某發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)貯箱排放均衡性研究

李純飛,龍春偉,董　苑

0　引言

某單組元發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配套兩臺(tái)貯箱供應(yīng)推進(jìn)劑，兩臺(tái)貯箱采用并聯(lián)方式布局，接入環(huán)形管路將推進(jìn)劑分配至各推力裝置，貯箱與推力裝置布局結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，兩貯箱推進(jìn)劑供應(yīng)流量不會(huì)完全一致，導(dǎo)致貯箱內(nèi)推進(jìn)劑排放不均衡，嚴(yán)重時(shí)其中一臺(tái)貯箱推進(jìn)劑耗盡而另一臺(tái)貯箱剩余大量推進(jìn)劑，會(huì)影響系統(tǒng)工作性能和可靠性，同時(shí)引起飛行器質(zhì)心偏移，影響控制精度。經(jīng)梳理，發(fā)動(dòng)機(jī)管路流阻特性(連接貯箱與環(huán)管管路流阻大小及偏差)、推力裝置工作特性(如推力裝置噴注壓降、床流阻、分解效率的各異性)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局(分布均勻性)等因素影響系統(tǒng)排放均衡性。為定量獲得各影響因素進(jìn)而為系統(tǒng)采取控制措施提供依據(jù)，建立了計(jì)算模型，對(duì)各影響因素進(jìn)行了計(jì)算分析，搭建了試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。

圖1　貯箱并聯(lián)布局示意圖Fig.1　Layout diagram of parallel tank

1　影響因素分析

1.1　分析模型

以?xún)膳_(tái)推力裝置同時(shí)工作為例，建立了如圖2所示分析模型，圖2中：A，B為兩貯箱；F1，F(xiàn)2為兩臺(tái)推力裝置；qA，qB為兩貯箱流量；qA1，qA2為A貯箱供應(yīng)的推進(jìn)劑經(jīng)環(huán)管分流后供應(yīng)給兩臺(tái)推力裝置的流量；qB1，qB2為B貯箱供應(yīng)的推進(jìn)劑經(jīng)環(huán)管分流后供應(yīng)給兩臺(tái)推力裝置的流量；q1，q2為兩臺(tái)推力裝置的流量；per為貯箱入口增壓壓力(采用同一減壓閥供應(yīng)氣體，因此假設(shè)兩貯箱入口壓力相等)；pA為A貯箱對(duì)應(yīng)環(huán)管入口壓力；pB為B貯箱對(duì)應(yīng)環(huán)管入口壓力；p1，p2為兩臺(tái)推力裝置入口壓力。

圖2　模型示意圖Fig.2　Diagram of analysis model

系統(tǒng)工作時(shí)，推力裝置推進(jìn)劑供應(yīng)遵循壓力平衡和流量平衡，以圖2所示系統(tǒng)為例，可建立如下壓力平衡和流量平衡方程組：

(1)

(2)

(3)

(4)

qA=qA1+qA2

(5)

qB=qB1+qB2

(6)

q1=qA1+qB1

(7)

q2=qA2+qB2

(8)

對(duì)于推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，推進(jìn)劑增壓壓力即per為已知，貯箱與管路系統(tǒng)流阻特性通過(guò)液流試驗(yàn)或計(jì)算模型計(jì)算獲得，流阻特性可擬合為流量的一元關(guān)系式；發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力與流量關(guān)系通過(guò)熱試車(chē)獲得，為此，推進(jìn)劑供應(yīng)壓力平衡方程式(1)～(4)可轉(zhuǎn)化為與流量相關(guān)的方程組，見(jiàn)式(9)～(12)，結(jié)合系統(tǒng)流量平衡方程式(5)～(8)，通過(guò)迭代計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量求取，進(jìn)而可獲得兩貯箱供應(yīng)流量并定量分析對(duì)排放均衡性的影響：

per=fq1+fqA1+fqA

(9)

per=fq1+fqA2+fqA

(10)

per=fq1+fqB1+fqB

(11)

per=fq1+fqB2+fqB

(12)

1.2　計(jì)算步驟

對(duì)管路流阻特性、推力裝置工作特性、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局等影響因素進(jìn)行了計(jì)算。

管路流阻特性影響計(jì)算時(shí)重點(diǎn)計(jì)算了連接貯箱與環(huán)管管路流阻大小、流阻偏差對(duì)系統(tǒng)排放均衡性的影響，流阻大小變化通過(guò)改變管路通徑獲得，流阻偏差通過(guò)調(diào)節(jié)管路流阻相關(guān)系數(shù)獲得。

推力裝置工作特性影響計(jì)算時(shí)通過(guò)改變?nèi)肟趬毫εc流量擬合關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)不同推力裝置工作特性模擬，計(jì)算了工作特性無(wú)差異以及工作特性存在差異兩狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)排放均衡性的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局影響計(jì)算時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與貯箱對(duì)稱(chēng)布局狀態(tài)和非對(duì)稱(chēng)布局兩狀態(tài)下系統(tǒng)供應(yīng)特性進(jìn)行了計(jì)算。

1.3　結(jié)算結(jié)果

計(jì)算了3種系統(tǒng)狀態(tài)(系統(tǒng)狀態(tài)1，2，3)，8種工作模式(組合A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H)下系統(tǒng)供應(yīng)特性。系統(tǒng)狀態(tài)描述見(jiàn)表1。8種工作模式均為4機(jī)同時(shí)工作，組合A中發(fā)動(dòng)機(jī)推力品種、推力裝置工作特性相同，布局相同，貯箱對(duì)稱(chēng)布局；組合C，E，G三種工作模式推力品種相同、推力裝置工作特性相同，結(jié)構(gòu)布局不同，貯箱為非對(duì)稱(chēng)布局；組合B相對(duì)組合A，組合D相對(duì)組合C，組合F相對(duì)組合E以及組合H相對(duì)組合G除靠近A貯箱兩臺(tái)推力裝置工作特性不同外，其余狀態(tài)相同；組合B，D，F(xiàn)，H中靠近A貯箱兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)入口壓力下流量為設(shè)計(jì)值的1.1倍。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

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1.4　計(jì)算結(jié)果分析

1.4.1發(fā)動(dòng)機(jī)管路流阻特性影響分析

對(duì)比系統(tǒng)狀態(tài)1與2，狀態(tài)1連接A，B貯箱與環(huán)管兩管路流阻特性相同，均為設(shè)計(jì)狀態(tài)，狀態(tài)2兩管路流阻存在偏差，連接A貯箱管路流阻較設(shè)計(jì)狀態(tài)偏大20%，連接B貯箱管路流阻為設(shè)計(jì)狀態(tài)。A，C，E，G四種工作組合在狀態(tài)1下兩貯箱排液偏差分別為0.0%,+1.0%,-4.1%,+4.3%，在狀態(tài)2下兩貯箱排液偏差分別為-7.5%，-6.9%，-11.2%，-3.9%，兩狀態(tài)下4種工作組合兩貯箱排液偏差值增加7.1%～8.2%，變化較大，表明連接A、B兩貯箱與環(huán)管管路的流阻偏差對(duì)系統(tǒng)排放均衡性影響較大。對(duì)比狀態(tài)1與2四種工作組合計(jì)算結(jié)果，兩管路流阻相等時(shí)，系統(tǒng)排放具有較好的均衡性。

對(duì)比系統(tǒng)狀態(tài)1與3，狀態(tài)1連接A，B貯箱與環(huán)管兩管路通徑為設(shè)計(jì)狀態(tài)，狀態(tài)3兩管路通徑較設(shè)計(jì)狀態(tài)減小了20%，相應(yīng)的阻尼效應(yīng)增強(qiáng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，A，C，E，G四種工作組合在狀態(tài)3下兩貯箱排液偏差分別為0.0%，+0.3%，-1.5%，+1.5%，相比于狀態(tài)1，除對(duì)組合A排液偏差無(wú)影響外，組合B，C，D排液偏差均減小，減小0.7%～2.8%，變化較大，表明連接A，B兩貯箱與環(huán)管管路的流阻大小對(duì)系統(tǒng)排放均衡性影響較大。對(duì)比狀態(tài)1與3四種工作組合計(jì)算結(jié)果，增加兩管路設(shè)計(jì)流阻有利于提高系統(tǒng)排放均衡性。

1.4.2推力裝置工作特性影響分析

組合B，D，F(xiàn)及H中靠近A貯箱的兩臺(tái)推力裝置工作特性相對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)存在變化，在設(shè)計(jì)入口壓力下，其流量取為設(shè)計(jì)流量的1.1倍。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上述4種組合在狀態(tài)1下兩貯箱排液偏差分別為0.1%，+1.1%，-4.0%及+4.4%，對(duì)比A，C，E，G四種工作組合，各組合兩貯箱排液偏差值增加約0.1%，相對(duì)推力裝置工作特性變化10%，兩貯箱排液偏差值變化較小，表明推力裝置工作特性對(duì)系統(tǒng)排放均衡性影響有限。

1.4.3發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局影響分析

組合C，E，G推力裝置品種及數(shù)量相同，結(jié)構(gòu)布局不同，對(duì)比3種工作組合在3種計(jì)算狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果，各計(jì)算狀態(tài)下，3種工作組合兩貯箱排液偏差不同，最大相差3.0%～8.4%不等，表明發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局對(duì)系統(tǒng)排放均衡性影響較大。組合A發(fā)動(dòng)機(jī)布局相對(duì)兩貯箱對(duì)稱(chēng)，總體而言，在各計(jì)算狀態(tài)下，組合A下兩貯箱排液偏差較小，表明發(fā)動(dòng)機(jī)宜設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)布局方案，以改善系統(tǒng)排放均衡性。

根據(jù)計(jì)算分析表明，影響本發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)排放均衡性的主導(dǎo)因素有連接貯箱與環(huán)管入口管路流阻大小與偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局，推力裝置工作特性影響有限。

2　試驗(yàn)及分析

2.1　試驗(yàn)方案

搭建冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，將其介質(zhì)供應(yīng)流量-壓降特性與發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)流量-壓降特性設(shè)計(jì)一致，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)推進(jìn)劑供應(yīng)過(guò)程模擬，所建立的試驗(yàn)系統(tǒng)排放均衡性與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相當(dāng)。試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行冷態(tài)排液試驗(yàn)，獲得各工作模式下系統(tǒng)排放特性，進(jìn)而可對(duì)各影響因素影響情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)時(shí)各工作模式逐一進(jìn)行試驗(yàn)，各工作模式單獨(dú)進(jìn)行一定時(shí)長(zhǎng)的排液，通過(guò)獲得試驗(yàn)排液零秒及排液末秒兩貯箱質(zhì)量，即可獲得各工作模式下兩貯箱排液量及偏差情況，進(jìn)而獲得各影響因素影響情況。

試驗(yàn)選取了兩種試驗(yàn)狀態(tài)(試驗(yàn)狀態(tài)1，2)、5種工作模式(組合U，V，W，X，Y)。試驗(yàn)狀態(tài)描述見(jiàn)表2。組合U，V推力品種、數(shù)量、布局相同，推力裝置工作特性不同，組合U為設(shè)計(jì)狀態(tài)，組合V中靠近B貯箱的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)入口壓力下流量為設(shè)計(jì)狀態(tài)的1.2倍，另外兩臺(tái)靠近A貯箱的發(fā)動(dòng)機(jī)為設(shè)計(jì)狀態(tài)；組合W，X推力品種、數(shù)量與工作特性相同，布局不同。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2　試驗(yàn)分析

2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)管路流阻特性影響分析

對(duì)比試驗(yàn)狀態(tài)1與2，試驗(yàn)狀態(tài)2連接貯箱與環(huán)管管路在設(shè)計(jì)狀態(tài)基礎(chǔ)上設(shè)置了節(jié)流孔板，流阻增加。組合U，V，W及Y均在兩狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，4種組合在試驗(yàn)狀態(tài)1下兩貯箱排液偏差分別為+1.4%，+0.4%，+10.2%及+18.4%，在試驗(yàn)狀態(tài)2下分別為+0.4%，-0.5%，+3.6%及+7.5%。由于組合U，V排放均衡性相對(duì)較好，在兩試驗(yàn)狀態(tài)下變化不明顯；組合W，Y排放均衡性相對(duì)較差，兩組合在試驗(yàn)狀態(tài)2下排放均衡性提高明顯，相對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)1偏差分別減小6.6%，10.9%，表明增加連接貯箱與環(huán)管管路的流阻特性有利于提高系統(tǒng)排放均衡性。

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2.2.2推力裝置工作特性影響分析

組合U與V除推力裝置工作特性不同外，其余狀態(tài)均相同，其中組合V中兩臺(tái)靠近B貯箱的發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)入口壓力下流量為設(shè)計(jì)狀態(tài)的1.2倍。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，兩組合在試驗(yàn)狀態(tài)1下兩貯箱排液偏差分別為+1.4%、+0.4%，相差1%，相對(duì)推力裝置工作特性存在20%變化，排液偏差變化很小，表明推力裝置工作特性變化對(duì)系統(tǒng)排放均衡性的影響有限。

2.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局影響分析

組合W與X除發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局不同外，其余狀態(tài)均相同。組合W在試驗(yàn)狀態(tài)1下兩貯箱排液偏差為+10.2%，組合X在試驗(yàn)狀態(tài)1下兩貯箱排液偏差為-1.2%，兩組合下系統(tǒng)排液偏差相差11.4%，表明發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局對(duì)系統(tǒng)排放均衡性具有較大影響。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，影響本發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)排放均衡性的主導(dǎo)因素有連接貯箱與環(huán)管入口管路流阻大小、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局，推力裝置工作特性影響有限。

3　控制措施

仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，連接貯箱與環(huán)管入口管路流阻大小與偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局對(duì)系統(tǒng)排放均衡性影響較大，推力裝置工作特性影響有限。

可采取的控制措施：

1)在連接貯箱與環(huán)管入口管路設(shè)置一定壓降的限流結(jié)構(gòu)或適當(dāng)減小連接貯箱與環(huán)管入口管路的通徑，增加管路阻尼效應(yīng)。

2)對(duì)連接貯箱與環(huán)管入口管路進(jìn)行液流試驗(yàn)，通過(guò)選配產(chǎn)品進(jìn)而消除或降低兩管路流阻差異。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)兩貯箱對(duì)稱(chēng)布局；將發(fā)動(dòng)機(jī)接口設(shè)置于遠(yuǎn)離兩貯箱的環(huán)管中部位置，或在環(huán)管中部設(shè)置轉(zhuǎn)接通集中安裝各發(fā)動(dòng)機(jī)分機(jī)，以降低不對(duì)稱(chēng)性影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)貯箱推進(jìn)劑排放均衡性的主要因素，進(jìn)行了計(jì)算分析與試驗(yàn)，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明，連接貯箱至環(huán)管的管路流阻大小、兩管路流阻偏差、各推力裝置相對(duì)兩貯箱布局是否對(duì)稱(chēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)排放均衡性具有較大影響，推力裝置工作特性影響有限，在此基礎(chǔ)上，提出了可行的控制措施。