液氧煤油發動機蒸發器路單向閥結構優化

雷 恒，賈景衛，謝 寧

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

液氧煤油火箭發動機使用低溫推進劑，其貯箱增壓采用自身增壓方式[1]：發動機工作后，通過發動機蒸發器路從低溫推進劑泵出口引出一股推進劑，經過發動機蒸發器后將推進劑蒸氣輸入推進劑貯箱，用于推進劑貯箱的增壓，給推進劑貯箱一個的正壓以避免泵的汽蝕；而在發動機工作前，蒸發器路不允許泄漏。因此，在發動機蒸發器路中設置一單向閥。

在發動機研制過程中，蒸發器路推進劑流量系統要求值減小。在發動機試車中，由于蒸發器路單向閥調整流量為新調整值，已小于單向閥最初設計流量，發動機試車時單向閥閥芯出現顫振，從而在發生器氧系統引入了脈動激勵源，并形成了發動機系統的耦合振蕩，發動機結構振動大幅增加，導致試車中止。為了驗證單向閥流路自激振蕩特性，試車后進行了液流模擬試驗。在一定進出口壓力條件下，復現了單向閥的顫振狀態，系統出現了頻率為732 Hz的振動。單向閥上的振動遠大于導管振動，分析認為732 Hz振動是由單向閥顫振引起的。試車后分解發現單向閥閥芯配合圓柱面及密封端面磨損嚴重，與試驗及分析結果一致。

為了適應發動機蒸發器路新的流量要求，需對蒸發器路單向閥進行結構適應性優化改進。

1 單向閥工作原理

單向閥位于發動機蒸發器路，結構見圖1，主要由閥芯、彈簧及殼體組成。當入口壓力升高時，閥芯向右運動，走完行程后與殼體接觸限位，推進劑經單向閥入口、閥座節流處、閥芯小孔，從出口流至氧蒸發器。

圖1 單向閥結構示意圖Fig.1 Structure sketch of check valve

2 問題原因分析

2.1 AMEsim軟件簡介

AMESim全稱為Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems，是法國IMAGINE公司開發的高級工程仿真系統，是一個圖形化的開發環境，用于流體、機械、控制、電磁等工程系統建模、仿真和動態性能分析。AMESim具有豐富的模型庫，用戶可以采用基本元素法，按照實際物理系統來構建自定義模塊或仿真模型，而不需要去推導復雜的數學模型，使得工程師從繁瑣的數學建模中解放出來，從而專注于物理系統本身的設計[2]。

2.2 單向閥AMEsim建模

AMESim軟件在操作上簡單方便，主要經過4個步驟：1)Sketch草圖模式下搭建系統模型；2)Submodels子模型模式下為系統元件選擇合適的數學模型；3)Parameters參數模式下為圖形模型設置參數；4)Simulation仿真模式下運行仿真系統[3]。根據AMESim中液壓庫及HCD庫中各個模塊的特性，對單向閥進行建模，并搭建試驗系統模型，如圖2所示。AMESim仿真的關鍵就是模型的選取和參數的設置[4-5]。該單向閥的參數如表1所示。

圖2 單向閥AMEsim模型Fig.2 AMEsim model of check valve

2.3 仿真分析

將輸入信號設為0.18 kg/s的恒流源信號，對單向閥模型進行仿真計算。取仿真時間為5 s，步長0.01 s，得到單向閥閥芯行程和壓降的變化曲線，如圖3所示。可以看出，閥芯已無法達到全開狀態，在0.2 mm左右顫振，單向閥壓降也隨之出現波動。說明單向閥已不能適應新流量要求，在0.18 kg/s流量下，流體作用在閥芯上的力已經無法克服彈簧力，閥芯出現了顫振。

表1 模型主要參數Tab.1 Main parameters ofmodel

圖3 單向閥行程及壓降計算結果Fig.3 Calculated results of spool stroke and pressure drop of check valve

3 單向閥結構改進

3.1 結構設計優化改進

根據要求，單向閥流量由原來的0.34 kg/s減小至0.18 kg/s，流量減小后單向閥壓降也隨之減小。為保證閥芯打開后克服彈簧力，在單向閥打開壓力保持不變、入口通徑不作調整的情況下，應增大單向閥壓降，可通過減小單向閥流通面積、提高介質流速來實現。

根據流阻計算公式，按下式確定閥芯行程及閥芯小孔過流面積及小孔直徑：

式中：Si為改進后單向閥流通面積，mm2；Q為改進后單向閥流量，kg/s；Q0為改進前單向閥流量，kg/s；S0為改進前單向閥流通面積，mm2；S1為單向閥閥芯節流處面積，mm2；D為單向閥通徑，mm；h為閥芯行程，mm；S2為閥芯小孔面積，mm2；n為閥芯小孔個數；d為閥芯小孔直徑，mm。

3.2 仿真分析

通過計算，閥芯行程應減小為1.5 mm，閥芯小孔直徑應減小至2 mm，為進一步提高閥芯打開后的穩定性，擬將閥芯小孔直徑減小為1.5 mm。對改進后單向閥進行仿真計算，得到流量為0.18 kg/s閥芯行程曲線，見圖4。

圖4 改進后單向閥閥芯行程計算結果Fig.4 Calculated result of spool stroke of improved check valve

可以看出，閥芯行程為1.5 mm，小孔直徑減小為1.5 mm和2 mm后閥芯打開穩定，未出現顫振。小孔直徑為1.5 mm時，閥芯行程為1.5 mm，閥芯處于全開狀態；小孔直徑為2 mm時，閥芯行程為0.5 mm，處于半開狀態，此時單向閥閥芯沒有和殼體接觸限位，處于不穩定狀態。因此，將閥芯小孔直徑減小為1.5 mm。

對改進后單向閥（閥芯行程1.5 mm，閥芯小孔直徑1.5 mm）進行液流試驗仿真分析：給單向閥入口通入 0.14，0.16，0.18，0.2，0.24，0.28，0.32，0.36及0.4 kg/s的流量，計算單向閥壓降及閥芯行程，見圖5。

圖5 改進后單向閥閥芯行程及壓降計算結果Fig.5 Calculated results of spool stroke and pressure drop of improved check valve

可以看出，改進狀態的單向閥在流量0.14～0.4 kg/s范圍內，閥芯行程為1.5 mm，均處于全開狀態，未出現顫振；單向閥壓降穩定，未出現波動。

3.3 試驗驗證

根據單向閥液流試驗要求，對改進后單向閥產品進行了液流試驗。試驗時產品入口分別通入0.14，0.16，0.18，0.2，0.24，0.28，0.32，0.36 及0.4 kg/s的流量，保證產品出口壓力恒定，測量單向閥壓降。試驗中單向閥壓降穩定，試驗結果見表2。根據試驗結果計算單向閥流阻系數，均為0.05，說明試驗中單向閥閥芯穩定，未出現顫振[6]。

表2 改進后單向閥液流試驗結果Tab.2 Results of liquid flow testing for improved check valve

將仿真計算結果與液流試驗計算結果進行對比，見表2。計算數據與液流試驗數據基本吻合，誤差在-8.3%～1.9%。

4 結論

采用AMEsim軟件對蒸發器路單向閥進行仿真分析，結果表明通過減小閥芯行程和閥芯小孔直徑可以防止閥芯打開后出現顫振。改進后單向閥產品在進行液流試驗合格后，參加了發動機熱試車考核，試車過程中單向閥工作正常，說明蒸發器路單向閥改進措施合理有效。

[1]G P薩頓.火箭發動機基礎[M].洪鑫,張寶炯,譯.北京:科學出版社,2003.

[2]IMAGINE.AMESim user manual[M/OL].[2011-03-03].www.cadfamily.com/downinfo/304437.html.

[3]付永領.AMEsim系統建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[4]馮曉迪.液壓閥動態特性試驗回路仿真研究[J].流體傳動與控制,2009,35(4):12-14.

[5]趙雙龍.調節閥特性研究[J].火箭推進,2010,36(2):40-42，52.

[6]王定軍,袁洪濱,董苑.貯箱充填過程仿真和分析[J].火箭推進,2008,34(1):23-25.