液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)器路單向閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

雷 恒，賈景衛(wèi)，謝 寧

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用低溫推進(jìn)劑，其貯箱增壓采用自身增壓方式[1]：發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)器路從低溫推進(jìn)劑泵出口引出一股推進(jìn)劑，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)器后將推進(jìn)劑蒸氣輸入推進(jìn)劑貯箱，用于推進(jìn)劑貯箱的增壓，給推進(jìn)劑貯箱一個(gè)的正壓以避免泵的汽蝕；而在發(fā)動(dòng)機(jī)工作前，蒸發(fā)器路不允許泄漏。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)器路中設(shè)置一單向閥。

在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，蒸發(fā)器路推進(jìn)劑流量系統(tǒng)要求值減小。在發(fā)動(dòng)機(jī)試車中，由于蒸發(fā)器路單向閥調(diào)整流量為新調(diào)整值，已小于單向閥最初設(shè)計(jì)流量，發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)單向閥閥芯出現(xiàn)顫振，從而在發(fā)生器氧系統(tǒng)引入了脈動(dòng)激勵(lì)源，并形成了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的耦合振蕩，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)大幅增加，導(dǎo)致試車中止。為了驗(yàn)證單向閥流路自激振蕩特性，試車后進(jìn)行了液流模擬試驗(yàn)。在一定進(jìn)出口壓力條件下，復(fù)現(xiàn)了單向閥的顫振狀態(tài)，系統(tǒng)出現(xiàn)了頻率為732 Hz的振動(dòng)。單向閥上的振動(dòng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)管振動(dòng)，分析認(rèn)為732 Hz振動(dòng)是由單向閥顫振引起的。試車后分解發(fā)現(xiàn)單向閥閥芯配合圓柱面及密封端面磨損嚴(yán)重，與試驗(yàn)及分析結(jié)果一致。

為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)器路新的流量要求，需對(duì)蒸發(fā)器路單向閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)適應(yīng)性優(yōu)化改進(jìn)。

1 單向閥工作原理

單向閥位于發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)器路，結(jié)構(gòu)見圖1，主要由閥芯、彈簧及殼體組成。當(dāng)入口壓力升高時(shí)，閥芯向右運(yùn)動(dòng)，走完行程后與殼體接觸限位，推進(jìn)劑經(jīng)單向閥入口、閥座節(jié)流處、閥芯小孔，從出口流至氧蒸發(fā)器。

圖1 單向閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of check valve

2 問(wèn)題原因分析

2.1 AMEsim軟件簡(jiǎn)介

AMESim全稱為Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems，是法國(guó)IMAGINE公司開發(fā)的高級(jí)工程仿真系統(tǒng)，是一個(gè)圖形化的開發(fā)環(huán)境，用于流體、機(jī)械、控制、電磁等工程系統(tǒng)建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析。AMESim具有豐富的模型庫(kù)，用戶可以采用基本元素法，按照實(shí)際物理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建自定義模塊或仿真模型，而不需要去推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，使得工程師從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái)，從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)[2]。

2.2 單向閥AMEsim建模

AMESim軟件在操作上簡(jiǎn)單方便，主要經(jīng)過(guò)4個(gè)步驟：1)Sketch草圖模式下搭建系統(tǒng)模型；2)Submodels子模型模式下為系統(tǒng)元件選擇合適的數(shù)學(xué)模型；3)Parameters參數(shù)模式下為圖形模型設(shè)置參數(shù)；4)Simulation仿真模式下運(yùn)行仿真系統(tǒng)[3]。根據(jù)AMESim中液壓庫(kù)及HCD庫(kù)中各個(gè)模塊的特性，對(duì)單向閥進(jìn)行建模，并搭建試驗(yàn)系統(tǒng)模型，如圖2所示。AMESim仿真的關(guān)鍵就是模型的選取和參數(shù)的設(shè)置[4-5]。該單向閥的參數(shù)如表1所示。

圖2 單向閥AMEsim模型Fig.2 AMEsim model of check valve

2.3 仿真分析

將輸入信號(hào)設(shè)為0.18 kg/s的恒流源信號(hào)，對(duì)單向閥模型進(jìn)行仿真計(jì)算。取仿真時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)0.01 s，得到單向閥閥芯行程和壓降的變化曲線，如圖3所示?？梢钥闯?，閥芯已無(wú)法達(dá)到全開狀態(tài)，在0.2 mm左右顫振，單向閥壓降也隨之出現(xiàn)波動(dòng)。說(shuō)明單向閥已不能適應(yīng)新流量要求，在0.18 kg/s流量下，流體作用在閥芯上的力已經(jīng)無(wú)法克服彈簧力，閥芯出現(xiàn)了顫振。

表1 模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters ofmodel

圖3 單向閥行程及壓降計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculated results of spool stroke and pressure drop of check valve

3 單向閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)要求，單向閥流量由原來(lái)的0.34 kg/s減小至0.18 kg/s，流量減小后單向閥壓降也隨之減小。為保證閥芯打開后克服彈簧力，在單向閥打開壓力保持不變、入口通徑不作調(diào)整的情況下，應(yīng)增大單向閥壓降，可通過(guò)減小單向閥流通面積、提高介質(zhì)流速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)流阻計(jì)算公式，按下式確定閥芯行程及閥芯小孔過(guò)流面積及小孔直徑：

式中：Si為改進(jìn)后單向閥流通面積，mm2；Q為改進(jìn)后單向閥流量，kg/s；Q0為改進(jìn)前單向閥流量，kg/s；S0為改進(jìn)前單向閥流通面積，mm2；S1為單向閥閥芯節(jié)流處面積，mm2；D為單向閥通徑，mm；h為閥芯行程，mm；S2為閥芯小孔面積，mm2；n為閥芯小孔個(gè)數(shù)；d為閥芯小孔直徑，mm。

3.2 仿真分析

通過(guò)計(jì)算，閥芯行程應(yīng)減小為1.5 mm，閥芯小孔直徑應(yīng)減小至2 mm，為進(jìn)一步提高閥芯打開后的穩(wěn)定性，擬將閥芯小孔直徑減小為1.5 mm。對(duì)改進(jìn)后單向閥進(jìn)行仿真計(jì)算，得到流量為0.18 kg/s閥芯行程曲線，見圖4。

圖4 改進(jìn)后單向閥閥芯行程計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculated result of spool stroke of improved check valve

可以看出，閥芯行程為1.5 mm，小孔直徑減小為1.5 mm和2 mm后閥芯打開穩(wěn)定，未出現(xiàn)顫振。小孔直徑為1.5 mm時(shí)，閥芯行程為1.5 mm，閥芯處于全開狀態(tài)；小孔直徑為2 mm時(shí)，閥芯行程為0.5 mm，處于半開狀態(tài)，此時(shí)單向閥閥芯沒有和殼體接觸限位，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，將閥芯小孔直徑減小為1.5 mm。

對(duì)改進(jìn)后單向閥（閥芯行程1.5 mm，閥芯小孔直徑1.5 mm）進(jìn)行液流試驗(yàn)仿真分析：給單向閥入口通入 0.14，0.16，0.18，0.2，0.24，0.28，0.32，0.36及0.4 kg/s的流量，計(jì)算單向閥壓降及閥芯行程，見圖5。

圖5 改進(jìn)后單向閥閥芯行程及壓降計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculated results of spool stroke and pressure drop of improved check valve

可以看出，改進(jìn)狀態(tài)的單向閥在流量0.14～0.4 kg/s范圍內(nèi)，閥芯行程為1.5 mm，均處于全開狀態(tài)，未出現(xiàn)顫振；單向閥壓降穩(wěn)定，未出現(xiàn)波動(dòng)。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)單向閥液流試驗(yàn)要求，對(duì)改進(jìn)后單向閥產(chǎn)品進(jìn)行了液流試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品入口分別通入0.14，0.16，0.18，0.2，0.24，0.28，0.32，0.36 及0.4 kg/s的流量，保證產(chǎn)品出口壓力恒定，測(cè)量單向閥壓降。試驗(yàn)中單向閥壓降穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算單向閥流阻系數(shù)，均為0.05，說(shuō)明試驗(yàn)中單向閥閥芯穩(wěn)定，未出現(xiàn)顫振[6]。

表2 改進(jìn)后單向閥液流試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of liquid flow testing for improved check valve

將仿真計(jì)算結(jié)果與液流試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表2。計(jì)算數(shù)據(jù)與液流試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在-8.3%～1.9%。

4 結(jié)論

采用AMEsim軟件對(duì)蒸發(fā)器路單向閥進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明通過(guò)減小閥芯行程和閥芯小孔直徑可以防止閥芯打開后出現(xiàn)顫振。改進(jìn)后單向閥產(chǎn)品在進(jìn)行液流試驗(yàn)合格后，參加了發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車考核，試車過(guò)程中單向閥工作正常，說(shuō)明蒸發(fā)器路單向閥改進(jìn)措施合理有效。

[1]G P薩頓.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)[M].洪鑫,張寶炯,譯.北京:科學(xué)出版社,2003.

[2]IMAGINE.AMESim user manual[M/OL].[2011-03-03].www.cadfamily.com/downinfo/304437.html.

[3]付永領(lǐng).AMEsim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[4]馮曉迪.液壓閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)回路仿真研究[J].流體傳動(dòng)與控制,2009,35(4):12-14.

[5]趙雙龍.調(diào)節(jié)閥特性研究[J].火箭推進(jìn),2010,36(2):40-42，52.

[6]王定軍,袁洪濱,董苑.貯箱充填過(guò)程仿真和分析[J].火箭推進(jìn),2008,34(1):23-25.