電磁閥節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)的間隙對推力器室壓的影響

高 巖，李 強(qiáng)，張 勇，李 卓，佟顯義

（沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，沈陽，110861）

0 引 言

單組元推力器作為航天推進(jìn)系統(tǒng)的常用組件，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船等航天器，主要用于航天器的姿態(tài)和軌道調(diào)整［1］。單組元推力器主要由推力室和電磁閥組成，其中催化劑裝填在推力室的催化床中。電磁閥主要用于給推力室供應(yīng)推進(jìn)劑，它作為開關(guān)控制元件，控制推進(jìn)劑的開啟和斷流，實(shí)現(xiàn)推力器多次重復(fù)啟動和脈沖工作，對推力器的開、關(guān)動態(tài)特性及脈沖特性有著重要的影響。由于電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，其流量和流阻的變化會影響推力器的室壓，從而影響推力器的性能［2-3］。電磁閥的流阻對推力器性能的影響是至關(guān)重要的。

對單組元推力器的研究大多是將電磁閥和推力室分開進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，如楊亦婷、張崢岳、吳蔚鋒等［4-6］分別針對軌/姿控發(fā)動機(jī)用電磁閥和發(fā)動機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真；付拓取等［7］研究了無毒單組元推力器試驗(yàn)。Chang Hwan Hwang 等［8］分析了催化劑對肼單組元推力器熱化學(xué)現(xiàn)象的影響。但這些研究并沒有涉及電磁閥節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙影響單組元推力器室壓的情況。本文針對某單組元推力器在試車試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的推力器室壓偏低問題，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法解決了電磁閥節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙影響單組元推力器室壓的問題。

1 機(jī)理分析

1.1 電磁閥結(jié)構(gòu)和工作原理

本文研究的電磁閥結(jié)構(gòu)主要由閥體組件、線圈繞阻、過濾網(wǎng)組件、閥座、閥芯、罩殼、調(diào)整墊片、密封圈等組成。在電磁閥的入口處，安裝節(jié)流孔板進(jìn)行流阻調(diào)節(jié)，用來調(diào)試出與推力室匹配的流阻。

電磁閥的工作原理為：供電后，電磁鐵線圈得電，產(chǎn)生磁場，閥芯在電磁力的作用下，克服彈簧力和介質(zhì)壓力使閥門打開，介質(zhì)流通。停止供電后，閥芯在彈簧力和介質(zhì)壓力的作用下復(fù)位，閥門關(guān)閉，停止向推力室提供推進(jìn)劑。

1.2 節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)

節(jié)流孔板安裝在電磁閥入口處，通過濾網(wǎng)組件壓緊在閥體上，安裝結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。濾網(wǎng)組件由濾網(wǎng)骨架、過濾網(wǎng)、支撐網(wǎng)和擋環(huán)構(gòu)成，通過擋環(huán)將過濾網(wǎng)和支撐網(wǎng)壓在濾網(wǎng)骨架內(nèi)，然后將擋環(huán)和濾網(wǎng)骨架焊接成一體，濾網(wǎng)組件結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖1 濾網(wǎng)組件與孔板配合示意（單位：mm）Fig.1 Matching diagram of filter screen assembly and orifice plate

1.3 機(jī)理分析

支撐網(wǎng)距孔板底端的理論間隙為0.3～0.7 mm，如圖1所示，支撐網(wǎng)與過濾網(wǎng)均為平面結(jié)構(gòu)，是極為不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且加工過程中，支撐網(wǎng)與過濾網(wǎng)不是在張緊狀態(tài)，而是在松弛狀態(tài)下被擋環(huán)壓緊到濾網(wǎng)骨架上，故極易在外力作用下（如液體流動形成的液壓力）發(fā)生塑性變形。過濾網(wǎng)的變形對流阻的影響，需要從兩個方面分析。

a）過濾網(wǎng)發(fā)生塑性變形，但是未與節(jié)流孔接觸。這種情況下，過濾網(wǎng)的變形使得通過網(wǎng)面的液體介質(zhì)的流場重新分布。相比平面狀態(tài)，變形后的狀態(tài)會有更大比例的液體介質(zhì)受到網(wǎng)面的約束，引導(dǎo)到間隙盲腔處，與壁面發(fā)生碰撞，造成能量損失，直觀的體現(xiàn)是引起了流阻的增加。節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙越小，過濾網(wǎng)變形對液體流場重新分布的影響越大，帶來的流阻損失會越大。

b）當(dāng)電磁閥的支撐網(wǎng)在液流沖擊下的變形超過間隙時，會堵住孔板上的節(jié)流孔，直接導(dǎo)致節(jié)流面積較小，電磁閥的流阻增大。

2 仿真分析

2.1 軟件介紹

Fluent 軟件是目前市場上最流行的CFD 軟件之一，可用來模擬從不可壓縮到高可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動，可用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動和熱傳導(dǎo)的計算。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)絡(luò)加速收斂技術(shù)，因而Fluent 能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度［9］。

本文采用Pro/Engineer 軟件進(jìn)行三維建模，運(yùn)用Fluent 流體仿真軟件，利用Realizablek-ε湍流模型結(jié)合多孔介質(zhì)模型等效過濾網(wǎng)［10-11］，對電磁閥的流阻、節(jié)流孔板和節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間不同間隙下的流阻進(jìn)行仿真分析。

2.2 參數(shù)設(shè)置及計算模型校準(zhǔn)

2.2.1 節(jié)流孔板參數(shù)設(shè)置與校核

取未經(jīng)過調(diào)試的新節(jié)流孔板，節(jié)流孔直徑為1.986 mm，試驗(yàn)測得流阻為0.618 MPa。按照節(jié)流孔板流阻調(diào)試工裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立仿真流道模型，如圖3所示，參數(shù)設(shè)置如表1 所示，仿真得到孔板流阻為0.619 MPa，如圖4所示（流阻=入口壓力-孔板出口壓力，入口壓力可由壓力云圖獲得，其值為1.119 MPa，孔板出口處設(shè)置為恒壓出口，壓力為0.5 MPa），該值與孔板流阻測試值0.618 MPa吻合。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖3 節(jié)流孔板流阻調(diào)試工裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真流道模型Fig.3 Flow passage model of internal structure of orifice flow resistance debugging tooling

圖4 孔板壓力分布云圖Fig.4 Cloud chart of orifice plate pressure distribution

2.2.2 過濾網(wǎng)參數(shù)設(shè)置與校核

對電磁閥進(jìn)行流阻測試，測得流阻為0.160 MPa。利用Realizablek-ε湍流模型結(jié)合多孔介質(zhì)模型等效過濾網(wǎng)，電磁閥流道模型如圖5所示，仿真得到電磁閥（安裝未變形的過濾網(wǎng)、未安裝孔板）流阻為0.164 MPa（流阻=入口壓力-電磁閥出口壓力，入口壓力可由壓力云圖獲得，其值為0.664 MPa，電磁閥出口處設(shè)置為恒壓出口，壓力為0.5 MPa），該值與流阻測試所得電磁閥流阻值0.160 MPa 吻合。電磁閥壓力分布云圖和流線圖如圖6所示。

圖5 電磁閥流道模型Fig.5 Flow passage model of solenoid valve

圖6 電磁閥（安裝未變形過濾網(wǎng)、未安裝孔板）壓力分布云圖和流線圖Fig.6 The pressure distribution cloud chart and streamline diagram of solenoid valve (with undeformed filter screen and orifice plate installed)

2.2.3 電磁閥安裝孔板后流阻仿真（安裝未變形的過濾網(wǎng)）

過濾網(wǎng)初始安裝狀態(tài)孔板與過濾網(wǎng)的間隙為0.5 mm，以該距離對電磁閥安裝孔板后的流道進(jìn)行建模，流道模型如圖7所示，孔板孔徑及過濾網(wǎng)參數(shù)分別按照上文模型設(shè)置。 仿真得到流阻為1.285 MPa， 該值已明顯高于電磁閥流阻（0.164 MPa）與孔板流阻（0.619 MPa）二者之和0.783 MPa，壓力云圖如圖8所示。

圖7 過濾網(wǎng)初始安裝流道Fig.7 Ⅰnitial installation channel of filter screen

圖8 過濾網(wǎng)初始安裝狀態(tài)下壓力分布云圖Fig.8 Cloud chart of pressure distribution under initial installation of filter screen

2.2.4 電磁閥安裝孔板后流阻仿真（安裝變形的過濾網(wǎng)）

過濾網(wǎng)變形后過濾網(wǎng)出口面與孔板邊緣貼近，仿真時該值取0.08 mm，以該距離對電磁閥安裝孔板和變形的過濾網(wǎng)流道進(jìn)行建模，流道模型如圖9 所示。仿真結(jié)果顯示，過濾網(wǎng)變形后電磁閥流阻高達(dá)3.826 MPa，壓力云圖如圖10所示。

圖9 電磁閥安裝孔板和變形的過濾網(wǎng)的流道模型Fig.9 Flow passage model of solenoid valve installation orifice and deformed filter screen

圖10 電磁閥安裝孔板和變形的過濾網(wǎng)壓力云圖和流線圖Fig.10 The pressure distribution cloud chart and streamline diagram of solenoid valve(with installation orifice and deformed filter screen)

2.2.5 電磁閥未安裝孔板，安裝變形的過濾網(wǎng)對電磁閥流阻影響的仿真分析

對安裝變形的過濾網(wǎng)（最大變形量為0.6 mm），但未安裝節(jié)流孔板的電磁閥進(jìn)行流阻仿真，結(jié)果如圖11所示，流阻為0.170 MPa（流阻=入口壓力-電磁閥出口壓力，入口壓力可由壓力云圖獲得，其值為0.670 MPa，電磁閥出口處設(shè)置為恒壓出口，壓力為0.5 MPa），與電磁閥（未安裝孔板、安裝未變形的過濾網(wǎng)）情況（第2.2.2 節(jié)仿真結(jié)果為0.164 MPa）相比，其流阻值相差僅為0.006 MPa，兩者仿真結(jié)果基本保持一致。

圖11 電磁閥未安裝孔板，安裝變形的過濾網(wǎng)的壓力云圖Fig.11 Pressure distribution cloud diagram of solenoid valve without orifice plate and deformed filter screen

2.2.6 節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙對電磁閥流阻的影響

分別對節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)不同間隙（0.08 mm、0.15 mm、 0.3 mm、 0.5 mm、 0.8 mm、 1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2 mm、2.5 mm）工況下的電磁閥流阻進(jìn)行仿真。仿真模型如圖12 所示，部分仿真結(jié)果如圖13 所示，節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)不同間隙下電磁閥流阻變化曲線如圖14 所示，節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)不同間隙下電磁閥流阻值見表2。從圖14中可以看出，當(dāng)孔板與過濾網(wǎng)間隙小于1.0 mm 時，隨著孔板與過濾網(wǎng)間隙越小，電磁閥流阻顯著增大。當(dāng)孔板與過濾網(wǎng)間隙大于1.5 mm，孔板與過濾網(wǎng)間隙對電磁閥流阻無顯著影響。

表2 孔板與過濾網(wǎng)不同間隙下的電磁閥流阻Tab.2 Flow resistance of solenoid valve with different gap between orifice plate and filter screen

圖12 不同間隙下電磁閥流道模型Fig.12 Flow passage model of solenoid valve with different clearanc

續(xù)圖13

圖14 孔板與過濾網(wǎng)不同間隙下電磁閥流阻變化曲線Fig.14 Flow resistance curve of solenoid valve with different gap between orifice plate and filter screen

通過流阻仿真分析結(jié)果可知，節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)的間隙直接影響到電磁閥的流阻。從不同間隙工況下電磁閥的仿真流線圖來看，流體是均勻通過過濾網(wǎng)的，當(dāng)間隙減小到一定值后，網(wǎng)面約束作用會把越來越多的流體介質(zhì)引導(dǎo)至間隙盲腔處，與壁面發(fā)生碰撞，造成能量損失，使電磁閥的流阻隨著間隙減小變得越來越大。

2.3 仿真分析小結(jié)

通過仿真分析，得出以下結(jié)論：

a）電磁閥安裝變形的過濾網(wǎng)，在未安裝節(jié)流孔板的情況下，不會對電磁閥流阻產(chǎn)生影響；

b）電磁閥安裝節(jié)流孔板和過濾網(wǎng)之后，在過濾網(wǎng)變形的狀態(tài)下，隨著過濾網(wǎng)與孔板之間的間隙的減小，電磁閥的流阻會逐漸增大；

c）當(dāng)節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)間隙大于1.5 mm 時，節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)的間隙對閥門流阻無顯著影響。

3 解決措施與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 解決措施

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，通過將節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙加大能有效避免電磁閥流阻異常變大的情況，進(jìn)而避免引起推力器室壓降低。故制定如下解決措施：在不改變電磁閥結(jié)構(gòu)、充分利用電磁閥入口處內(nèi)部空間的前提下，最大限度增大節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙，將節(jié)流孔板更改為錐形結(jié)構(gòu)，如圖15所示，二者間距可達(dá)2.5 mm 以上，可有效地保證孔板流道的流通面積。

3.2 仿真分析

對更換新節(jié)流孔板方案后的電磁閥進(jìn)行仿真，得出壓力云圖如圖16 所示，得到其流阻為0.817 MPa，與第2.2.3 節(jié)所述電磁閥流阻與孔板流阻之和0.783 MPa接近。仿真分析結(jié)果表明，將節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)改為錐形結(jié)構(gòu)方案可行。

圖16 安裝新孔板后的電磁閥壓力分布云圖Fig.16 Pressure distribution cloud diagram of solenoid valve after installing new orifice plate

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上文仿真分析結(jié)果，制定驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下。

3.3.1 流阻測試

a）電磁閥和孔板流阻測試值分別為0.160 MPa和0.618 MPa；

b）電磁閥未安裝孔板，安裝變形過濾網(wǎng)的狀態(tài)下，進(jìn)行流阻測試，測得電磁閥流阻為0.164 MPa，與a）中測得電磁閥流阻0.160 MPa的偏差很小，并與仿真結(jié)果0.170 MPa 較一致。因此過濾網(wǎng)變形產(chǎn)生的流阻變化對電磁閥流阻的影響基本可以忽略不計；

c）電磁閥安裝孔板和未變形的過濾網(wǎng)狀態(tài)下，進(jìn)行流阻測試，試驗(yàn)測得電磁閥流阻為3.796 MPa，出現(xiàn)電磁閥流阻異常偏大的情況，試驗(yàn)后觀察發(fā)現(xiàn)過濾網(wǎng)沿著液流方向發(fā)生了塑性凹陷變形，這與第2.2.4節(jié)的仿真分析情況一致，該結(jié)果表明電磁閥安裝孔板時過濾網(wǎng)變形后，電磁閥流阻會顯著增大。

3.3.2 推力器試車試驗(yàn)

將電磁閥安裝的節(jié)流孔板更換為改進(jìn)后的錐形結(jié)構(gòu)，通過專用節(jié)流孔板流阻調(diào)試工裝調(diào)試出與推力室相匹配的流阻0.359 MPa 后，搭配推力室組合為推力器進(jìn)行試車試驗(yàn)。試車過程中未見因電磁閥流阻異常增大導(dǎo)致推力器室壓降低的情況，推力器各項(xiàng)性能參數(shù)良好，故采取的解決措施經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有效。

4 結(jié) 論

本文以某單組元推力器在試車試驗(yàn)中出現(xiàn)推力器室壓偏低的問題為研究對象，借助CFD軟件Fluent仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)研究了電磁閥入口安裝的節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙情況并提出改進(jìn)措施，得出以下結(jié)論：

a）電磁閥入口安裝的節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙過小導(dǎo)致電磁閥流阻異常增大，從而導(dǎo)致單組元推力器室壓降低。

b）將電磁閥入口安裝的節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)更改為錐形結(jié)構(gòu)的方法，可避免節(jié)流孔板與過濾網(wǎng)之間的間隙過小導(dǎo)致電磁閥流阻異常增大，從而導(dǎo)致單組元推力器室壓降低。

本研究為其他推力器的設(shè)計與試驗(yàn)提供了有益的借鑒。