蝶阀式绝对压力调节器的先导阀组件静动态特性设计

董锬 陈海胜

摘 要：引气系统是飞机极为重要的组成部分，而绝对压力调节器是引气系统的核心调压部件。本文介绍了蝶阀式压力调节器中先导式减压阀的工作原理，建立了先导阀的数学模型，分析了先导阀的静态特性和动态特性。

关键词：蝶阀式压力调节器;先导阀;静态特性;动态特性

中图分类号：TH138.9文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0035-03

Design of Static and Dynamic Characteristics of Pilot Valve Assembly

of Butterfly Valve Type Absolute Pressure Regulator

DONG Tan1 CHEN Haisheng2

（1. Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Xinxiang，Xinxiang Henan 453000;2. AVIC Xinhang AviationIndustry （Group） Co.， Ltd.，Xinxiang Henan 453000）

Abstract： The bleed air system is an extremely important part of the aircraft， and the absolute pressure regulator is the core pressure regulating component of the bleed air system. This paper introduces the working principle of the pilot pressure reducing valve in the butterfly valve pressure regulator， establishes the mathematical model of the pilot valve， and analyzes the static and dynamic characteristics of the pilot valve.

Keywords： butterfly valve pressure regulator;pilot valve;static characteristics;dynamic characteristics

隨着飞机向高空、高速发展，大飞机的座舱增压通风能力不断提高，座舱供气量大大增加，从引气压力调节器来看，直接式压力调节器已不能满足航空事业的迅速发展需求，逐渐被间接式压力调节器所代替，以便更好地满足大供气量要求[1-3]。

间接式压力调节器的原理框图如图1所示，其可以看成由两个基本部分组成：一个是压力控制机构，由敏感元件、给定元件和它控制的活门所组成，它的作用是保持控制腔压力不变;另一个是执行机构，它由比较元件和调节活门组成[4]。

从结构原理上讲，图1中的控制机构就是一个直接式压力调节器，即本文所研究的先导式减压阀（下称先导阀），它调节的不是产品出口压力而是控制腔压力，所以控制腔压力的静态偏差和动态稳定性直接影响蝶阀式压力调节器出口压力的静态偏差和动态稳定性，本文研究的为绝压式先导阀结构。

1 先导阀组件技术要求

先导阀组件结构如图2所示，主要技术指标如下：工作介质为空气;使用高度为0～13 km;入口压力为0.5～1.2 MPa（绝压）;工作环境温度介于-55～+70 ℃;介质温度为180 ℃。

2 先导阀静态特性设计与研究

由于先导阀调节过程中各敏感元件均与介质接触，因此计算过程中不考虑环境温度对先导阀调压特性的影响;由于先导阀出口即控制腔设计有超临界溢流孔，因此计算过程中不考虑低气压环境对先导阀调压特性的影响。

2.1 静态特性分析假设

在进行静态特性分析之前，研究人员先做如下假设：先导阀中锥形活门重力与其所受的气动力、弹性力相比很小，计算过程中忽略其质量;先导阀中锥形活门前后气体压力按理想状态分布，即入口为入口压力，出口立刻降为出口压力;由于流体进出锥形活门时速度有变化，产生动量变化，静态计算时忽略;忽略先导阀中锥阀运动产生的摩擦;流量系数按常值处理;假设入口温度、出口温度相等;如图3所示，将先导阀组件、控制腔、控制腔超临界孔组成一个自动控制系统进行研究，而控制腔为具有一定容积的空间，超临界孔是排气口，通过调节锥阀的开度来控制流量，从而实现控制腔压力的稳定[5-7]。

2.2 建立静态数学模型

先导阀组件中的锥阀在调压状态下处于平衡，受力分析如图4所示。图中，[k1（x1+t）-PkA1]为真空波纹管对锥阀的作用力（向下）;[PkA2]为控制腔压力对锥阀的作用力（向下）;[PRA2]为入口压力对锥阀的作用力（向上）;[k2（x2-t）]为先导阀组件中调压弹簧对锥阀的作用力（向上）。其中，[k1]为波纹管的刚度;[k2]为先导阀中调压弹簧的刚度;[x1]为波纹管的预压缩量;[x2]为先导阀中调压弹簧的预压缩量;[t]为先导阀中锥阀的行程;[Pk]为控制腔压力;[A1]为波纹管的有效面积;[A2]为先导阀中锥阀的受力面积;[PR]为先导阀入口压力。

根据图4模型，人们可以得出以下关系式：

[k1（x1+t）-PkA1+PkA2-PRA2-k2（x2-t）=0]      （1）

对式（1）进行转化处理，可得：

[Pk=k1（x1+t）-PRA2-k2（x2-t）A1-A2]            （2）

由式（2）可得控制腔压力差为：

[ΔPk=（k1+k2）Δt-ΔPRA2A1-A2]                   （3）

式中：[ΔPk]为控制腔压力差;[Δt]为先导阀调压范围内锥阀行程变化值;[ΔPR]为先导阀入口压力差。

根据设计经验，[k1]>>[k2]，且[Δt]值很小，对式（3）简化可得：

[ΔPk=k1Δt-ΔPRA2A1-A2]                     （4）

当处于亚临界状态（即[Pk/PR>0.528]）时，得先导阀的流量方程：

[Gkr=0.822μ1A3Pk（PR-Pk）T]                    （5）

式中：[Gkr]为通过先导阀的流量;[μ1]为先导阀流量系数;[A3]为先导阀流通面积;[T]为先导阀入口温度。

当处于超临界状态（即[Pk/PR≤0.528]）时，得先导阀的流量方程：

[Gkr=0.404μ1A3PRT]                              （6）

控制腔溢流孔处于超临界状态，得该处溢流孔的流量方程：

[Gkc=0.404μ2A4PkT]                           （7）

式中：[Gkc]為通过控制腔溢流孔的流量;[μ2]为控制腔溢流孔流量系数; [A4]为控制腔处溢流孔流通面积。

根据[Gkr=Gkc]，可得亚临界状态下先导阀流通面积为：

[                          A3=PkPR-Pk×A42.05πl活（d活-l活tanα）tanαcosα=PkPR-Pkμ2πd28.2μ1]      （8）

式中：[l活]为先导阀中锥阀开度;[d活]为先导阀中活门座孔直径;[α]为先导阀中锥阀半锥角度;[d]为排气孔直径。

根据[Gkr=Gkc]，可得超临界状态下先导阀流通面积为：

[                               A3=PkPRA4πl活（d活-l活tanα）tanαcosα=PkPRμ2μ1π4d2]        （9）

代入相关数值，对式（2）、式（4）、式（8）和式（9）进行迭代求解，可得先导阀组件在入口压力0.5～1.2 MPa（绝压）下的出口压力（即控制腔压力）为0.369～0.354 MPa（绝压），压力差为15 kPa，且呈下降趋势，如图5所示。

2.3 试验验证

厂内选取试验件，试验数据如图6所示。实测先导阀输出压力与理论计算值基本一致，下降幅度为15 kPa。

3 先导阀动态特性分析及优化设计

先导阀组件应用在蝶阀式压力调节器系列产品上，目前出现了锥阀、活门座及真空波纹管硬芯部分撞击损坏严重等问题。

由于先导阀输出压力偏差仅影响产品出口压力静态偏差，而针对出现的问题，经分析排查，主要原因为先导阀组件阻尼较小，动态特性较差，在机上使用环境下产生抖动。所以，研究人员对先导阀组件进行了优化处理，如图7所示，其间主要从以下几个方面进行优化：增大调压弹簧刚度，提高活动系统的固有频率;增加阻尼圈，抑制锥阀由于外作用而产生的振荡;结合产品整体改进，增大控制腔容积;将活门座直角密封改进为斜面密封，减小初始撞击力。

4 结语

本文建立了先导阀组件的数学模型，获得了先导阀组件的静态特性参数，同时根据先导阀组件出现的问题，分析了先导阀组件的动态特性，并对结构进行了优化。优化后的结构增大了锥阀运动的阻尼力，由于阻尼力未知，因此优化后的静态特性计算尚不准确。优化后的动态特性有所改善，但会增加入口压力上升阶段和下降阶段的输出压力差，故后续需要验证其静态特性、动态特性及环境适应性。

参考文献：

[1]田占强， 王先超，高胜臣. 气动蝶阀式压力调节器的工作特性及发展趋势[J].管理工程师，2011（3）：57-61.

[2]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007：66-67.

[3]工业和信息化部.工业过程控制系统用电磁阀：JB/T 7352—2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[4]何衍庆，邱宣振，杨洁.控制阀工程设计与应用[M].北京：化学工业出版社，2005：48.

[5]吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1982：56-57.

[6]傅德薰，马延文.计算流体力学[M].北京：高等教育出版社，2002：7.

[7]莱昂斯.阀门技术手册[M].北京：机械工业出版社，1991：26.