助推分離對氧泵工作特性影響的模擬試驗(yàn)

李 建，安 陽，石文靚

(北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

渦輪泵作為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組件，渦輪泵性能對發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能影響較大[1]。當(dāng)離心泵內(nèi)局部區(qū)域的靜壓小于當(dāng)?shù)販囟认乱后w飽和蒸汽壓，該處的液體即產(chǎn)生氣泡，氣泡隨著液流進(jìn)入高壓區(qū)，重新凝結(jié)并出現(xiàn)水擊現(xiàn)象的全過程被稱為泵的氣蝕[2-4]。

離心泵發(fā)生氣蝕時(shí)，推進(jìn)劑中出現(xiàn)大量的氣泡，使得原本連續(xù)的流體出現(xiàn)流動(dòng)間斷問題，流體流動(dòng)方向開始發(fā)生變化，打亂了原來流場的流態(tài)，加大了流動(dòng)中的能量損失，引起離心泵效率的下降。當(dāng)氣泡被帶到高壓區(qū)，氣泡會(huì)迅速潰滅，流體質(zhì)點(diǎn)間的碰撞和對離心泵組件不斷沖擊，會(huì)在離心泵內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)沖擊，并伴隨高頻率的振動(dòng)，氣蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起離心泵損壞。尤其當(dāng)氣蝕產(chǎn)生的振動(dòng)同發(fā)動(dòng)機(jī)其他組件自振頻率相近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振引起發(fā)動(dòng)機(jī)其他組件的破壞。低溫推進(jìn)劑氣蝕是一種溫度更接近飽和溫度的流體氣蝕，同常溫流體相比，低溫流體液氣密度比小兩個(gè)數(shù)量級，為了維持氣蝕區(qū)壓力平衡，更多的低溫流體會(huì)被氣化，同時(shí)伴有大量的氣化潛熱轉(zhuǎn)化，會(huì)產(chǎn)生更明顯的壓降[5-9]。

綜上所述，氣蝕可能會(huì)引起泵性能降低，部件腐蝕、結(jié)構(gòu)振動(dòng)，嚴(yán)重影響了泵的性能和工作可靠性?；鸺w行過程中，助推發(fā)動(dòng)機(jī)分離時(shí)，芯級發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵入口壓力快速下降，雖然持續(xù)時(shí)間較短，但有可能會(huì)引起氧泵的氣蝕。所以對氧泵氣蝕特性的研究對保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作很有必要。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作是一個(gè)多組件組合、多學(xué)科融合、多狀態(tài)耦合的熱力學(xué)過程。仿真手段具有花費(fèi)少、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但建模過程中存在簡化，無法模擬真實(shí)的工作過程[10-15]。單獨(dú)的離心泵氣蝕試驗(yàn)無法全面地考慮發(fā)動(dòng)機(jī)組件之間的相互影響。因此搭載發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車進(jìn)行氧泵氣蝕特性研究，可以更為準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)狀態(tài)下短暫氣蝕對氧泵和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

氧泵氣蝕研究試驗(yàn)搭載試車的發(fā)動(dòng)機(jī)為燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙渦輪泵并聯(lián)結(jié)構(gòu)，液氫由氫泵增壓后，一部分液氫進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器，另一部分經(jīng)過推力室冷卻夾套后進(jìn)入推力室。液氧由氧泵增壓后，一部分液氧進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器，另一部分進(jìn)入推力室氧頭腔。發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生燃?xì)夥謩e驅(qū)動(dòng)氫氧渦輪，做功后分別從渦輪排氣管排出。發(fā)動(dòng)機(jī)液路和氣路的流量分別由汽蝕管和音速噴嘴控制。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of hydrogen/oxygen rocket engine with gas-generator cycle

1.2 氧箱增壓系統(tǒng)

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)試車氧箱增壓系統(tǒng)示意圖。氧路增壓系統(tǒng)由16 MPa高壓氮?dú)馄?、增壓閥1、增壓閥2、4個(gè)支路增壓閥、4個(gè)氣流噴嘴、氧貯箱和連接管路組成。增壓閥1、增壓閥2的作用是打開和切斷增壓氣源，該處采用冗余設(shè)計(jì)，防止其中一個(gè)閥門失效后無法及時(shí)切斷增壓氣。下游分為4條支路，每條支路都有一個(gè)氣流噴嘴和支路增壓閥，通過控制增壓氣流量來控制氧貯箱增壓的速度。4條支路的增壓氮?dú)鈪R總后進(jìn)入液氧貯箱，擠壓液氧供給發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 氧箱增壓系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of oxygen tank pressurization system

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車時(shí)，通過關(guān)閉液氧貯箱增壓閥1和增壓閥2，切斷貯箱增壓氣源，逐漸降低氧泵入口壓力的方式，使氧泵逐步進(jìn)入氣蝕狀態(tài)。共進(jìn)行了2組4次整機(jī)狀態(tài)下氧泵氣蝕研究試驗(yàn)。

1.3.1 氧泵氣蝕試驗(yàn)

進(jìn)行了2次氧泵氣蝕試驗(yàn)(試驗(yàn)代號：試驗(yàn)A和試驗(yàn)B)，試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^搭載整機(jī)試驗(yàn)獲取真實(shí)介質(zhì)下氧泵發(fā)生氣蝕時(shí)，氧泵主要參數(shù)的變化情況。為了避免氧泵氣蝕過度發(fā)展造成氧泵結(jié)構(gòu)破壞，設(shè)置了氣蝕緊急關(guān)機(jī)條件。

1.3.2 氧泵氣蝕恢復(fù)試驗(yàn)

進(jìn)行了2次氧泵氣蝕恢復(fù)試驗(yàn)(試驗(yàn)代號：試驗(yàn)C和試驗(yàn)D)，試驗(yàn)?zāi)康氖强己搜醣媒?jīng)過短暫氣蝕隨后脫離氣蝕的工作特性。與氧泵氣蝕試驗(yàn)的區(qū)別主要體現(xiàn)在氧泵氣蝕后的處理方式，氣蝕試驗(yàn)氧泵氣蝕后不做處理直至發(fā)動(dòng)機(jī)觸發(fā)氣蝕緊急關(guān)機(jī)條件，結(jié)束試驗(yàn)。而氣蝕恢復(fù)試驗(yàn)通過新增的氧泵氣蝕增壓判據(jù)，用以識別氧泵是否進(jìn)入氣蝕狀態(tài)，當(dāng)識別氧泵進(jìn)入氣蝕狀態(tài)后，觸發(fā)氧箱增壓條件對氧箱增壓至額定狀態(tài)，使氧泵脫離氣蝕狀態(tài)，穩(wěn)定工作至主級正常關(guān)機(jī)。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)視條件設(shè)置

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)地面試驗(yàn)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高費(fèi)用、時(shí)間短、故障發(fā)展迅速等特點(diǎn)。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障可能在極短的時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展，造成災(zāi)難性后果。由于故障發(fā)展極其迅速，試驗(yàn)臺操作員沒有足夠時(shí)間進(jìn)行判斷，往往無法采取有效措施[16]。目前大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺測量系統(tǒng)包括推力測量、壓力測量、轉(zhuǎn)速測量、溫度測量、振動(dòng)測量等多種測量手段，試驗(yàn)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[17-18]。為了能在故障發(fā)生時(shí)，及時(shí)有效識別并進(jìn)行關(guān)機(jī)保護(hù)，在進(jìn)行試驗(yàn)前，需要選取若干關(guān)鍵測量參數(shù)設(shè)置自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)條件，對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本文在進(jìn)行緊急關(guān)機(jī)和氣蝕增壓條件設(shè)置時(shí)，選取氧泵轉(zhuǎn)速和氧泵出口壓力作為實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)一定時(shí)間后，對氧泵轉(zhuǎn)速和氧泵后壓力進(jìn)行監(jiān)控，每隔0.1 s對2個(gè)參數(shù)進(jìn)行一次判讀，若連續(xù)3次判讀均滿足氣蝕增壓條件則對氧箱進(jìn)行自動(dòng)增壓，恢復(fù)至貯箱額定壓力。若氣蝕發(fā)展致參數(shù)連續(xù)3次滿足緊急關(guān)機(jī)條件，則發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施緊急關(guān)機(jī)。監(jiān)視參數(shù)參照發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置時(shí)留有合理參數(shù)偏離空間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文進(jìn)行的4次試驗(yàn)，參與每次試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和氧泵都不相同。由于不同的氧泵、發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)工況之間存在個(gè)體差異，在進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)，不同試驗(yàn)之間參數(shù)不具有可比性。

2.1 氧泵氣蝕試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)A

試驗(yàn)A在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)20 s時(shí)，同時(shí)關(guān)閉氧箱增壓閥1和增壓閥2，徹底切斷氧貯箱增壓氣源。參數(shù)變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 試驗(yàn)A氧泵轉(zhuǎn)速和氧泵入口壓力曲線 Fig.3 Speed and inlet pressure curves of oxygen pump in test A

圖4 試驗(yàn)A氧泵出口壓力和氧泵體積流量曲線 Fig.4 Outlet pressure and volume flow rate curves of oxygen pump in test A

可以看出，增壓閥1、2同時(shí)關(guān)閉后，氧泵入口壓力緩慢下降，氧泵參數(shù)維持了一段時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)，在28.50 s氧泵入口壓力為0.295 MPa時(shí)，氧泵轉(zhuǎn)速開始迅速上升，進(jìn)入淺氣蝕狀態(tài)；約2 s后，氧泵出口壓力和氧泵流量開始下降。主級約38 s時(shí)，氧泵入口壓力下降趨緩，且有個(gè)微小的向上的壓力波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)各性能參數(shù)均有反應(yīng)，氧泵轉(zhuǎn)速下降、氧泵出口壓力上升，氧泵氣蝕也得到短暫的緩和。隨著氧泵入口壓力再次下降，氧泵氣蝕繼續(xù)加劇，49.47 s觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)條件，發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行緊急關(guān)機(jī)。

2.1.2 試驗(yàn)B

同試驗(yàn)A相比，試驗(yàn)流程大體相同，不同的是試驗(yàn)B在氧泵進(jìn)入氣蝕后，通過維持氧泵入口壓力一段時(shí)間穩(wěn)定，觀察了氧泵氣蝕狀態(tài)的維持情況。

試驗(yàn)B參數(shù)變化曲線如圖5和圖6所示。20.70 s氧泵入口壓力降至0.276 MPa時(shí)，氧泵進(jìn)入淺氣蝕狀態(tài)。22.60 s后，通過增壓電磁閥維持箱壓，氧泵參數(shù)維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平，說明此階段氣蝕狀態(tài)也相對穩(wěn)定。40.00 s重新切斷增壓氣源，氧泵迅速氣蝕，45.98 s觸發(fā)緊急關(guān)機(jī)條件，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)。

圖5 試驗(yàn)B氧泵轉(zhuǎn)速和氧泵入口壓力曲線 Fig.5 Speed and inlet pressure curves of oxygen pump in test B

氧泵氣蝕試驗(yàn)表明：①氧泵發(fā)生氣蝕時(shí)，氧泵轉(zhuǎn)速上升，氧泵出口壓力和氧泵體積流量下降，氧泵轉(zhuǎn)速最先反應(yīng)；②氣蝕狀態(tài)的發(fā)展對氧泵入口壓力較為敏感，入口壓力穩(wěn)定可以使氣蝕保持在一個(gè)相對平穩(wěn)的狀態(tài)；③實(shí)際熱試車氧泵入口氣蝕壓力高于當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎?。這是因?yàn)橐貉趿鬟^離心泵葉片時(shí)，會(huì)在葉片進(jìn)口部分的背面型面形成一個(gè)低壓區(qū)，流速越大，該處靜壓就越低。當(dāng)該處靜壓低于當(dāng)?shù)販囟鹊娘柡驼羝麎簳r(shí)，就會(huì)首先發(fā)生氣蝕。

圖6 試驗(yàn)B氧泵出口壓力和氧泵體積流量曲線 Fig.6 Outlet pressure and volume flow rate curves in test B

2.2 氧泵氣蝕恢復(fù)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)C

圖7 試驗(yàn)C氧泵轉(zhuǎn)速和氧泵入口壓力曲線 Fig.7 Speed and inlet pressure curves of oxygen pump in test C

試驗(yàn)C參數(shù)變化曲線如圖7～圖9所示。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)10 s時(shí)，同時(shí)關(guān)閉氧箱增壓閥1和增壓閥2。31.12 s氧泵轉(zhuǎn)速開始迅速升高，氧泵進(jìn)入淺氣蝕狀態(tài)。34.99 s氧泵出口壓力和氧泵轉(zhuǎn)速觸發(fā)氧泵氣蝕自動(dòng)增壓條件。由于增壓氣輸送管道較長，對氧貯箱的增壓有一定延遲滯后，所以氧泵入口壓力繼續(xù)下降，氣蝕繼續(xù)發(fā)展，轉(zhuǎn)速達(dá)到最高時(shí)相比穩(wěn)定狀態(tài)升高了約1 180 r/min。36.23 s氧泵轉(zhuǎn)速和出口壓力逐漸恢復(fù)至未氣蝕狀態(tài)，氧泵脫離氣蝕狀態(tài)，氣蝕持續(xù)時(shí)間約5.11 s。氧泵進(jìn)入氣蝕狀態(tài)后，氧泵軸向振動(dòng)也快速響應(yīng)，氧泵軸向振動(dòng)最高幅值相比穩(wěn)態(tài)值增大約70%，氧泵脫離氣蝕狀態(tài)后，振動(dòng)也回到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖8 試驗(yàn)C氧泵出口壓力和氧泵體積流量曲線Fig.8 Outlet pressure and volume flow rate curves in test C

圖9 試驗(yàn)C氧泵軸向振動(dòng)幅值Fig.9 Axial vibration of oxygen pump in test C

由于氧泵入口增壓的滯后性，觸發(fā)氧泵氣蝕增壓條件后氧泵氣蝕進(jìn)一步發(fā)展，35.1～35.4 s進(jìn)入深氣蝕狀態(tài)。表1為試驗(yàn)C氧泵氣蝕發(fā)生時(shí)及氣蝕前后平穩(wěn)段，氧泵和發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)對比?？梢钥闯鲅醣迷诎l(fā)生氣蝕時(shí)，氧泵效率明顯降低，淺氣蝕與深氣蝕狀態(tài)下降幅值分別達(dá)到4.55%與8.35%；發(fā)動(dòng)機(jī)混合比淺氣蝕與深氣蝕狀態(tài)下降幅值分別達(dá)到2.02%與5.21%，發(fā)動(dòng)機(jī)推力淺氣蝕與深氣蝕狀態(tài)下降幅值分別達(dá)到2.62%與5.90%。而氣蝕前后氧泵參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)基本恢復(fù)至氣蝕前狀態(tài)。因此經(jīng)過本次試驗(yàn)可認(rèn)為氧泵在經(jīng)歷時(shí)間約6 s、轉(zhuǎn)速升高量約1 200 r/min的短暫氣蝕狀態(tài)時(shí)，氧泵性能無明顯變化，在正常波動(dòng)范圍以內(nèi)。

表1 試驗(yàn)C氧泵氣蝕前后性能參數(shù)

Tab.1Performance of oxygen pump before and after cavitation in test C

參 數(shù)氣蝕前淺氣蝕深氣蝕氣蝕后時(shí)間段/s25～2932.1～33.135.1～35.442～47氧泵轉(zhuǎn)速/(r·min-1)18 18219 04119 36018 097氧泵出口壓力/%--1.60-4.240.88氧泵流量/%--1.80-4.520.15氧泵效率/%--5.35-9.810.19發(fā)動(dòng)機(jī)混合比/%--2.20-5.210.20發(fā)動(dòng)機(jī)推力/%--2.62-5.900.06發(fā)動(dòng)機(jī)比沖/%-0.080.01-0.11

注：表中性能參數(shù)為相應(yīng)時(shí)間段均值，性能參數(shù)變化百分比以氣蝕前為基準(zhǔn)值，下表同。

2.2.2 試驗(yàn)D

試驗(yàn)D同試驗(yàn)C試驗(yàn)流程一致，不同的是通過放寬氣蝕增壓條件，容許試驗(yàn)D在進(jìn)入更深氣蝕狀態(tài)后再進(jìn)行氧箱增壓。參數(shù)變化曲線如圖10～圖12所示。試驗(yàn)D 進(jìn)入氣蝕狀態(tài)后，氧泵轉(zhuǎn)速達(dá)到最高時(shí)相比穩(wěn)定狀態(tài)升高了約1 750 r/min，氣蝕持續(xù)時(shí)間約6.52 s。氧泵軸向振動(dòng)曲線隨著氣蝕發(fā)展快速響應(yīng)，氧泵軸向振動(dòng)最高幅值相比穩(wěn)態(tài)值增大約90%。

圖10 試驗(yàn)D氧泵轉(zhuǎn)速和氧泵入口壓力曲線 Fig.10 Speed and inlet pressure curves of oxygen pump in test D

圖11 試驗(yàn)D氧泵出口壓力和氧泵體積流量曲線Fig.11 Outlet pressure and volume flow rate of oxygen pump in test D

圖12 試驗(yàn)D氧泵軸向振動(dòng)幅值Fig.12 Axial vibration of oxygen pump in test D

表2為試驗(yàn)D氧泵氣蝕發(fā)生時(shí)及氣蝕前后平穩(wěn)段，氧泵性能參數(shù)對比。

表2 試驗(yàn)D氧泵氣蝕前后性能參數(shù)

可以看出試驗(yàn)D和試驗(yàn)C，試驗(yàn)參數(shù)變化規(guī)律一致，證明了氣蝕恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的有效性。同試驗(yàn)C相比，試驗(yàn)D發(fā)動(dòng)機(jī)和氧泵性能參數(shù)變化更大，故氣蝕對發(fā)動(dòng)機(jī)和氧泵性能參數(shù)影響與氣蝕程度有關(guān)。試驗(yàn)C和D證明，氧泵經(jīng)過短暫氣蝕后，泵性能無明顯變化，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)工作性能。

3 結(jié)論

本文通過搭載氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車，進(jìn)行了2組4次氧泵氣蝕研究試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1)氧泵發(fā)生氣蝕時(shí)，泵轉(zhuǎn)速最先反應(yīng)。轉(zhuǎn)速升高約1 800 r/min的氣蝕程度，會(huì)造成氧泵流量下降7.14%、氧泵效率下降11.82%、發(fā)動(dòng)機(jī)推力降低10.90%、氧泵軸向振動(dòng)幅值增大約90%。

2)氧泵在經(jīng)歷時(shí)間約7 s、轉(zhuǎn)速升高量約1 800 r/min的短暫氣蝕狀態(tài)后，氧泵性能無明顯變化，發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)也基本恢復(fù)?；鸺品蛛x即使造成氧泵短暫的氣蝕也不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)和氧泵后續(xù)的工作性能。