.7MPa，其壓力-流量特性試驗結果（見表3）。

由上述表中的實驗數據我們可以看出，環境高度的變化對該減壓器的減壓壓力沒有影響。

以上試驗結果表明該減壓器的壓力特性和流量特性均能滿足設計要求。

參考文獻

[1] 肖華軍.航空供氧防護裝備生理學[M].北京：軍事醫學科學出版社，2005.

[2] 南京航空學院，北京航空學院.航空個人防護裝備[M].北京：國防工業出版社，1982.

[3] 袁修干.高空設備附件設計[M].北京：北京科學教育編輯室出版，1963.