减压器特性实验
1 实验目的
（1）深入了解减压器工作原理及其工作特性。

（2）研究减压器的静态特性，掌握测定减压器静态特性的方法，掌握减压器静态特性的一般规律。

（3）了解减压器的过渡过程压力曲线测定方法，增加对减压器动态特性的感性认识。

2 实验背景
2.1减压器的应用
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。

在航天行业中，减压器可应用于地面设备(包括地面试验设备)、导弹/运载火箭和卫星航天器。

具体而言，减压器可用于：
（1）地面试验吹除系统。

受系统工作压力的限制，此类减压器出口压力较低，精度要求也不是很高，但质量流量大，要求有较好的启动稳定性。

（2）地面试验或弹箭体供气系统。

对于使用气体推进剂的地面发动机试验系统或弹箭体而言，其供气系统中都必须使用到减压器，以保证稳定的压力和流量供应，对减压器的精度!动态特性要求较高。

（3）地面试验或弹箭体液体推进剂输运系统。

减压器为推进剂储箱提供恒定的压力，进而为发动机提供需要的推进剂，其出口压力影响到发动机的工作状态，直接关系到整个系统推进剂供应的准确性与安全性，是影响整个发动机推力稳定性的一个重要因素，因此对减压器精度要求较高。

（4）航天器的姿态和轨道控制。

在卫星、探空火箭、宇航控制系统、空间站对接操纵系统中以及弹体姿态控制系统中的的冷气推进系统中，减压器出口的气体直接送至喷管进行姿态或轨道控制，具有开启次数频繁，流量变化大的特点，对动态特性、工作范围、控制精度、可靠性和寿命都有较高的要求。

（5）提供基准压力或控制其它调节器。

利用减压器出口压力稳定的特点，
将其作为其它压力调节器的基准元件，具有流量小，动态稳定性好的特点。

2.2减压器的工作原理
以图1.1所示的最为典型的直动型减压阀的构造为例简单阐述减压阀的工作原理。

旋转减压阀上方手柄压紧调节弹簧，调节弹簧通过溢流阀座向下压膜片，进而向下压主阀芯杆、主阀芯而打开主阀芯，一次侧入口压缩空气经过主阀芯流向二次侧出口。

这样，二次侧出口由于气体不断流入而压力不断上升，该压力直接作用于膜片下方，推动膜片不断上移，直至与调节弹簧的弹簧力平衡。

此时，膜片不再上升，主阀芯关闭，出口压力稳定。

由此可见，出口压力可由调节弹簧预加弹簧力来设定。

当二次侧出口由于用气导致压力低于设定压力时，膜片下移，主阀芯打开，出口压力上升，反之，出口压力高于设定压力时，膜片上移，主阀芯杆由于与主阀芯固定连接而不再上移，溢流阀打开，出口通过主阀芯杆与溢流阀座间的溢流孔向大气排气，压力下降。

这样，减压阀实现减压与稳压的功能。

图1 直动型减压阀
2.3减压器的分类
减压器按控制方法、阀芯的作用方式、加载方式、输出精度、敏感元件形式、压强的控制规律以及是否卸荷可以进行如下分类：
(1)按控制方法分类
可以分为手动、电动、液压或气动控制减压器。

(2)按阀芯的作用方式和是否卸荷分类
正向式减压器：即高压气体的流动方向与阀芯开启的方向一致。

其结构简单，阀芯上直接受高，低压腔压力作用，具有单调下降的工作特性，当进口压力变化大时低压压力偏差大，适用于小流量和稳压精度不高的情况。

逆向式减压器：即高压气体的流动方向与阀芯的开启方向相反。

其结构简单，具有先上升后下降的特性，适用于大流量的减压器。

当阀芯面积与敏感元件面积之比很小时，也可达到较高的稳压精度。

卸荷正向式减压器：为了维持被调压力不变而达到稳定流量的能力，减压器设计成控制流量的方式，增加了高压的卸荷装置。

其阀芯的开启方式同正向式减压器，具有精度高、流量大的特点。

但是结构复杂。

卸荷逆向式减压器：为了维持被调压力不变而达到稳定流量的能力，减压器设计成控制流量的方式，增加了高压的卸荷装置。

其阀芯的开启方式同逆向式减压器，具有精度高、流量大的特点，但是结构复杂。

(3)按敏感元件分类
膜片式减压器：采用膜片作为敏感元件，灵敏度高，没有运动部件之间的摩擦，但抗干扰性差，承压能力低。

膜片的种类一般采用铜、不锈钢、复合材料等制作。

一般适用于中低压、小流量的情况。

活塞式减压器：活塞作为敏
感元件，阻尼和运动行程比较
大，耐高压，抗干扰、抗振能力
较强，但控制精度较低。

一般适
用于高压、大流量的场合。

膜盒式减压器：一般用于低
压大流量情况。

(4)按压强的控制规律分类
可以分为定值减压器、定差
减压器及定比减压器。

图2 弹簧式无卸荷逆向减压器简图
2.4减压器特性
减压器的特性主要是指静态特性和动态特性。

其中静态特性包含流量特性和压力特性两个方面。

作为减压阀的表征特性，流量特性与压力特性两大静特性被经常使用，并通常在产品样本中给出。

流量特性是表示流量与出口压力关系的曲线。

在关闭二次侧出口流路使流量为零时设定出口压力后，逐渐打开二次侧出口流路增加流量，测量此过程中的出口压力和流量即可得此曲线。

显然，流量特性曲线越水平越好，即减压器输出压力受流量影响越小越好。

压力特性是表示入口压力变动时出口压力变化的曲线，减压器出口压力和入口压力的变化趋势正好相反。

减压器的动态特性是是指减压器的出口压力偏离给定值后，减压器会自动恢复到给定值的过程。

3 实验系统
减压器特性实验系统原理图如图3
图3 减压器特性试验系统原理图
图种各部件为：1）、大气瓶（气源）2）、大气瓶手阀3）、小气瓶手阀4）、气路总阀5）、高压节流阀6）、检测压力表7）、减压器前压力表8）、减压器前压力传感器9）、减压器10）、减压器后压力表11）、减压器后压力传感器12）、电磁阀13）、支路压力传感器14）、支路温度传感器15）、音速喷嘴16）、流量计17）、消声器18）、小气瓶19）、放气手阀。

实验系统的主要硬件参数：
1)气源：
主气源采用40L标准氮气瓶组，共有10只，用汇流排将各个气瓶链接。

气源压强在6MPa～13MPa之间，具体数值可根据需要调节。

此外系统中还有一个5L的氮气瓶作为小气源，主气源可以给小气源充气，而且充气的压强可根据需要精确控制。

!! 为了安全起见，小气源的最高压强不能高于10MPa。

2)气源管路：
气源管路的部件列表
3)操作台管路
操作台面板
面板上的压力表与阀门在管路图中的对应位置
4)音速喷嘴尺寸
音速喷嘴用于流量的精确控制，可以看作是处于雍塞状态下的拉瓦尔喷管。

在流量计算时，考虑到流动损失，选取90%的流量效率，即实际流量是理论流量的90%。

流量计算时需要知道音速喷嘴中工质的总温，可从音速喷嘴前测得。

音速喷嘴的设计结构如下：
本实验中总共实用了3个音速喷嘴，其喉部尺寸见下表：
5)自动阀
在操作台上共使用了3个电磁阀，分别安装在三个音速喷嘴前，可以在调好减压器前后的压力设置后，在打开电磁阀，开始排气过程。

6)可测数据与传感器
操作台上有5块压力表，5路压力测量点，3路温度测量点，供气管路上有
2块压力表。

统计如下：
7)测控软件
Labview SignalExpress for DAQ 2012
4 实验方案
本实验为自主研究型实验，要求每组学生根据减压器特性的定义，并结合具体的实验条件，来设计具体的实验方案和实验内容，经可行性讨论分析后，制定详细的实验操作步骤，并自主完成实验过程，获取实验数据，提交实验报告。

5 注意事项
实验后必须关闭气路总阀，打开放气手阀和低压调节阀。

6 实验报告要求
1、计算出各组实验的质量流量。

2、做出各组静态特性曲线。

分析它们之间区别，指出原因。

3、在坐标上画出各组动态特性曲线，并指出何种振荡。

4、静态特性的理论计算与实验结果有何区别，试分析其原因。