CN101839361A

CN101839361A - 一种气体减压器

Info

Publication number: CN101839361A
Application number: CN 201010199026
Authority: CN
Inventors: 王振国; 谭建国; 江燕平; 刘卫东; 梁剑寒; 潘余
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2010-06-12
Filing date: 2010-06-12
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2030-06-12
Also published as: CN101839361B

Abstract

本发明涉及一种应用于液压气动领域的气体减压器，尤其涉及一种可有效防振的减压器。本发明通过改进现有气体减压器的结构，主要是通过在卸荷腔顶部设置卸荷孔，同时设置一条气体管路，将卸荷孔与高压气体入口连通。当高压腔内出现压力波动时，波动压力通过气体管路，在管路流动阻力和容积效应下，使得到达阀芯上的压力变得较为平缓，从而降低了振荡。本发明在对现有气体减压器基本结构作较小改动的情况下，增强了气体减压器对高压气体压力波动的抗干扰能力，解决了振荡问题。本发明已在发动机地面试验系统中直接应用。

Description

一种气体减压器

技术领域

本发明涉及一种应用于液压气动领域的气体减压器，尤其涉及一种可有效防振的减压器。

背景技术

气体减压器是一种对高压气体进行减压并向下游提供稳定压力的调节装置，是液压气动领域中的基本部件，为现有技术所公知。气体减压器在冶金、石油、水电、航空航天等领域广为应用。

气体减压器的核心是一个在下游压力作用下能够上下运动的阀芯，阀芯和一个固定的阀座之间构成缝隙。当上游压力不变而下游压力突然变大时，缝隙变小，通过缝隙的压力损失变大，根据下游压力等于上游压力减去压力损失的公式，可知下游压力能基本维持不变。反之亦然。

但现有气体减压器对上游压力的波动缺乏抗干扰性。当上游压力出现振荡，例如突然增大时，增加的压力由于直接作用在减压器的阀芯上，将使得阀芯向下运动，缝隙变小，正在快速通过缝隙的部分气体将滞止下来，其动压转变为静压，使得上游压力增加得更大，缝隙变得更小，这种与阀芯运动形成的正反馈，使上游压力的振荡不断放大，导致系统不能正常工作，甚至导致管路或减压器破坏。

论文“methods used to investigate and resolve the space shuttle helium pressure regulator instability (EHurlbert，J T Abe，AIAA90-2749)”公布了航天飞机主发动机上的氦气减压器的振荡现象，该振荡破坏了减压器内的波纹管。现有技术还没有公开解决该问题的具体方法和装置。

发明内容

本发明通过改进现有气体减压器的结构，使得在上游压力波动情况下，减压器也能有效防振，从而解决现有气体减压器易于振荡的问题，具体可以通过以下技术方案实施。

一种气体减压器，包含高压结构、低压结构和活塞结构，其中：

高压结构为设有高压气体入口14的封闭圆筒，顶端轴向内部设有圆筒状的阀芯基座2，底端轴向设置高压气体出口通道21，出口通道21直径不大于阀芯基座2的内径，底端轴向内部设置阀座6，阀座6为薄壁圆筒状，内径与出口通道21直径相等，高度小于封闭圆筒与阀芯基座2的高度差；

低压结构也为封闭圆筒，与高压结构同轴相连，内部依次设有隔断16和膜片10，将其分隔成低压腔15、阻尼腔17和控制腔18三个部分；低压腔15设有与高压气体出口通道21直接相通的高压气体入口22，侧面设置低压气体出口9；在隔断16上开有阻尼孔8，使得低压腔15与阻尼腔17可以相通；膜片10上下各设置副弹簧11，分别与阻尼腔17顶部和控制腔18底部相连，控制腔18设有控制气体入口19，膜片10可以在阻尼腔17和控制腔18之间的压力差下弯曲变形；

活塞结构包括顶杆7、阀芯4和主弹簧1，阀芯4为一端封闭的圆筒，主弹簧1连接阀芯4内底端与高压结构内顶部；顶杆7穿过隔断16将阀芯4与膜片10固定连接，阀芯4与阀芯基座2之间可以密合上下滑动；阀芯4与阀座6之间构成缝隙5，高压气体通过缝隙5进入高压气体出口通道21；

高压结构中阀芯4与阀芯基座2围成的空间称为卸荷腔12，其他空间为高压腔13；

其特征在于：在卸荷腔12顶部设置卸荷孔3，同时设置一条气体管路20，将卸荷孔3连通高压气体入口。

主弹簧1和副弹簧11主要用于使膜片和活塞结构复位，可根据GB/T 1239.6-1992选用，通常选择1根主弹簧和6～8根副弹簧。

阻尼孔8通常为3～6个，直径为2～4mm。

膜片10材料可以选用橡胶或具有弹性的薄金属片。

为兼顾系统的稳定性和快速性，阀芯基座2的内径通常选取高压腔13内径的1/5～1/3，高压气体出口通道21的直径不大于阀芯基座2的内径，通常与之相当。

阀座6高度选取高压结构封闭圆筒与阀芯基座2的高度差的1/20～1/2。

当高压腔13内出现压力波动时，波动压力通过气体管路，在管路流动阻力和容积效应下，使得到达阀芯4上的压力变得较为平缓，从而降低了振荡。

本发明还提出根据高压气体压力波动的频率来确定外置气体管路长度，一般选取管路长度为高压气体波动半波长的奇数倍，优选为1倍。通过这种方式可以将作用在阀芯上的负载力从原有的正反馈变为负反馈，从而进一步提高减压器的稳定性。

本发明在对现有气体减压器基本结构作较小改动的情况下，增强了气体减压器对高压气体压力波动的抗干扰能力，解决了振荡问题。本发明已在发动机地面试验系统中直接应用。

附图说明

图1是现有气体减压器结构示意图；

图2是本发明实施例1结构示意图；

图3是未采用本发明时高压腔内的压力振荡曲线；

图4是采用了本发明后高压腔内的压力曲线。

附图标记

1.主弹簧；

2.阀芯基座；

3.卸荷孔；

4.阀芯；

5.缝隙；

6.阀座；

7.顶杆；

8.阻尼孔；

9.低压气体出口；

10.膜片；

11.副弹簧；

12.卸荷腔；

13.高压腔；

14.高压气体入口；

15.低压腔；

16.隔板

17.阻尼腔；

18.控制腔；

19.控制气入口；

20.外置管路；

21.高压气体出口通道；

22.低压腔高压气体入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1是现有气体减压器的一个具体实施例。

现有气体减压器包含高压结构、低压结构和活塞结构；其中：

高压结构为设有高压气体入口14的封闭圆筒，顶端轴向内部设有圆筒状的阀芯基座2，底端轴向设置高压气体出口通道21，出口通道21直径不大于阀芯基座2的内径，底端轴向内部设置阀座6，阀座6内径与出口通道21直径相等，高度小于封闭圆筒与阀芯基座2的高度差；

活塞结构包括顶杆7、阀芯4和主弹簧1，阀芯4为一端封闭的圆筒，主弹簧1连接阀芯4内底端与高压结构内顶部；顶杆7穿过隔断16将阀芯4与膜片10固定连接，阀芯4与阀芯基座2之间可以密合上下滑动；阀芯4与阀座6之间构成缝隙5，高压气体通过缝隙5进入高压气体出口通道21；在阀芯4靠近封闭端的筒壁上设有卸荷孔3，使得高压腔13与卸荷腔12相通。

阀芯4是气体减压器的核心部件，一方面，在阀芯4上开有卸荷孔3，将高压腔13的气体与卸荷腔12的气体连通起来，另一方面，阀芯4与阀座6之间构成缝隙5，高压腔13内的高压气体通过缝隙5流入高压气体出口通道，缝隙5的大小与受力直接相关。

低压结构为空心圆筒状，由隔板16和膜片10将其分割为三个腔：低压腔15，阻尼腔17和控制腔18；高压气体从缝隙5经高压气体出口通道21流入低压腔15，从低压气体出口管路9流出；低压腔15通过隔板16上的阻尼孔8与阻尼腔17相通；控制腔18接受来自控制气入口管19的气体，控制腔18阻尼腔17通过膜片10隔离而不相通，但由于膜片10可以弹性变形，所以，稳态情况下，控制腔18内的压力与阻尼腔17内的压力相等。

现有气体减压器实现低压出口压力稳定的原理可从力的平衡上进行分析：气体减压器的运动部件由阀芯4通过顶杆7和膜片10联接起来，运动部件所受到的力包括：(a)主弹簧1作用在阀芯4上的力F_sm，(b)卸荷腔12内的气体作用在阀芯4上的力等于压力乘以作用面积p_sA_s，其中p_s为卸荷腔12内的气体压力，A_s为阀芯4的横截面积，(c)低压腔16内的气体压力p_e作用在阀芯4上的力p_eA_s，(d)阻尼腔17内的压力p_d作用在膜片10上的力p_dA_d，其中A_d为膜片10的横截面积，(e)控制腔18内的气体作用在膜片10上的力p_cA_d，(f)副弹簧11作用在膜片10上的力F_sa，忽略摩擦力等小量后，稳态时的力平衡方程可写为：

F_sm+p_sA_s+p_dA_d＝p_eA_s+p_cA_d+F_sa (1)

其中，左边为向下作用力，右边为向上作用力。

由于缝隙5的面积很小，在误差许可的范围内，可认为卸荷腔12内的气体压力p_s与高压腔13内的气体压力p_i相等，同样，因为阻尼孔8的面积也很小，也可认为阻尼腔17内的压力p_d与低压腔16内的压力p_e相等，则可得到低压气体出口9压力p_e的表达式为：

p_{e} = \frac{p_{c} A_{d} - p_{i} A_{s}}{A_{d} - A_{s}} + \frac{F_{sa} - F_{sm}}{A_{d} - A_{s}} - - - (2)

由于阀芯4的运动很小，所以弹簧力F_sa和F_sm基本不变，则在高压腔13压力p_i维持不变的情况下，低压腔出口9的压力仅由控制腔18内的压力p_c确定，而不受减压器低压出口下游条件的影响。

当低压气体出口9压力出现波动时，例如，当气体出口9接燃烧室，燃烧不稳定导致出口压力突然升高，则阻尼腔17内的压力p_d也将升高，根据表达式(1)，向下作用力将增大，从而阀芯4将向下运动，阀芯4和阀座6之间的缝隙5将变小，通过缝隙5的气体流通面积A_o＝πD_sh也将变小，其中D_s是阀芯4的直径，h为阀芯4和阀座6之间的轴向间距，称为开度，根据工程流体力学的基本知识，通过缝隙的压力损失Δp与流通面积成反比，因此，当缝隙5变小，压力损失增加，而低压气体出口9压力等于高压气体入口14压力减去压力损失，从而可知低压气体出口9压力降低，达到维持低压气体出口压力的稳定。

但是，现有减压器对高压气体入口14的压力波动则缺乏足够的抗干扰性，实际阀芯4的面积A_s约为膜片10面积A_d的1/20～/60，由表达式(2)可知，当控制腔17压力p_c不变时，高压气体入口14压力增加将使低压气体出口9压力有一定程度的下降。

现有气体减压器的振荡则是高压气体入口14压力波动和阀芯4运动相耦合的结果。稳定工作时，气体减压器高压腔13内有一定的压力和一定的气体流速u，阀芯4保持一定的开度，当高压腔13高压气体入口14内的压力升高时，该压力直接通过卸荷孔3传播到卸荷腔12中，使卸荷腔压力p_c增加，根据公式(1)，阀芯将向下运动，使得阀门流通面积变小，从而，部分以流速u运动的气体滞止下来，其动能将转化为压力势能，使得高压腔13的压力更高；反之亦然。这就是气体减压器对高压气体入口14压力振荡的正反馈。这种正反馈使得高压腔13压力随高压气体的振荡不断放大，严重影响其正常工作。

图2是本发明结构示意图。与现有气体减压器相比，本发明将设置于阀芯4侧壁的卸荷孔3改在卸荷腔12顶部，并通过外置气体管路20将高压气体入口14与之相连。

另外，本发明还可以根据高压气体压力波动的频率来确定外置气体管路长度，本实施例中，外置气体管路20长度为压力振荡的半波长。

采用本发明能够实现防振的原因是：当高压腔13内压力升高，该压力并不能立即传播到卸荷腔12内，从而不会立即对阀芯4的运动产生影响；该压力将通过高压气体入口14、外置气体管路20和卸荷孔3后，才能传播到卸荷腔12中，在此过程中有如下的减振效果：

(1)气体管路和卸荷孔的阻尼效果，降低了高压腔压力的波动幅度；

(2)容积的积分效果使压力波动更平缓；容积的积分效果类似于电容，其表达式为

其中，V为从高压腔13到卸荷腔12之间所有管路内的容积，a为气体的音速，m＆₁和m＆₂分别为流进和流出高压腔的气体流量。可以看到，当采用外置气体管路，整个容积V增大，从而在相同的流量变化情况下，压力变化dp/dt更小，也就是压力波动更小；

另外，由于管路的长度为半波长，使得压力波动和阀芯运动具有相反的相位；具体而言，假设高压腔13内的压力以正弦变化，在某一时刻，高压腔13压力达到最大值，而卸荷腔12内的压力则为最小值，其结果是：当高压腔13内的压力波动达到最大，阀芯4反而向上运动，开度增加，从而使得高压腔13内将有更多的气体通过缝隙5流出，减小了气体动能转变为压力势能。

图3是现有气体减压器工作时高压腔13内的压力曲线。可以看到，高压腔内的压力出现剧烈振荡，其振幅最大达到3MPa，严重影响了该减压器的应用。

图4是本发明工作时高压腔内的压力曲线。可以看到，本发明有效衰减了入口压力振荡，使减压器能够正常工作。

Claims

1.一种气体减压器，包含高压结构、低压结构和活塞结构，其中：

高压结构为设有高压气体入口(14)的封闭圆筒，顶端轴向内部设有圆筒状的阀芯基座(2)，底端轴向设置高压气体出口通道(21)，出口通道(21)直径不大于阀芯基座(2)的内径，底端轴向内部设置阀座(6)，阀座(6)为薄壁圆筒状，内径与出口通道(21)直径相等，高度小于封闭圆筒与阀芯基座(2)的高度差；

低压结构也为封闭圆筒，与高压结构同轴相连，内部依次设有隔断(16)和膜片(10)，将其分隔成低压腔(15)、阻尼腔(17)和控制腔(18)三个部分；低压腔(15)设有与高压气体出口通道(21)直接相通的高压气体入口(22)，侧面设置低压气体出口(9)；在隔断(16)上开有阻尼孔(8)，使得低压腔(15)与阻尼腔(17)可以相通；膜片(10)上下各设置副弹簧(11)，分别与阻尼腔(17)顶部和控制腔(18)底部相连，控制腔(18)设有控制气体入口(19)，膜片(10)可以在阻尼腔(17)和控制腔(18)之间的压力差下弯曲变形；

活塞结构包括顶杆(7)、阀芯(4)和主弹簧(1)，阀芯(4)为一端封闭的圆筒，主弹簧(1)连接阀芯(4)内底端与高压结构内顶部；顶杆(7)穿过隔断(16)将阀芯(4)与膜片(10)固定连接，阀芯(4)与阀芯基座(2)之间可以密合上下滑动；阀芯(4)与阀座(6)之间构成缝隙(5)，高压气体通过缝隙(5)进入高压气体出口通道(21)；

高压结构中阀芯(4)与阀芯基座(2)围成的空间称为卸荷腔(12)，其他空间为高压腔(13)；

其特征在于：在卸荷腔(12)顶部设置卸荷孔(3)，同时设置一条气体管路(20)，将卸荷孔(3)连通高压气体入口。

2.权利要求1所述的气体减压器，其特征在于：气体管路的长度为高压气体波动半波长的奇数倍。

3.权利要求2所述的气体减压器，其特征在于：气体管路的长度为高压气体波动半波长的1倍。

4.权利要求1或2所述的气体减压器，其特征在于：阀芯基座(2)的内径选取高压腔(13)内径的1/5～1/3。

5.权利要求1或2所述的气体减压器，其特征在于：高压气体出口通道(21)直径与阀芯基座(2)的内径相当。