多閥門(mén)燃料輸送系統(tǒng)復(fù)雜工況水擊特性分析

劉建盈,陳匯龍

(1. 江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 上?？臻g推進(jìn)研究所,上海 200112)

航天器液體燃料輸送系統(tǒng)主要特征為末端閥門(mén)數(shù)量多,各閥門(mén)通過(guò)管路與上游燃料貯箱連接,系統(tǒng)工作時(shí)不同位置、不同數(shù)量的閥門(mén)組合成各種復(fù)雜工況,閥門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水擊壓力波在上游管路中傳播并相互影響,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管路內(nèi)燃料工作壓力超出允許偏差范圍,進(jìn)而影響航天器工作性能和可靠性[1].

目前,對(duì)于航天器燃料輸送系統(tǒng)水擊問(wèn)題的研究主要集中在單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)、關(guān)機(jī)過(guò)程以及管路結(jié)構(gòu)方面,楊林濤[2]、張崢岳等[3]對(duì)特定航天器燃料輸送管路中的水擊問(wèn)題進(jìn)行了研究,研究?jī)?nèi)容包括特定管路結(jié)構(gòu)下閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中水擊壓力特征及幅度、水擊壓力波在管路中的傳播特征等具體問(wèn)題.周晨初等[4]、李翠等[5]研究了水擊壓力與燃料輸送管路系統(tǒng)工作狀態(tài)、閥門(mén)響應(yīng)特性、分支管設(shè)置等影響因素的關(guān)系,最后提出了增加管路阻尼裝置或蓄壓器等抑制水擊的方法.國(guó)外對(duì)航天器燃料輸送管路的水擊問(wèn)題也進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究.KANMURI等[6]對(duì)歐空局的愛(ài)馬仕衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)、美國(guó)航天飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了管路水擊方面的研究和試驗(yàn),重點(diǎn)研究了燃料充填過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性.而對(duì)于多閥門(mén)復(fù)雜工況下的水擊特性及抑制方法則研究較少,特別是航天器在要求閥門(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)作響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)重量輕等強(qiáng)約束條件下,需要研究新的適應(yīng)航天器產(chǎn)品特點(diǎn)的水擊抑制方法.

文中通過(guò)試驗(yàn)研究多閥門(mén)復(fù)雜工況下的水擊現(xiàn)象及其變化規(guī)律,探討基于多閥門(mén)工作模式調(diào)整的水擊抑制方法的可行性.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及壓力測(cè)量精度

1.1 研究對(duì)象

某航天器燃料輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳感器布置見(jiàn)圖1所示,貯箱內(nèi)燃料通過(guò)總管(AB1B2)、環(huán)形管(B2C1C5C8B2)以及閥門(mén)進(jìn)口管(C1T1,C5T2等)供應(yīng)至閥門(mén)入口處(T1,T2等),在環(huán)形管上靠近閥門(mén)入口管部位(C1—C8)設(shè)置壓力傳感器.

圖1 某燃料輸送管路結(jié)構(gòu)示意圖

燃料輸送管路中水擊現(xiàn)象是一種不穩(wěn)定流動(dòng),在空間失重環(huán)境下不需要考慮重力以及管路的高度差[7].式(1)—(2)分別為燃料輸送系統(tǒng)管路中流體流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程,以偏微分方程反映燃料瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程中的流速和壓力變化規(guī)律[8].

(1)

(2)

式中:p為壓力,MPa;υ為燃料流速,m/s;x為水擊波傳播距離,m;t為水擊波傳播時(shí)間,s;a為水擊波傳播速度,m/s;D為管道內(nèi)徑,m;θ為管道傾斜角度;g為重力加速度,m/s2;ρ為燃料密度,kg/m3;λ為阻力系數(shù).

由式(1)—(2)可得單個(gè)脈沖產(chǎn)生的水擊在管路系統(tǒng)中的波動(dòng)方程[9]為

(3)

其通解可表示為

(4)

式中:pn為第n個(gè)閥門(mén)產(chǎn)生的水擊壓力,MPa,是時(shí)間和空間位置的函數(shù);Fn,fn為第n臺(tái)閥門(mén)對(duì)應(yīng)的任意函數(shù);Cn為第n臺(tái)閥門(mén)對(duì)應(yīng)的積分常數(shù).

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

由于多閥門(mén)燃料輸送管路工作過(guò)程極為復(fù)雜,與燃料特性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等密切相關(guān),仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品的差異分析和評(píng)估較為困難,文中通過(guò)試驗(yàn)方法開(kāi)展研究工作.具體方案:搭建一套真實(shí)的航天器燃料輸送管路系統(tǒng),試驗(yàn)時(shí)燃料貯箱內(nèi)加注真實(shí)燃料,通過(guò)下游閥門(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)作控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,模擬實(shí)際工作狀態(tài)和程序,測(cè)量燃料輸送管路中的水擊壓力.試驗(yàn)過(guò)程中閥門(mén)由地面設(shè)備進(jìn)行控制,但確?？刂品绞脚c航天器控制系統(tǒng)相同.

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器測(cè)量管路壓力,通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并記錄管路系統(tǒng)壓力、閥門(mén)電流信號(hào)等參數(shù),作為分析水擊問(wèn)題的數(shù)據(jù)來(lái)源.測(cè)量系統(tǒng)性能以能夠捕捉到水擊壓力關(guān)鍵數(shù)值為依據(jù),所配置的壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示,表中δ1為測(cè)量精度,f1為響應(yīng)采集頻率.

表1 壓力測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)

1.3 水擊壓力測(cè)量精度分析

管路水擊壓力測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量范疇,受影響因素多,如何提高測(cè)量準(zhǔn)確性一直是需要解決的技術(shù)難題.某航天器燃料輸送管路壓力測(cè)量采用帶測(cè)壓管的壓力傳感器進(jìn)行直接測(cè)量,壓力傳感器設(shè)置在C2和C3間管路中點(diǎn)處,具體結(jié)構(gòu)如下:

1) 壓力傳感器進(jìn)口管通過(guò)直角三通零件與主管路連接(連接點(diǎn)即為被測(cè)點(diǎn)),壓力傳感器進(jìn)口管垂直于主管路布置;

3) 測(cè)壓管以及壓力傳感器固定良好.

表2 管路壓力測(cè)量與計(jì)算結(jié)果比較

由表2可見(jiàn),試驗(yàn)系統(tǒng)所用壓力傳感器動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量偏差不大于10%,滿足試驗(yàn)要求.

2 多閥門(mén)復(fù)雜工況下水擊特性

2.1 閥門(mén)工作模式

航天器燃料輸送管路系統(tǒng)中閥門(mén)以短脈沖工作為主,控制系統(tǒng)的通信周期一般是固定的,每個(gè)周期內(nèi)的閥門(mén)打開(kāi)時(shí)間因控制需求不同而有所差異,同時(shí)在某些情況下需要多閥門(mén)同時(shí)工作.在復(fù)雜工作模式下,管路系統(tǒng)中某個(gè)位置x、某一時(shí)刻t的水擊壓力為多臺(tái)閥門(mén)所產(chǎn)生的水擊壓力在同一位置、同一時(shí)刻的疊加,可表示為

p=p1+p2+…+pn.

(5)

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)?zāi)M了多閥門(mén)燃料輸送管路系統(tǒng)可能用到的各種復(fù)雜工況,如表3所示.

表3 試驗(yàn)工況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 閥門(mén)不同工作脈寬對(duì)水擊壓力的影響

試驗(yàn)中以某航天器使用的0.20 s控制周期為基礎(chǔ),模擬閥門(mén)以0.13,0.12,0.10,0.09,0.08,0.07,0.05,0.04 s等不同工作脈寬進(jìn)行工作時(shí)管路中的水擊壓力變化情況,如圖2所示.閥門(mén)脈沖工作參數(shù)以x1/x2表示,其中x1為單個(gè)控制周期內(nèi)閥門(mén)開(kāi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)(或稱工作脈寬),x2為單個(gè)控制周期內(nèi)閥門(mén)關(guān)機(jī)時(shí)長(zhǎng)(或稱脈沖間隔時(shí)間),x1與x2之和即為控制周期,上述參數(shù)均以s為單位.

圖2 水擊壓力隨工作脈寬變化情況

由圖2可見(jiàn),當(dāng)閥門(mén)以較大脈寬工作時(shí)(對(duì)應(yīng)前面2個(gè)脈沖),閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間(從關(guān)指令發(fā)出到開(kāi)指令發(fā)出)很短,甚至小于閥門(mén)本身關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間,由此造成閥門(mén)尚未完全關(guān)閉到位時(shí)下一次開(kāi)啟指令已到達(dá)的情況出現(xiàn),此過(guò)程中管路流量變化幅度相對(duì)于閥門(mén)完全打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)較小,在特定管徑下對(duì)應(yīng)的燃料流速變化不明顯,表現(xiàn)在水擊壓力上也較為平穩(wěn),水擊壓力峰值不大.當(dāng)閥門(mén)工作脈寬減小時(shí),閥門(mén)關(guān)閉響應(yīng)趨于充分,關(guān)機(jī)指令發(fā)出后管路中燃料流量明顯下降,在管徑不變的情況下流速也明顯下降,引起水擊壓力明顯增大.當(dāng)工作脈寬進(jìn)一步減小直至小于閥門(mén)開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間時(shí)(對(duì)應(yīng)最后一個(gè)脈沖),相當(dāng)于閥門(mén)未完全打開(kāi)時(shí)又收到關(guān)閉指令,流量無(wú)法達(dá)到額定值,流量明顯偏小,此時(shí)水擊壓力又趨于減小.試驗(yàn)中不同脈寬下水擊壓力峰值變化幅度最大約80%.綜上所述,燃料輸送管路中的水擊壓力隨著閥門(mén)工作脈寬的減小而逐步增大,但當(dāng)脈寬小于閥門(mén)開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間時(shí),水擊壓力又趨于減小.

2.3.2 不同閥門(mén)組合工作對(duì)水擊壓力的影響

試驗(yàn)?zāi)M了管網(wǎng)中同一分支內(nèi)不同數(shù)量閥門(mén)同步工作的工況,獲取了管路中水擊壓力與同時(shí)工作閥門(mén)數(shù)量的關(guān)系,如圖3所示.

圖3 同一時(shí)刻不同數(shù)量閥門(mén)開(kāi)、關(guān)機(jī)水擊壓力曲線

由圖3可見(jiàn),管路中的水擊壓力隨著同時(shí)工作的閥門(mén)數(shù)量變化也明顯變化.就開(kāi)機(jī)過(guò)程而言,管路壓力由于流速突然增大,一般表現(xiàn)為負(fù)水擊.對(duì)應(yīng)單臺(tái)工況水擊壓力約-0.4～-0.3 MPa(管路絕對(duì)壓力-穩(wěn)態(tài)工作壓力,文中所述水擊壓力均按此計(jì)算),雙機(jī)工況負(fù)水擊壓力約-1.6～-1.5 MPa.對(duì)于關(guān)機(jī)過(guò)程而言,單臺(tái)工況水擊壓力約0.5 MPa,雙機(jī)工況水擊壓力約2.4 MPa.綜上,開(kāi)、關(guān)機(jī)過(guò)程水擊壓力隨著同時(shí)工作閥門(mén)數(shù)量的增加整體上是增大的.該現(xiàn)象說(shuō)明,雖然各工況下單臺(tái)閥門(mén)進(jìn)口管流量不變,但隨著同時(shí)工作的閥門(mén)數(shù)量增加,不同工況下上游總管路中流量變化明顯,在管徑不變的情況下,管路內(nèi)流速變化也更加明顯,導(dǎo)致多閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)管路中水擊壓力整體上明顯增大.

2.3.3 管網(wǎng)中分支管路水擊的相互影響

對(duì)于大型航天器燃料輸送管路枝狀管網(wǎng)設(shè)計(jì),各閥門(mén)燃料輸送管路在上游逐漸匯集,不同部位閥門(mén)工作時(shí)產(chǎn)生的水擊可通過(guò)管網(wǎng)影響到其他區(qū)域,造成受影響部位發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的波動(dòng)[11-12].試驗(yàn)?zāi)M了不同分組閥門(mén)單獨(dú)工作的工況,即初始狀態(tài)下副路分支內(nèi)閥門(mén)均為打開(kāi)狀態(tài),燃料持續(xù)穩(wěn)定流動(dòng),管網(wǎng)內(nèi)各處壓力穩(wěn)定,在某一時(shí)刻將主路分支內(nèi)4臺(tái)閥門(mén)同時(shí)打開(kāi)一段時(shí)間然后再關(guān)閉,觀察主路分支內(nèi)閥門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中副路分支內(nèi)閥門(mén)入口壓力波動(dòng)情況,以獲取對(duì)另一組閥門(mén)入口管路處壓力變化規(guī)律,如圖4所示.

圖4 管網(wǎng)中不同支路工作水擊壓力曲線

由圖4可見(jiàn),當(dāng)主路分支管路下游4臺(tái)閥門(mén)同時(shí)工作時(shí),該路上游管路內(nèi)產(chǎn)生了明顯的水擊,而副路分支管路內(nèi)也出現(xiàn)了明顯的壓力波動(dòng),具體表現(xiàn):在開(kāi)機(jī)過(guò)程中,主路閥門(mén)上游管路僅產(chǎn)生一個(gè)周期明顯的負(fù)壓力波動(dòng),而此時(shí)在副路分支管路內(nèi)卻產(chǎn)生了明顯的類(lèi)似于關(guān)機(jī)水擊的周期性壓力波動(dòng),且壓力波動(dòng)幅度達(dá)到穩(wěn)態(tài)壓力的50%以上.分析認(rèn)為,主路閥門(mén)開(kāi)機(jī)產(chǎn)生負(fù)水擊后,該壓力波在管網(wǎng)中傳播,到達(dá)其他閥門(mén)入口后引起相應(yīng)位置也產(chǎn)生壓力波動(dòng),但隨著主路閥門(mén)上游管路內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定,管網(wǎng)中其他部位的壓力快速恢復(fù)到初始穩(wěn)定值,此時(shí),對(duì)于其他閥門(mén)入口是一個(gè)壓力上升的過(guò)程,相當(dāng)于發(fā)生了一個(gè)流動(dòng)狀態(tài)停止的情況,這必然引發(fā)類(lèi)似于閥門(mén)關(guān)閉的正水擊效應(yīng),造成其他支路管路內(nèi)發(fā)生壓力振蕩.在主路閥門(mén)關(guān)機(jī)水擊發(fā)生后,水擊壓力波向上游管網(wǎng)傳播,導(dǎo)致其他部位也出現(xiàn)正水擊壓力波現(xiàn)象,壓力波動(dòng)幅度略小于水擊發(fā)生部位壓力,并隨著水擊發(fā)生部位壓力的衰減而逐漸衰減.

2.3.4 控制周期對(duì)水擊壓力的影響

對(duì)于相同的開(kāi)機(jī)脈寬,閥門(mén)脈沖間隔時(shí)間因控制周期不同而變化.試驗(yàn)中模擬了某航天器閥門(mén)開(kāi)機(jī)時(shí)間為0.05 s時(shí),分別對(duì)應(yīng)0.16,0.20 s這2種控制周期時(shí)的水擊壓力,如圖5所示.

圖5 2種控制周期下水擊壓力曲線

由圖5可見(jiàn),同樣在0.05 s開(kāi)機(jī)脈寬下,控制周期為0.16 s時(shí)管路中水擊壓力峰值為0.48 MPa;控制周期為0.20 s時(shí)管路中水擊壓力峰值為0.62 MPa,變化幅度不超過(guò)30%.分析認(rèn)為,對(duì)于特定的開(kāi)機(jī)脈寬,隨著控制周期增大,閥門(mén)關(guān)閉響應(yīng)更為充分,上游管路內(nèi)燃料流量變化更為明顯,在管徑不變的情況下,管路內(nèi)流速變化也更加明顯,導(dǎo)致水擊壓力峰值有所增大,但水擊壓力波形略有不同,分析認(rèn)為原因是脈沖間隔時(shí)間的差異影響了關(guān)機(jī)水擊的發(fā)展及與下一次開(kāi)機(jī)水擊的疊加效果.

2.3.5 多臺(tái)閥門(mén)不同脈寬同時(shí)啟動(dòng)的水擊壓力

試驗(yàn)中模擬了3臺(tái)閥門(mén)以不同脈寬在同一控制周期下工作時(shí)的管路水擊壓力,具體工況:控制周期均為0.16 s下,一臺(tái)閥門(mén)以0.08 s脈寬脈沖工作,另2臺(tái)閥門(mén)以0.05 s脈寬脈沖工作,3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作不同步.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6所示.

圖6 多閥門(mén)不同步工作時(shí)水擊壓力

由圖6可見(jiàn),多臺(tái)閥門(mén)在相同控制周期內(nèi)以不同脈寬工作時(shí),在一個(gè)控制周期內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)壓力峰值,最大值較同步工作時(shí)有所減小.分析認(rèn)為導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因?yàn)楦鏖y門(mén)關(guān)機(jī)不同步,較晚關(guān)閉的閥門(mén)引起的水擊發(fā)生時(shí),較早關(guān)閉的閥門(mén)引起的水擊壓力尚未完全下降,導(dǎo)致產(chǎn)生了第二個(gè)壓力峰;同時(shí),由于不同工作脈寬的閥門(mén)水擊產(chǎn)生的時(shí)間不同,在管路中傳播后不易造成波峰-波峰疊加的情況,相對(duì)而言削弱了水擊壓力峰值.

3 結(jié) 論

1) 管路中水擊壓力的變化與閥門(mén)脈沖工作模式以及同時(shí)工作的閥門(mén)組合關(guān)系密切,水擊壓力隨閥門(mén)工作脈寬的減小而越大,最大變化幅度超過(guò)80%;水擊壓力隨控制周期的增加略有增加,0.16 s和0.20 s這2種不同控制周期對(duì)管路水擊影響程度約為10%;水擊壓力隨著同時(shí)工作閥門(mén)數(shù)量的增加而增大,一臺(tái)閥門(mén)與2臺(tái)閥門(mén)工作時(shí)的水擊壓力變化超過(guò)1倍;水擊壓力峰值在多閥門(mén)不同步工作時(shí)有所減小,且降低幅度可達(dá)到50%以上.

2) 通過(guò)調(diào)整閥門(mén)工作脈寬減少短脈沖工作、減少同一時(shí)刻同時(shí)工作的閥門(mén)數(shù)量、多閥門(mén)差異化工作等工作模式調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)降低燃料輸送管路內(nèi)水擊壓力的目的.

文中的研究結(jié)論針對(duì)規(guī)模和結(jié)構(gòu)類(lèi)似的多閥門(mén)燃料輸送管路系統(tǒng)可以作為參考,但由于水擊壓力在管網(wǎng)中傳播的復(fù)雜性,對(duì)于管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、閥門(mén)狀態(tài)差異較大的燃料輸送系統(tǒng)的水擊問(wèn)題,還需要做進(jìn)一步具體的分析和研究.