CN105402456B

CN105402456B - 一种气体减压器阀芯

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Publication number: CN105402456B
Application number: CN201510514671.4A
Authority: CN
Inventors: 李清廉; 黎勤武; 江燕平; 邹建军; 谭建国
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: CN105402456A

Abstract

本发明提供一种气体减压器阀芯，属于高压及中压介质输送与供应技术领域。包括压盖、连接组件、复位弹簧、阀瓣和阀座；压盖是一个锥台形不锈钢旋转体，顶端开孔以平衡内外压力；阀瓣是一个圆杯形腔体，在下底面设计密封凸台、密封凸台表面与外表面垂直；阀座为中空的“凸”形环状腔，其侧面有用于气体流通的阀座孔、腔内有密封凸台；阀座内表面与密封凸台垂直；阀瓣与阀座同轴安装、复位弹簧装入阀瓣的内腔、压盖通过连接组件将复位弹簧、阀瓣压紧在阀座上；本发明的阀芯解决了10kg/s以上流量的气体直接由20MPa以上压力减压至10MPa以下，减压器无法稳定工作的问题，且单独成套设计，易于安装、检修、维护和更换。

Description

一种气体减压器阀芯

技术领域

本发明提供一种气体减压器阀芯，属于高压及中压介质输送与供应技术领域。

背景技术

减压器是一种调节阀，它通过阀芯的节流作用将入口压力减压调节到所需的出口压力值，并通过出口压力的反馈作用控制阀芯的开度维持出口压力的稳定。可见，减压器的作用是将上游气体压力减压并稳定在所需值上。实际上，减压器是利用气流的节流效应实现压力调节。一般地，高压气体在通过阀芯和阀座之间的狭窄截面时发生节流现象，一部分压力能转换为动能获得很高的速度；气流进入出口腔后产生涡流、摩擦和滞止，消耗大量动能，使得节流后压力降低。而阀芯的运动直接与出口压力相关联，一旦出口压力变化，阀芯就会随之运动实现减压器的稳压作用。

目前，减压器不仅广泛应用于油、气工业、化工行业、能源工业、基础设施建设等行业，在航空航天领域也发挥着重要作用。航天行业中，减压器主要应用在地面设备(包括地面试验设备)、导弹/运载火箭和卫星航天器。其中，地面试验系统中，减压器主要用于推进剂供应系统；导弹和火箭中，减压器主要用于发动机储箱的增压系统；卫星航天器中，减压器主要用于姿控发动机和轨控发动机的精确控制。实际应用的气体减压器有多种结构方案。

专著《液体火箭发动机试验》(宇航出版社，1990、12)、《实用阀门设计手册》(机械工业出版社，2004、5)等介绍了多种手动式减压器。由于尺寸较小，这类减压器无法满足大流量气体供应需求。

专著《液体火箭发动机试验》(宇航出版社，1990、12)P68介绍了一种高压大流量气控式减压器，详细分析了其工作原理，但是并未充分公开技术方案，并且这种减压器在设计条件下的供应能力低于5kg/s空气。

硕士学位论文《大流量减压器的特性研究及内部流场动态仿真》(国防科学技术大学，2007、11)研究了一种大流量气控式气体减压器，能够在设计条件下稳定供应大于大于20kg/s的空气流量，得到了许多有重要指导意义的结果，但是论文只给出了减压器工作原理，并未公布详细结构。

现在公开的所有减压器技术方案中，阀芯均不是独立部件，而是由若干零部件与阀体结构组合实现阀芯功能的，这种阀芯结构复杂，可靠性低，使用不便，难以拓展至大流量气体调压。对于小流量减压器来说，独立阀芯较难实现，而对于大流量减压器，可以将阀芯功能集成到单个部件上。但是阀芯作为核心调节部件，承担密封、动态调节等重要功能，属于易损坏的关键件，需要经常检修、维护，如果阀芯的密封面位于减压器主体结构上，损坏后，难于维修。特别是当气体流量达到10kg/s以上时，想要将20MPa以上的气体压力减压至10MPa以下，目前已有的减压器将无法正常进行工作，因此需要研制一种新型的减压器以适应大流量气体的安全减压。

发明内容

本发明的目的是要解决10kg/s以上流量的气体直接由20MPa以上压力减压至10MPa以下，减压器无法稳定工作的问题，提出一种气体减压器阀芯技术方案使得减压器可实现快速稳定地工作。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种气体减压器阀芯，包括压盖1、连接组件2、复位弹簧3、阀瓣4、阀座5；

所述压盖1是一个锥台形不锈钢旋转体，顶端开孔以平衡内外压力；

所述阀瓣4是一个圆杯形腔体，在下底面45设计第一密封凸台42，第一密封凸台42表面与阀瓣4外表面41垂直；阀瓣4腔中设计定位柱44和定位坑43用于安装复位弹簧3；阀瓣4上均布通气孔37以快速实现阀瓣4内外压力平衡；

所述阀座5为中空的“凸”形环状腔，其侧面有用于气体流通的阀座孔32、腔内有第二密封凸台53；阀座内表面51与第二密封凸台53垂直；

其连接关系如下，以阀座5为基准、将阀瓣4同轴装入阀座5的内腔、再将复位弹簧3装入阀瓣4的内腔、压盖1通过连接组件2、将复位弹簧3、阀瓣4压紧在阀座5上；阀座5的第二密封凸台53与阀瓣4第一密封凸台42组成密封副；阀瓣4外表面41与阀座5内表面51密切接触实现同轴安装，阀瓣4外表面41与内表面51为配合表面。

所述阀瓣4的最大开度hmax和节流直径D满足以下关系式，

其中：

为流过阀座孔32的气体质量流量，单位为kg/s；D为阀瓣4第一密封凸台42的内径，单位为m；μ_g为气体的流量系数；p₁₀、p₂为高压气体总压、经过阀芯后输出压力，单位为Pa；k为气体比热比；R为气体常数、单位为J/(kg.K)；T为总温，单位为K；

是气体的临界压力比。

所述阀座孔32的数量n₃₂及直径d₃₂需要满足以下关系式：

其中：μ₃₂为阀座孔32的流量系数；ρ₀为气体在标准大气条件下的密度，单位为kg/m³；u为气体流过阀座孔32的时流速，单位为m/s。

所述阀瓣外表面41被分割为多个区域，表面粗糙度要求达到0.4～0.8级。

所述阀座内表面51表面粗糙度应达到0.4～0.8级。

所述阀座5采用比阀瓣4硬度小的金属材料加工。

所述阀瓣4采用不锈钢加工，阀座5采用黄铜加工。

本发明的有效收益：

1、阀芯单独成套设计加工，易于规模化、标准化过程控制及质量检测，以及提供备件；

2、阀芯单独成套加工，易于安装、检修、维护和更换；

3、阀芯是减压器的核心功能组件，高精度密封副和运动配合表面，加工成本高、容易损坏，单独成套加工、组装、保管、控制，可以更好保护高精度的密封副和运动配合表面；

4、有利于阀芯技术推广应用到其它类型的阀门中，或者相邻技术领域。

附图说明

图1是本发明阀芯结构组成三维剖视示意图；

图2是阀瓣结构纵向剖视图；

图3是阀座结构纵向剖视图；

图4是采用本发明阀芯的减压器三维结构示意图。

其中：1是压盖、2是连接组件、3是复位弹簧、4是阀瓣、5是阀座、32是阀座孔、37是阀座孔、41是阀瓣外表面、42是第一密封凸台、43是定位坑、44是定位柱、45是阀瓣下底面、51是阀座内表面、52是定位环面、53是第二密封凸台、54是阀座的定位底面、60是阀盖、70是上阀体、80是中阀体、100是阀芯

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的设计过程

如图1所示、本发明气体减压器阀芯、包括压盖1、连接组件2、复位弹簧3、阀瓣4、阀座5。

如图2所示，阀瓣4是一个圆杯形腔体、采用比阀座5材料硬度大的金属材料制成、例如不锈钢等。外表面41被分割为多个区域、以减小运动时的摩擦面积、表面粗糙度要求达到0.4～0.8级。在下底面45设计第一密封凸台42、表面要求磨平加工、表面粗糙度达到0.1级。第一密封凸台42表面与外表面41垂直度要求高。腔中设计定位柱44和定位坑43用于安装复位弹簧3。下底面45与减压器传感机构接触、以启动或者关闭阀瓣4。阀瓣4上均布通气孔37以快速实现阀瓣4内外压力平衡。压盖1是一个锥台形不锈钢旋转体、顶端开孔以及时平衡内外压力、周边开孔用于连接。连接组件2为标准连接件、按照强度原则选定。复位弹簧3采用弹簧钢制作、工作特性参数设计参照通用阀门方法进行、倔强系数取k₃＝15～40N/mm。

如图3所示，阀座5是一个中空的“凸”形环状腔、由硬度较小金属材料加工、例如黄铜等、阀座5侧面设计了用于气体流通的阀座孔32、腔内有第二密封凸台53、要求磨平加工、表面粗糙度达到0.1级。阀座内表面51加工精度要求高、表面粗糙度应达到0.4～0.8级、并且与第二密封凸台53垂直度要求高。

安装时、以阀座5为基准、首先将阀瓣4同轴装入5的内腔、再将复位弹簧3装入阀瓣4内腔、压盖1通过连接组件2、将复位弹簧3、阀瓣4压紧在阀座5上。

阀座5第二密封凸台53与阀瓣4第一密封凸台42组成密封副、按照阀门密封通用方法设计、两者密切接触实现密封。阀瓣4外表面41与阀座5内表面51密切接触实现同轴安装、外表面41与内表面51为配合表面。复位弹簧3安装时、预压缩力应使53、42密封副达到自密封要求。

阀瓣4的最大开度hmax和节流直径D满足以下关系式：

其中：

为流过阀座孔32的气体质量流量、也是减压器的供应流量、单位为kg/s、D为阀瓣4第一密封凸台42的内径、单位为m、μ_g为气体流量系数、取μ_g＝0.7～0.90、p₁₀、p₂为高压气体总压、经过阀芯后输出压力、单位为Pa，k为气体比热比、R为气体常数、单位为J/(kg.K)，T为总温、单位为K。

是气体的临界压力比。阀芯直径的取值范围为30-70mm。

阀座孔32的数量n₃₂及直径d₃₂需要满足以下关系式：

其中：μ₃₂为阀座孔32流量系数、取μ₃₂＝0.5～0.7、ρ₀为气体在标准大气条件下的密度、单位为kg/m³、u为气体流过阀座孔32时流速、u的取值范围为20～50m/s。

阀座孔32的数量n₃₂及直径d₃₂根据实际结构以下值选取：d₃₂的取值范围为15-25mm、n₃₂的取值范围为8-16。

阀座孔37的数量n₃₇及直径d₃₇根据实际结构在以下值选取：d₃₇的取值范围为2-4mm、n₃₇的取值范围为8-16。

阀芯在减压器中起到节流作用、是实现高压气体减压、稳压的执行组件、是减压器功能的核心组件。减压器工作时、通过阀瓣4与阀座5之间的相对运动、节流组件起到控制高压气体由高压入口向下游流通或者断开的作用、并且通过阀瓣4相对于阀座5的抬升开度h、决定着减压器供应的气体流量。

如图4所示，阀芯在减压器中的安装过程如下所述，阀芯100安装到中阀体80和隔离盘90上后、将上阀体70压紧阀芯外缘平台、然后再安装上阀盖60和其它部件、注意留好气体流入阀芯的流通通道、保证流动通畅。减压器安装完毕后、阀芯可以进入正常工作状态。当需要检修维护时、拆掉上阀盖60、移开上阀体70后、阀芯100即可以整体更换或者返厂维修。

Claims

1.一种气体减压器阀芯，其特征在于：包括压盖(1)、连接组件(2)、复位弹簧(3)、阀瓣(4)、阀座(5)，这些零部件组装成为一个集成的完整组件，能够独立实现节流减压功能；

所述压盖(1)是一个锥台形不锈钢旋转体，用于压紧复位弹簧(3)，并且顶端开孔以在阀芯工作时快速平衡内外压力；

所述阀瓣(4)是一个圆杯形腔体，在下底面(45)设计第一密封凸台(42)，第一密封凸台(42)表面与阀瓣(4)外表面(41)垂直，第一密封凸台(42)表面粗糙度要求达到0.1级；阀瓣(4)上均布通气孔(37)以快速实现阀瓣(4)内外压力平衡；所述阀瓣(4)外表面(41)被分割为多个区域，阀瓣(4)外表面(41)表面粗糙度要求达到0.4～0.8级；

所述阀座(5)为中空的“凸”形环状腔，其侧面有用于气体流通的阀座孔(32)，腔内有第二密封凸台(53)；第二密封凸台(53)表面粗糙度要求达到0.1级，并与阀座内表面(51)垂直；

其连接关系如下，以阀座(5)为基准，将阀瓣(4)同轴装入阀座(5)的内腔，再将复位弹簧(3)装入阀瓣(4)的内腔，压盖(1)通过连接组件(2)，将复位弹簧(3)、阀瓣(4)压紧在阀座(5)上；阀座(5)的第二密封凸台(53)与阀瓣(4)第一密封凸台(42)组成密封副；阀瓣(4)外表面(41)与阀座(5)内表面(51)密切接触实现同轴安装，外表面(41)与内表面(51)为配合表面，阀芯在减压器内工作时，阀瓣抬起一定高度，组成密封副的两个密封凸台分离，形成节流环缝，使得高压气体流通、减压。

2.如权利要求1所述的一种气体减压器阀芯，其特征在于：所述阀瓣(4)的最大开度hmax和节流直径D满足以下关系式，

其中：

为流过阀座孔(32)的气体质量流量，单位为kg/s；D为阀瓣(4)第一密封凸台(42)的内径，单位为m；μ_g为气体的流量系数，取μ_g＝0.7～0.90；p₁₀、p₂分别为高压气体总压、经过阀芯后输出压力，单位为Pa；k为气体比热比；R为气体常数、单位为J/(kg.K)；T为总温，单位为K；

是气体的临界压力比。

3.如权利要求2所述的一种气体减压器阀芯，其特征在于：所述阀座孔(32)的数量n₃₂及直径d₃₂需要满足以下关系式：

其中：μ₃₂为阀座孔(32)流量系数，取μ₃₂＝0.5～0.7；ρ₀为气体在标准大气条件下的密度，单位为kg/m³；u为气体流过阀座孔(32)时流速，u的取值范围为20～50m/s；阀座孔(32)的数量n₃₂及直径d₃₂根据实际结构以下值选取：d₃₂的取值范围为15-25mm，n₃₂的取值范围为8-16。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种气体减压器阀芯，其特征在于：所述阀座内表面(51)表面粗糙度应达到0.4～0.8级。

5.如权利要求1所述的一种气体减压器阀芯，其特征在于：所述阀座(5)采用比阀瓣(4)硬度小的金属材料加工。

6.如权利要求1所述的一种气体减压器阀芯，其特征在于：所述阀瓣(4)采用不锈钢加工，阀座(5)采用黄铜加工。