氧氮过滤器滤芯的优化设计

2018-04-27王鹏飞郭春立于慧洁刘海飞

真空与低温 2018年2期

王鹏飞，唐强，郭春立，张杰，曹岭，于慧洁，刘海飞

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

0 引言

低温加注系统中氧氮过滤器安装于加注管路末端，用于去除加注管路系统中多余物颗粒，保证推进剂进箭的洁净品质，在一定程度上决定着低温加注任务的完成甚至整个任务的成败。

低温加注系统要求氧氮过滤器必须具备流动阻力小、工作可靠性高、工艺性和经济性好、便于滤芯的检查和更换等特点。金属丝网阻力小、可焊接、强度高、能较好的承受热应力及冲击[1-2]等要求，而流体流经直流式Y形（斜插式）壳体阻力小[3]，常作为氧氮过滤器的外壳结构。目前，国内低温加注系统中氧氮过滤器采用Y形直流式壳体、单层金属丝网+金属骨架+固定件的结构形式。该种结构特点的过滤器已得到应用，然而在液氧加注系统调试中，液氧转注过程中出现了滤网破裂的故障，因此，为了满足低温加注系统要求，顺利完成液氧推进剂的加注，有必要对滤芯结构进行优化，提高工作的可靠性。

1 氧氮过滤器的结构

低温加注系统中氧氮过滤器采用斜插式壳体、金属骨架+丝网+固定件滤芯设计方案，主要包括壳体、滤芯、堵盖、紧固件、密封垫等，如图1所示。

氧氮过滤器中壳体作为过滤器的主体部件，与堵盖、紧固件、密封垫组成承压壳体。滤芯作用是去除来流液氧液氮中固体杂质，滤芯的完好性和有效性很大程度上决定了过滤器的工作效率。图2为原滤芯结构示意图，滤芯主要由位于其轴线上部的隔热部分（内管段）、中部的通流部分（滤网段）、下部的密封部分组成，中间通流部分起到介质流动通道和去除固体杂质作用。密封部分通过燕尾槽中模压的聚四氟乙烯密封环与壳体中密封座、密封环面组成密封副，防止杂质从下部直接进入过滤器下游。滤芯需要保证足够的有效通流面积（不小于管道通流面积的1.5倍）；骨架与滤网、固定件（压条、压环）之间有足够的结合强度；下部与壳体之间有良好的密封性能。

图1 氧氮过滤器结构示意图Fig.1 the structure of the nitrogen and oxygen filter

图2 原滤芯结构示意图Fig.2 the structure of the nitrogen and oxygen filter element

分析滤芯的结构可知，滤网开裂的原因在于滤网、骨架、固定件三者的结合强度不足，在液流冲击下发生局部固定点失效导致滤网开裂，通过观察滤网开裂局部实物发现骨架通流部分为6个长条形孔，滤网、骨架、固定件的电阻焊焊点（固定点）偏少，焊点之间轴向方向和径向方向（根据滤芯结构特点，仅能在非开孔部分进行滤网、挂架、固定件之间的固定）间距较大，同一轴向位置，最多有6个固定点，焊点分布不利于保证滤芯耐压力、液流冲击，焊点外观、焊点间距、焊点分布一致性不好，特别是纵向固定件（压条）和横向固定件（压环）之间结合部位无焊点，而来流方向靠近密封侧压条与压环结合部位液流速度较快，冲击较大。压条与端面间的最近焊点距离端面较远，且滤网在骨架外侧缠绕重合部分较少，一旦固定件局部开裂，容易发生滤网开裂现象。主要目的在于提高滤网、骨架、固定件三者的结合强度，从而提高滤芯抵抗介质压力、液流冲击的能力，提高过滤器滤芯的工作可靠性。

2 过滤器滤芯的优化

根据上述分析，过滤器滤芯优化主要方法为增加滤网、骨架、固定件三者结合（固定）点的数量，改善结合点分布和提高结合点质量控制，从结构设计和工艺方法两方面进行。

2.1 结构设计优化

（1）通过将内骨架筋条周向均布的6个长条孔分为3排长条孔，每排长条孔均为周向均布的20个长条孔，如图3所示，筋条和长条孔在圆周方向上间隔布置，在保证内骨架加工工艺前提下，筋条数和长条孔数越多，增加轴向固定件（压条）个数，同时在满足通流面积时筋条尽可能宽，以保证焊接工艺性；（2）为保证内骨架足够的刚度，筋条需要保证一定厚度，不低于4 mm，而固定件便于成形，尽可能薄（1 mm）。根据过滤精度和滤网标准，滤网厚度为0.04 mm，为保证3个厚度差异较大的零件焊接强度，同时避免较大的焊接变形，采用能量密度大、热变形较小的电阻焊；（3）增加滤网在内骨架表面缠绕重合部分宽度，重合部分增加至5个单元（周向方向1个筋条+1个长条孔）；（4）压条设置为两端凸出形状，两端凸出部分压在压环上，且通过氩弧焊与压环进行固定。

图3 改进后滤芯结构示意图Fig.3 the optimized structure of the nitrogen and oxygen filter element

2.2 工艺优化

（1）压条、压环修边：点焊前应对压条压环各边进行修磨，去除毛刺，避免出现虚焊现象；（2）滤网完成下料后，对4个飞边进行处理，方法为用两块厚5 mm紫铜板将滤网沿厚度方向夹住，使滤网边缘正好露出，将氩弧焊机电流调至5 A（参考），对滤网边缘飞边用氩弧焊进行烧熔处理；（3）压条凸出部分与压环之间通过氩弧焊点焊连接，在两个侧面均进行点焊；（4）压环对接接缝宽度应控制在1 mm左右，环向接缝部位尽量处于骨架周向未开长条孔处（方便用压条凸出部分对接缝部位变形进行控制）；（5）需保证沿骨架周向在每个长条孔中心位置处设置点焊点，焊点尽量保证位于骨架两端轴线方向未开长条孔部分中心位置，如两长条孔中心周向距离大于15 mm，在压环两点焊位置中心增加压焊点，直到任意两点焊中心距离在8～12 mm，如图4所示；（6）压条中部直边部分两端点焊点尽量靠近压条两端折边折点，焊点中心距折点不大于6 mm，压条点焊点距控制为10～12 mm[5]。

图4 压环焊点布局示意图Fig.4 the optimization of the welding pot in the round fasten piece

3 模拟验证

3.1 模拟工况

3.1.1 物理模型

为验证上述设计改进措施的有效性，运用AN⁃SYS软件模拟了DN100氧氮过滤器正向流动工况，对过滤器进行了流固耦合计算，分析了结构改进前和改进后的应力分布特征。改进前后状态滤芯结构区别如下：

（1）分析滤网骨架筋条数量增加（6根到12根），分别如图5（a）和（b）所示；

（2）单根筋条上焊点增加（由10个增加到20个），分别如图5（c）和（d）所示；

图5 过滤器滤芯结构图Fig.5 the structure of the filter element for simulation

（3）滤网压条两端外翻与压环进行氩弧焊，如图5（d）所示。

3.1.2 边界条件及介质物性参数

（1）进出口边界条件。进口边界条件：质量入口，体积流量为600 L/min；出口边界条件：压力出口，0.4 MPa；（2）壁面条件设置。绝热壁面，表面粗糙度0.2 mm；（3）介质材料物性。流动介质为液氮，温度为77 K；（4）流体部分的计算网格数为1 400万，结构部分的计算网格数为130万。

3.2 结果分析

3.2.1 流场计算

距滤芯底部0.1 m处的压力分布如图6所示，其中流动方向如图6实箭头所示，虚箭头给出了不同位置的编号（点1～点4），其中，点1正对流动方向，点2背对流动方向，点3、点4与流动方向垂直。

图6 距滤芯底部0.1 m处的压力分布图Fig.6 The pressure distribution of the 0.1meter location away from filter bottom

另外，图6呈圆周状分布的点阵是滤网截面，6个圆周状分布的梯形面是支架截面。由图6可以看出，点1处滤网内外压力分布最不均衡，点3、点4内外压力分布最为均衡，点2处内外压力分布不均衡度有所加大。

3.2.2 结构计算

流固耦合面的压力分布如图7所示，可以看出，最大值分布在入口处。

图8反映4个不同观察角度的滤芯变形量，可以看出，点1变形量最大，点2次之，点3和点4最小。

图7 流固耦合面压力分布图Fig.7 the pressure distribution of the fluid and solid coupling interface

图8 滤芯变形量图Fig.8 the deformation of the filter element

根据仿真计算结果，结构改进后的应力分布较改进前更加均匀，无明显的应力集中现象，最大应力由500.54 MPa降至26.95 MPa。

4 实验验证

为验证上述设计和工艺改进措施的有效性，通过液流冲击试验和液氮浸泡试验，对滤网、骨架、骨架三者焊接强度、滤芯的抗液流冲击能力进行试验验证，具体方法为：过滤器滤芯完成点焊后进行液流冲击试验，用高压水枪（出口压力不小于2.0 MPa）对滤芯通流部分各处进行由外到内、由内到外两个方向的冲击试验，重点是滤网圆周方向搭接处和滤网轴线方向与骨架搭接处，冲击时间不低于5 min。冲击结束后滤芯不出现压条、压环焊点脱落、滤网破裂、滤网脱开现象。

冲击试验合格后进行液氮浸泡试验。方法为：浸泡在液氮中不少于1 h，自然回温后检查点焊质量，反复1次。

氧氮过滤器滤芯改进设计后至今，各规格各批次滤芯均进行液流冲击和液氮浸泡试验，未发生焊点脱落、滤网破裂和滤网开裂现象。

氧氮加注系统用过滤器进行上述改进后，DN80、DN100、DN125、DN150四种规格过滤器圆满完成加注任务，其中DN100、DN125、DM150氧氮过滤器经历了泄回流量500 L/min的考验。