液氧煤油发动机蒸发器路单向阀结构优化

2012-03-16贾景卫

火箭推进 2012年1期

雷恒，贾景卫，谢宁

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

0 引言

液氧煤油火箭发动机使用低温推进剂，其贮箱增压采用自身增压方式[1]：发动机工作后，通过发动机蒸发器路从低温推进剂泵出口引出一股推进剂，经过发动机蒸发器后将推进剂蒸气输入推进剂贮箱，用于推进剂贮箱的增压，给推进剂贮箱一个的正压以避免泵的汽蚀；而在发动机工作前，蒸发器路不允许泄漏。因此，在发动机蒸发器路中设置一单向阀。

在发动机研制过程中，蒸发器路推进剂流量系统要求值减小。在发动机试车中，由于蒸发器路单向阀调整流量为新调整值，已小于单向阀最初设计流量，发动机试车时单向阀阀芯出现颤振，从而在发生器氧系统引入了脉动激励源，并形成了发动机系统的耦合振荡，发动机结构振动大幅增加，导致试车中止。为了验证单向阀流路自激振荡特性，试车后进行了液流模拟试验。在一定进出口压力条件下，复现了单向阀的颤振状态，系统出现了频率为732 Hz的振动。单向阀上的振动远大于导管振动，分析认为732 Hz振动是由单向阀颤振引起的。试车后分解发现单向阀阀芯配合圆柱面及密封端面磨损严重，与试验及分析结果一致。

为了适应发动机蒸发器路新的流量要求，需对蒸发器路单向阀进行结构适应性优化改进。

1 单向阀工作原理

单向阀位于发动机蒸发器路，结构见图1，主要由阀芯、弹簧及壳体组成。当入口压力升高时，阀芯向右运动，走完行程后与壳体接触限位，推进剂经单向阀入口、阀座节流处、阀芯小孔，从出口流至氧蒸发器。

图1 单向阀结构示意图Fig.1 Structure sketch of check valve

2 问题原因分析

2.1 AMEsim软件简介

AMESim全称为Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems，是法国IMAGINE公司开发的高级工程仿真系统，是一个图形化的开发环境，用于流体、机械、控制、电磁等工程系统建模、仿真和动态性能分析。AMESim具有丰富的模型库，用户可以采用基本元素法，按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，而不需要去推导复杂的数学模型，使得工程师从繁琐的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计[2]。

2.2 单向阀AMEsim建模

AMESim软件在操作上简单方便，主要经过4个步骤：1)Sketch草图模式下搭建系统模型；2)Submodels子模型模式下为系统元件选择合适的数学模型；3)Parameters参数模式下为图形模型设置参数；4)Simulation仿真模式下运行仿真系统[3]。根据AMESim中液压库及HCD库中各个模块的特性，对单向阀进行建模，并搭建试验系统模型，如图2所示。AMESim仿真的关键就是模型的选取和参数的设置[4-5]。该单向阀的参数如表1所示。

图2 单向阀AMEsim模型Fig.2 AMEsim model of check valve

2.3 仿真分析

将输入信号设为0.18 kg/s的恒流源信号，对单向阀模型进行仿真计算。取仿真时间为5 s，步长0.01 s，得到单向阀阀芯行程和压降的变化曲线，如图3所示。可以看出，阀芯已无法达到全开状态，在0.2 mm左右颤振，单向阀压降也随之出现波动。说明单向阀已不能适应新流量要求，在0.18 kg/s流量下，流体作用在阀芯上的力已经无法克服弹簧力，阀芯出现了颤振。

表1 模型主要参数Tab.1 Main parameters ofmodel

图3 单向阀行程及压降计算结果Fig.3 Calculated results of spool stroke and pressure drop of check valve

3 单向阀结构改进

3.1 结构设计优化改进

根据要求，单向阀流量由原来的0.34 kg/s减小至0.18 kg/s，流量减小后单向阀压降也随之减小。为保证阀芯打开后克服弹簧力，在单向阀打开压力保持不变、入口通径不作调整的情况下，应增大单向阀压降，可通过减小单向阀流通面积、提高介质流速来实现。

根据流阻计算公式，按下式确定阀芯行程及阀芯小孔过流面积及小孔直径：

式中：Si为改进后单向阀流通面积，mm2；Q为改进后单向阀流量，kg/s；Q0为改进前单向阀流量，kg/s；S0为改进前单向阀流通面积，mm2；S1为单向阀阀芯节流处面积，mm2；D为单向阀通径，mm；h为阀芯行程，mm；S2为阀芯小孔面积，mm2；n为阀芯小孔个数；d为阀芯小孔直径，mm。

3.2 仿真分析

通过计算，阀芯行程应减小为1.5 mm，阀芯小孔直径应减小至2 mm，为进一步提高阀芯打开后的稳定性，拟将阀芯小孔直径减小为1.5 mm。对改进后单向阀进行仿真计算，得到流量为0.18 kg/s阀芯行程曲线，见图4。

图4 改进后单向阀阀芯行程计算结果Fig.4 Calculated result of spool stroke of improved check valve

可以看出，阀芯行程为1.5 mm，小孔直径减小为1.5 mm和2 mm后阀芯打开稳定，未出现颤振。小孔直径为1.5 mm时，阀芯行程为1.5 mm，阀芯处于全开状态；小孔直径为2 mm时，阀芯行程为0.5 mm，处于半开状态，此时单向阀阀芯没有和壳体接触限位，处于不稳定状态。因此，将阀芯小孔直径减小为1.5 mm。

对改进后单向阀（阀芯行程1.5 mm，阀芯小孔直径1.5 mm）进行液流试验仿真分析：给单向阀入口通入 0.14，0.16，0.18，0.2，0.24，0.28，0.32，0.36及0.4 kg/s的流量，计算单向阀压降及阀芯行程，见图5。

图5 改进后单向阀阀芯行程及压降计算结果Fig.5 Calculated results of spool stroke and pressure drop of improved check valve

可以看出，改进状态的单向阀在流量0.14～0.4 kg/s范围内，阀芯行程为1.5 mm，均处于全开状态，未出现颤振；单向阀压降稳定，未出现波动。

3.3 试验验证

根据单向阀液流试验要求，对改进后单向阀产品进行了液流试验。试验时产品入口分别通入0.14，0.16，0.18，0.2，0.24，0.28，0.32，0.36 及0.4 kg/s的流量，保证产品出口压力恒定，测量单向阀压降。试验中单向阀压降稳定，试验结果见表2。根据试验结果计算单向阀流阻系数，均为0.05，说明试验中单向阀阀芯稳定，未出现颤振[6]。