高壓大流量氫氣穩(wěn)壓技術在試驗中的研究與應用

宋晶晶，趙洪波，孫 德，劉瑞敏

（北京航天試驗技術研究所，北京100074）

0 引言

某發(fā)動機是新一代運載火箭芯二級發(fā)動機，根據其研制計劃，需要進行渦輪泵低溫介質試驗。根據《氫渦輪泵介質試驗任務書》的要求，試驗包括兩種低壓工況，兩種高壓工況。其中，在高壓工況中，氫氣流量、壓力較以往發(fā)動機渦輪泵介質試驗有很大幅度的提高。以往發(fā)動機氫泵試驗渦輪入口壓力約為3.768 MPa，流量約為0.733 kg/s；目前發(fā)動機氫泵試驗氫渦輪入口最大壓力要求為8.744 MPa，最大流量要求為2.140 kg/s。為了滿足后者的試驗要求，地面工藝系統(tǒng)需要模擬發(fā)動機氫渦輪氣氫的真實壓力和流量參數(shù)，于是這種高壓、大流量氫氣介質穩(wěn)壓技術在試驗中的應用研究成為了氫吹工藝系統(tǒng)設計優(yōu)先要解決的問題。

1 高壓大流量穩(wěn)壓技術的研究

目前試驗臺應用比較成熟、可靠的穩(wěn)壓方法是采用高壓大流量減壓器與噴嘴串聯(lián)工藝，通過減壓器穩(wěn)定噴嘴前壓力，而噴嘴主要提供滿足試驗要求的氣氫流量。針對此次試驗中氫吹渦輪入口流量的提高，工藝系統(tǒng)設計擬采用減壓器并聯(lián)再與噴嘴組串聯(lián)的穩(wěn)壓方式，而這種工藝技術應用在新型號發(fā)動機試驗中還需要進一步的分析和研究，以確保試驗以及流量控制的的可靠性。

本文從以下兩個方面進行分析。首先，如何保證減壓器并聯(lián)輸出參數(shù)的穩(wěn)定性。大流量減壓器并聯(lián)使用可能會存在相互干擾現(xiàn)象，產生很大的振動，從而對減壓器的膜片造成沖擊，導致減壓器失效。其次，噴嘴設計生產廠家對其產品的標定在常溫低壓空氣介質條件下，采用抽空法進行的，而在發(fā)動機氫泵試驗中，噴嘴需在氫氣介質高壓常溫條件下進行流量控制，那么如何保證氫氣流量控制的準確性成為試驗的另一難點。

1.1 減壓器并聯(lián)穩(wěn)定性的研究

1.1.1 WS34-001減壓器的工作原理

氫吹工藝系統(tǒng)選用WS34-001減壓器，其進口壓力15～23 MPa，出口壓力1～15 MPa空氣介質的最大流量20 kg/s，屬于氣動彈簧活塞膜片式氣體減壓閥。它是通過啟閉件的節(jié)流，將進口壓力降至某一需要的出口壓力，并能在進口壓力及流量變動時，利用本身介質能量保持出口壓力基本不變。

如圖1所示：氣源PN1進入A腔，操作調壓氣管路閥門，使C腔充達一定氣壓，即關閉調壓氣管路閥門，膜片克服彈簧力頂起活門，氣源PN1經活門間的縫隙中進入出口腔，同時作用于膜片，減少活門的開啟度，直至平衡。此時B腔內氣壓即PN2輸出壓力。

如圖2所示，此減壓閥有三個進口和三個出口，上蓋的小接管嘴接出口壓力表。下蓋的兩個小接管嘴任意一個為調壓氣進口，調壓氣管路上應有排氣口，防止由于調壓氣壓力過高而使出口壓力過高時排氣降壓；另一個小接管嘴與上蓋的安全閥相連。

1.1.2 減壓器并聯(lián)穩(wěn)定性試驗

由于每臺減壓器的各種配件存在差異，裝備狀態(tài)不可能完全一樣。所以，即使在減壓器入口壓力、操縱腔壓力一致的情況下，減壓器出口壓力仍會產生較大差異。試驗表明：如果并聯(lián)減壓器的輸出特性不相匹配，那么系統(tǒng)的干擾就會有發(fā)散的趨勢，壓力波動較大；如果因此進入不穩(wěn)定狀態(tài)，壓力波動會越來越大，嚴重時會把連接法蘭震松。因此，在并聯(lián)使用前，對單臺減壓器做輸出壓力穩(wěn)定性試驗，選取性能相近、穩(wěn)定性好的減壓器并聯(lián)使用是確保試驗系統(tǒng)可靠性的關鍵所在。

綜上所述，對減壓器的穩(wěn)定性進行了試驗測試，其試驗系統(tǒng)如圖3所示。試驗系統(tǒng)由氣瓶、手動截止閥、氣動球閥、過濾器、壓力表以及孔板組成。此次試驗分別對四臺減壓器進行靜態(tài)及動態(tài)測試，給氣瓶充氣20 MPa，打開氫氣源總閥，調整WS34-001減壓器，使其出口壓力為11 MPa，當減壓器入口壓力依次降至19 MPa、17 MPa、15 MPa、14 MPa時，分別記錄減壓器出口壓力值，此外，每當壓力降至19 MPa、17 MPa、15 MPa、14 MPa時，關閉噴嘴前的氣動球閥，待30 s后記錄減壓器出口壓力即零流量減壓器的出口壓力，觀察減壓器工作狀態(tài)。

如表1所示，減壓器Ⅲ和減壓器Ⅳ的輸出特性較為相近，且減壓器動態(tài)壓力值在減壓器調整值上下0.2 MPa左右擺動，說明減壓器性能好，輸出穩(wěn)定，可在系統(tǒng)上并聯(lián)使用。減壓器Ⅰ的輸出穩(wěn)定性相對較好，可作為備份使用。而減壓器Ⅱ動態(tài)壓力值與減壓器調整值相差0.5 MPa左右，其輸出穩(wěn)定性相對差些，不易并聯(lián)使用。

表1 減壓器穩(wěn)定性試驗數(shù)據Tab.1 Test data of pressure reducer stability MPa

在上述試驗的基礎上，為了進一步驗證并聯(lián)使用減壓器的動態(tài)特性，將減壓器Ⅲ和減壓器Ⅳ以并聯(lián)的方式在系統(tǒng)上使用，其試驗數(shù)據如表2所示。

在試驗過程中，兩臺減壓器并聯(lián)使用未發(fā)生相互干擾現(xiàn)象，也沒有產生很大的振動，其壓力表指針基本保持不動狀態(tài)。而且，從減壓器并聯(lián)的試驗數(shù)據可以看出：并聯(lián)后的出口壓力與其中較大的出口壓力相同。因此可以說明這兩臺減壓器并聯(lián)工作性能穩(wěn)定，滿足進一步試驗的要求。

表2 減壓器并聯(lián)穩(wěn)定性試驗數(shù)據Tab.2 Test data of pressure reducers installed in parallel MPa

通過以上兩組試驗確定了適用于并聯(lián)且穩(wěn)定性良好的減壓器組合，解決了大流量穩(wěn)壓技術的一個關鍵問題，為氫吹工藝系統(tǒng)設計奠定了良好的基礎。

1.2 在試驗工況下臨界流文丘里噴嘴流量控制準確性的研究

1.2.1 在試驗工況下臨界流文丘里噴嘴流量系數(shù)的修正

噴嘴制造廠家給出的流量系數(shù)是以低壓空氣為標定介質取得的，而目前試驗的介質為高壓氫氣，應對標定的流量系數(shù)重新進行修正，否則將影響氫氣流量控制的準確性。所以，根據噴嘴產品檢定書及相關規(guī)范要求，對以空氣為檢定介質的流量系數(shù)進行修正，其修正過程如下：

根據《噴嘴產品使用說明書》中給出的流量公式：

式中：qm為通過文丘里噴嘴的氣體流量，kg/s；p0為文丘里噴嘴前的滯止壓力，Pa；T0為文丘里噴嘴前的滯止溫度，K；K為流量系數(shù)；Z為通過文丘里噴嘴氣體的壓縮系數(shù)。

式中：K0為與標定介質成分有關系數(shù)；Cd0為空氣標定時流出系數(shù)（制造單位給出恒定值）；ΔCd為與通過噴嘴雷諾數(shù)有關系數(shù)；

根據ISO9300－2005(E)中的規(guī)定：

式中：Rent為在實際使用時氣體通過噴嘴喉部雷諾數(shù)。當標定介質不是空氣以及溫度、壓力遠離標定狀態(tài)時，K0按下式計算：

式中：K01為以空氣為介質標定時制造單位給出的系數(shù)；k為被標定介質的比熱比；R為被標定介質的氣體常數(shù)。

式中：d為噴嘴喉部的直徑，m；μ為氣體的動力粘度，Pa s；p1為測得的音速噴嘴前靜壓，Pa；T1為測得的音速噴嘴前靜溫度，K。

那么，試驗工況下氫氣流量的計算過程是：由實測噴嘴入口氫氣壓力p1、溫度T1確定熱力學參數(shù)k和μ；根據公式 (5)計算出在試驗時氫氣通過噴嘴喉部雷諾數(shù)，從而求得參數(shù)ΔCd；以空氣為介質標定噴嘴獲得的系數(shù)K01和Cd0，代入公式 (4)和公式 (2)求出流量系數(shù)K；由于噴嘴前壓力、溫度測點按照相關規(guī)范進行安裝，用靜壓、靜溫代替滯止壓力、滯止溫度的誤差較小，可以近似認為p1≈p0，T1≈T0；將K，p1和T1代入公式 (1)求出試驗工況下的氫氣流量。

表3 噴嘴氫氣流量換算公式Tab.3 Reduction formulas for gas flow of nozzles

由于此次試驗包括4種工況，工藝系統(tǒng)設計采用3只噴嘴并聯(lián)完成不同工況下的試驗要求，根據以上換算過程，3只噴嘴的氫氣流量換算公式如表3所示。

1.2.2 臨界流文丘里噴嘴流量測量不確定度評定

氫吹系統(tǒng)設計采用臨界流文丘里噴嘴作為氫氣流量控制及測量元件，而影響臨界流文丘里噴嘴測量氫氣流量的不確定度因素有：噴嘴流出系數(shù)、噴嘴前滯止壓力測量、噴嘴前滯止溫度測量、流出系數(shù)的修正、由標定空氣轉換成氫氣的換算公式。文丘里噴嘴流量測量不確定度分析如表4所示。

表4 音速文丘里噴嘴流量測量不確定度Tab.4 Uncertainty of flow measurement of sonic Venturi nozzles

1)流出系數(shù)C的不確定度μr(c)

按檢定規(guī)程要求，在95%的置信概率下，U=0.2%。因測量次數(shù)為6，ta=2.45，則μr(c)=U/ta=0.082%。

2)噴嘴前滯止壓力的不確定度μr(p0)

3)噴嘴前滯止溫度的不確定度μr(T0)

溫度傳感器允許誤差為±0.2 K，氣體溫度為290K，按矩形分布，則

4)流出系數(shù)ΔTd修正引入的不確定度μr(ΔCd)

通過計算得出Rent相對不確定度μr(Rent)=0.1%，取 Rent范圍是 1.5×105～2×107，由此計算出修正過的流出系數(shù)的相對不確定度μr(ΔCd)=0.002%。

5)由標定空氣轉換成氫氣的換算公式的不確定度μr(Cth)

估計該經驗公式本身帶來的不確定度μr(Cth)=0.05%。

根據不確定度傳播律，合成方差：

合成標準不確定度為0.16%，擴展不確定度為0.32%，k=2。

通過對在試驗工況下臨界流文丘里噴嘴流量測量不確定度的評定表明：流量系數(shù)修正后的噴嘴具有足夠的精度進行流量測量，并且其不確定度滿足《氫渦輪泵介質試驗任務書》中提出流量測量不確定度小于0.5%的要求。

2 高壓大流量穩(wěn)壓技術的應用

2.1 氫吹系統(tǒng)的設計

氫吹系統(tǒng)主要由氫氣瓶、手動截止閥、過濾器、壓力表、減壓器以及噴嘴組組成。系統(tǒng)采用減壓器并聯(lián)的方式為噴嘴組提供大流量穩(wěn)壓的氫氣，減壓器出口與噴嘴組相連，噴嘴組由3個不同喉部直徑的噴嘴構成，主要為試驗提供滿足要求氣氫的流量，系統(tǒng)原理如圖4所示。

根據任務書要求要進行兩次高工況的試驗。而兩次高工況下，氫吹渦輪入口壓力分別為8.744 MPa、5.618 MPa；氫渦輪氣氫流量分別為2.140 kg/s、1.542 kg/s。針對這種高壓、大流量，系統(tǒng)同時使用減壓器1和減壓器2并將高工況下的額定流量分配給兩個音速噴嘴（噴嘴1和噴嘴2）進行流量控制，它們流量的分配關系分別為額定流量的40%和額定流量的60%，噴嘴的喉部直徑分別為Φ12.775 mm和Φ15.639 mm。此外，為了避免減壓器在高壓大流量工作狀態(tài)時產生振動，對減壓器結構造成破壞，系統(tǒng)先啟動小流量的音速噴嘴3，啟動穩(wěn)定后，關閉小流量的音速噴嘴3，同時逐級啟動40%和60%的音速噴嘴。

管道與噴嘴為法蘭連接，3個噴嘴出、入口管道的內徑為65 mm，分別大于3個噴嘴喉部直徑d的4倍，安裝時與3個噴嘴中心線的同軸度保持在±1.3 mm之內。3個噴嘴前安裝壓力測點和溫度測點，在距噴嘴入口平面58.5～71.5 mm處的管壁取壓力口測量上游靜壓，在距噴嘴入口平面117～143 mm處的管壁取溫度口測量上游靜溫，此外，在距擴散段出口平面下游32.5 mm處的管壁取壓力口，測量下游壓力以檢測是否達到臨界流動。

2.2 試驗結果

對于雷諾數(shù)大于2×105，出口錐體長度大于d的噴嘴，允許最大壓力比(p2/p0)max與擴散錐體面積比A2/Ant的關系見圖5。

由于3個噴嘴出口面積大于4倍的喉部面積，從圖5可以看出：當擴散錐體面積比為4，而氣體的比熱比k在1.4左右時，噴嘴的最大允許背壓比接近0.9，而由表5可以看出：兩次高工況試驗噴嘴的背壓比小于0.8，說明在高工況下試驗時，噴嘴喉部的流速達到了音速。

為檢測系統(tǒng)設計的合理性與可靠性，表5給出了在試驗工況下噴嘴流量測量數(shù)據。由表5可以看出：在高工況1試驗中，噴嘴組的總流量為1.553 kg/s，噴后壓力為5.696 MPa，而試驗要求流量1.542 kg/s，噴后壓力5.618 MPa；在高工況2試驗中，噴嘴組的總流量為2.153 kg/s，噴后壓力8.998 MPa，而試驗要求流量2.140 kg/s，噴后壓力8.744 MPa，兩種工況下流量偏離任務要求值分別為0.71%和0.60%，壓力偏離任務要求值分別為2.9%和1.4%。依據《氫渦輪泵介質試驗任務書》要求，其試驗值流量在1%范圍之內，壓力在5%范圍之內。試驗結果很好的吻合了高工況的試驗要求。由此表明：該氫吹系統(tǒng)設計是合理的，高壓大流量穩(wěn)壓技術在氫吹系統(tǒng)中得到了較好的應用。

表5 在試驗工況下噴嘴流量測量數(shù)據Tab.5 Measured data of nozzle flow under working condition of test

3 結論

1)通過減壓器穩(wěn)定性試驗，確定了適用于并聯(lián)且穩(wěn)定性良好的減壓器組合，解決了高壓大流量減壓器WS34-001并聯(lián)使用時存在的相互干擾現(xiàn)象，以及由其引起系統(tǒng)振動問題，并得出：當WS34-001減壓器動態(tài)壓力值在減壓器調整值上下0.2MPa左右擺動時，減壓器性能好，輸出穩(wěn)定，可以并聯(lián)使用，并聯(lián)后的出口壓力與其中較大的出口壓力相同。

2)對臨界流文丘里噴嘴在空氣介質下標定的流量系數(shù)進行了修正，確保了噴嘴測量高壓氫氣流量的精度，通過在試驗工況下噴嘴流量測量不確定度分析表明：流量系數(shù)修正后的噴嘴進行氫氣流量測量的不確定度滿足《氫渦輪泵介質試驗任務書》中提出流量測量不確定度小于0.5%的要求。

3)減壓器組與噴嘴組串聯(lián)的高壓大流量穩(wěn)壓技術在氫吹系統(tǒng)得到較好的應用，試驗結果很好的吻合了高工況的試驗要求，說明基于這種高壓大流量穩(wěn)壓技術的氫吹系統(tǒng)設計是合理、可靠的，同時為后續(xù)高壓大流量試驗提供了更好的技術支持和實踐基礎。

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