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摘 要：该文介绍了一種能提供稳定工作压力，具有结构简单、体积小、重量轻，且适用于低压大流量用的带波纹管平衡活门的外调式绝压减压器，根据其功用和性能要求，通过对减压器的受力分析、设计计算和比较，推导得出压力特性和流量特性公式，说明输入压力P入是如何通过绝压减压器结构参数来影响输出压力P出的，并根据上述特性分析，针对低压大流量需求给出具体方案和减压器结构参数（F、f、f活、K1、K2），最后通过试验验证该外调式绝压减压器的性能完全满足设计要求。
关键词：减压器 低压大流量 外调式 绝压
中图分类号：V2 文献标识码：A 文章编号：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
减压器的功能是将输入气源的压力自动降低并保持在一定范围内。减压器按其控制方式可分为先导式和直导式两类，其中在航空供氧上使用的减压器通常采用直导式；按其结构类型可分为逆向式和顺向式。一个理想的减压器，应该在不同输入压力P入及不同流量Q下输出的减压压力不变，但在实际的设计过程中，由于具体的结构及工作原理的原因，输出压力P出都不能做到是一个常量。即便在外界条件（P入、Q）及结构参数（F、f、K……）都一样的情况下，不同类型减压器的输出压力P出的变动范围也是各不相同的。P出的变动范围越小，该减压器的精度就越高。由于在该性能上，逆向式减压器具有明显的优势，因此，在航空供氧系统中普遍使用此类减压器[2-3]。
目前，现有的减压器品种较多，但相对压力减压器居多，即P出随环境压力的变化而变化。当环境高度为5.5 km时，环境大气压只有地面的1/2[1]，此时相对压力减压器的输出压力P出存在一定的压力损失，如果该减压器本身的输出压力较低，那么这样的压力损失就会对减压器的性能造成很大的影响；而对于绝压减压器来说，环境压力的变化不会对减压器的输出压力造成影响，因此它能够满足低输入压力的工作环境要求，从而大大改善了系统的性能。用于航空供氧的绝压减压器不仅需要有良好的压力特性和流量特性，同时需要满足系统低压大流量的要求，并在结构上能够与系统匹配，为此，我们专门研制一种带波纹管平衡活门的外调式绝压减压器。
2 功用及性能要求
该绝压减压器用于调节系统的输入压力，它是从飞机环控系统引入空气，将入口空气的最大压力限制在0.22 MPa以内，从而控制空气压力和最大消耗量，以确保下游产品的工作压力。
根据系统结构和接口要求，该绝压减压器具有输入压力低（0.15 MPa～1.1 MPa）、供气量大（达600 L/min以上）的特点，该减压器的主要性能指标如下。
（1）工作介质：空气；
（2）流通能力：>80 kg/hr；
（3）输入压力范围：0.15 MPa～1.1 MPa；
（4）额定输出压力：0.22 MPa±0.02 MPa
（输入压力为0.22 MPa～1.1 MPa、输出流量为10L/min的条件下）；
（5）输出流量特性：在输入空气压力为0.7 MPa，输出流量为600 L/min时，出口压力应不小于0.15 MPa。 3 设计方案与设计计算
该绝压减压器结构如图1所示，由外壳、调压波纹管、活门波纹管、活门座及顶杆等零组件构成。其工作原理如下。
由环控系统引入的高压空气经减压器入口进入A腔，由于调压波纹管组件的作用，通过顶杆克服活门波纹管的预压力将平衡活门机构开启，活门处于打开状态，允许空气进入B腔，并由减压器输出口进入过滤器筒体内。随着增压空气的不断输入，减压器输出压力（B腔压力）逐渐升高，此压力作用在调压波纹管组件上，调压波纹管组件逐渐被压缩，使活门开启高度减小，当减压器输出压达到预定值时，活门处于关闭位置，此时减压器无气体输入。若此时B腔内气体有输出消耗，则B腔内压力随之降低，直到调压波纹管组件弹力大于周围气体的压力后，调压波纹管组件伸长，平衡活门机构再次开启，气体重新进入B腔，并维持腔内的压力为某一数值（此数值可以通过调压螺钉预先设定）。
该绝压减压器不同于其它絕压减压器的地方在于以下几点。
（1）此处平衡活门结构在设计时不是通常带滑动密封的活塞结构，而是采用波纹管。波纹管适用于低压减压机构，且灵敏度、精度比较高，结构成熟，能够满足技术指标的要求，避免了动密封的磨损，从而大大提高了减压器的寿命。
（2）该减压器采用的是外调式调压机构。通过调压螺钉调节调压波纹管内的弹簧变形程度来控制弹簧的张力，以调节预先设定的减压器输出压力。此结构方便调节。
绝压减压器特性分析如下：
P入—输入压力；
P出—减压器无输出流量时的输出压力；
P0—调压波纹管内腔压力；
P出’—减压器有输出流量时的输出压力；P1、P2—减压器平衡活门关闭时，调压弹簧与活门弹簧的预调力；
P1’、P2’—减压器平衡活门开启时，调压弹簧与活门弹簧的作用力；
F、f、f活—减压器调压波纹管、活门波纹管及平衡活门的有效面积；
ΔL—平衡活门的开启高度；
L1—调压弹簧变形量；L2—活门弹簧变形量；
K1—调压弹簧刚度；
K2—活门弹簧刚度。
通过对活门的受力平衡分析得出减压器活门处于刚开启位置时，减压器输出压力与输入压力间的关系式为：
（1）
当减压器有流量输出时，活门开启ΔL时，可得：
（2）
由以上两式得出因输入压力和输出流量变化引起输出压力变化的关系式，即减压器的压力特性和流量特性。
（3）
（4）
当活门波纹管的有效面积f等于平衡活门的有效面积时，其特性方程有如下形式：
（5）
（6）
（7）
（8）
其中（5）式为减压器输出压力的调定值；（7）式表明采用平衡活门（f活=f）结构的绝压减压器的输出压力特性，即减压器的输出压力不受入口压力变化的影响，压力特性线的斜率为零；（8）式表明采用平衡活门（f活=f）结构的绝压减压器的流量特性，即在某输入压力条件下，减压器的输出压力随输出流量（ΔL）的增大而减小，输出流量特性的理论斜率为，所以改善减压器流量特性的主要途径方法为增大调压波纹管的有效面积，但F值的增大势必增大减压器的结构尺寸和重量，因此，必须选择合理值。
4 试验与结果
针对上述计算，我们设计了一种可调式绝压调节器，选定减压器主要结构参数为：F=4cm2、f=f活=1.13 cm2、K1=36.4 N/mm、K2=3.6 kg/mm。并对其进行了性能试验。
将以上计算确定的结构参数作为结构设计的依据，设计制造出减压器样件。对其进行压力特性、流量特性试验。
保持输出流量Q出=10 L/min，其压力特性试验结果（见表1）。
保持输入压力△P入=0.7 MPa，其流量特性试验结果（见表2）。
在不同的高度下，保持输入压力△P入=0.7MPa，其压力-流量特性试验结果（见表3）。
由上述表中的实验数据我们可以看出，环境高度的变化对该减压器的减压压力没有影响。
以上试验结果表明该减压器的压力特性和流量特性均能满足设计要求。
参考文献
[1] 肖华军.航空供氧防护装备生理学[M].北京：军事医学科学出版社，2005.
[2] 南京航空学院，北京航空学院.航空个人防护装备[M].北京：国防工业出版社，1982.
[3] 袁修干.高空设备附件设计[M].北京：北京科学教育编辑室出版，1963.
关键词：减压器 低压大流量 外调式 绝压
中图分类号：V2 文献标识码：A 文章编号：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
减压器的功能是将输入气源的压力自动降低并保持在一定范围内。减压器按其控制方式可分为先导式和直导式两类，其中在航空供氧上使用的减压器通常采用直导式；按其结构类型可分为逆向式和顺向式。一个理想的减压器，应该在不同输入压力P入及不同流量Q下输出的减压压力不变，但在实际的设计过程中，由于具体的结构及工作原理的原因，输出压力P出都不能做到是一个常量。即便在外界条件（P入、Q）及结构参数（F、f、K……）都一样的情况下，不同类型减压器的输出压力P出的变动范围也是各不相同的。P出的变动范围越小，该减压器的精度就越高。由于在该性能上，逆向式减压器具有明显的优势，因此，在航空供氧系统中普遍使用此类减压器[2-3]。
目前，现有的减压器品种较多，但相对压力减压器居多，即P出随环境压力的变化而变化。当环境高度为5.5 km时，环境大气压只有地面的1/2[1]，此时相对压力减压器的输出压力P出存在一定的压力损失，如果该减压器本身的输出压力较低，那么这样的压力损失就会对减压器的性能造成很大的影响；而对于绝压减压器来说，环境压力的变化不会对减压器的输出压力造成影响，因此它能够满足低输入压力的工作环境要求，从而大大改善了系统的性能。用于航空供氧的绝压减压器不仅需要有良好的压力特性和流量特性，同时需要满足系统低压大流量的要求，并在结构上能够与系统匹配，为此，我们专门研制一种带波纹管平衡活门的外调式绝压减压器。
2 功用及性能要求
该绝压减压器用于调节系统的输入压力，它是从飞机环控系统引入空气，将入口空气的最大压力限制在0.22 MPa以内，从而控制空气压力和最大消耗量，以确保下游产品的工作压力。
根据系统结构和接口要求，该绝压减压器具有输入压力低（0.15 MPa～1.1 MPa）、供气量大（达600 L/min以上）的特点，该减压器的主要性能指标如下。
（1）工作介质：空气；
（2）流通能力：>80 kg/hr；
（3）输入压力范围：0.15 MPa～1.1 MPa；
（4）额定输出压力：0.22 MPa±0.02 MPa
（输入压力为0.22 MPa～1.1 MPa、输出流量为10L/min的条件下）；
（5）输出流量特性：在输入空气压力为0.7 MPa，输出流量为600 L/min时，出口压力应不小于0.15 MPa。 3 设计方案与设计计算
该绝压减压器结构如图1所示，由外壳、调压波纹管、活门波纹管、活门座及顶杆等零组件构成。其工作原理如下。
由环控系统引入的高压空气经减压器入口进入A腔，由于调压波纹管组件的作用，通过顶杆克服活门波纹管的预压力将平衡活门机构开启，活门处于打开状态，允许空气进入B腔，并由减压器输出口进入过滤器筒体内。随着增压空气的不断输入，减压器输出压力（B腔压力）逐渐升高，此压力作用在调压波纹管组件上，调压波纹管组件逐渐被压缩，使活门开启高度减小，当减压器输出压达到预定值时，活门处于关闭位置，此时减压器无气体输入。若此时B腔内气体有输出消耗，则B腔内压力随之降低，直到调压波纹管组件弹力大于周围气体的压力后，调压波纹管组件伸长，平衡活门机构再次开启，气体重新进入B腔，并维持腔内的压力为某一数值（此数值可以通过调压螺钉预先设定）。
该绝压减压器不同于其它絕压减压器的地方在于以下几点。
（1）此处平衡活门结构在设计时不是通常带滑动密封的活塞结构，而是采用波纹管。波纹管适用于低压减压机构，且灵敏度、精度比较高，结构成熟，能够满足技术指标的要求，避免了动密封的磨损，从而大大提高了减压器的寿命。
（2）该减压器采用的是外调式调压机构。通过调压螺钉调节调压波纹管内的弹簧变形程度来控制弹簧的张力，以调节预先设定的减压器输出压力。此结构方便调节。
绝压减压器特性分析如下：
P入—输入压力；
P出—减压器无输出流量时的输出压力；
P0—调压波纹管内腔压力；
P出’—减压器有输出流量时的输出压力；P1、P2—减压器平衡活门关闭时，调压弹簧与活门弹簧的预调力；
P1’、P2’—减压器平衡活门开启时，调压弹簧与活门弹簧的作用力；
F、f、f活—减压器调压波纹管、活门波纹管及平衡活门的有效面积；
ΔL—平衡活门的开启高度；
L1—调压弹簧变形量；L2—活门弹簧变形量；
K1—调压弹簧刚度；
K2—活门弹簧刚度。
通过对活门的受力平衡分析得出减压器活门处于刚开启位置时，减压器输出压力与输入压力间的关系式为：
（1）
当减压器有流量输出时，活门开启ΔL时，可得：
（2）
由以上两式得出因输入压力和输出流量变化引起输出压力变化的关系式，即减压器的压力特性和流量特性。
（3）
（4）
当活门波纹管的有效面积f等于平衡活门的有效面积时，其特性方程有如下形式：
（5）
（6）
（7）
（8）
其中（5）式为减压器输出压力的调定值；（7）式表明采用平衡活门（f活=f）结构的绝压减压器的输出压力特性，即减压器的输出压力不受入口压力变化的影响，压力特性线的斜率为零；（8）式表明采用平衡活门（f活=f）结构的绝压减压器的流量特性，即在某输入压力条件下，减压器的输出压力随输出流量（ΔL）的增大而减小，输出流量特性的理论斜率为，所以改善减压器流量特性的主要途径方法为增大调压波纹管的有效面积，但F值的增大势必增大减压器的结构尺寸和重量，因此，必须选择合理值。
4 试验与结果
针对上述计算，我们设计了一种可调式绝压调节器，选定减压器主要结构参数为：F=4cm2、f=f活=1.13 cm2、K1=36.4 N/mm、K2=3.6 kg/mm。并对其进行了性能试验。
将以上计算确定的结构参数作为结构设计的依据，设计制造出减压器样件。对其进行压力特性、流量特性试验。
保持输出流量Q出=10 L/min，其压力特性试验结果（见表1）。
保持输入压力△P入=0.7 MPa，其流量特性试验结果（见表2）。
在不同的高度下，保持输入压力△P入=0.7MPa，其压力-流量特性试验结果（见表3）。
由上述表中的实验数据我们可以看出，环境高度的变化对该减压器的减压压力没有影响。
以上试验结果表明该减压器的压力特性和流量特性均能满足设计要求。
参考文献
[1] 肖华军.航空供氧防护装备生理学[M].北京：军事医学科学出版社，2005.
[2] 南京航空学院，北京航空学院.航空个人防护装备[M].北京：国防工业出版社，1982.
[3] 袁修干.高空设备附件设计[M].北京：北京科学教育编辑室出版，1963.