氧氮過濾器濾芯的優化設計

王鵬飛，唐 強，郭春立，張 杰，曹 嶺，于慧潔，劉海飛

（北京航天發射技術研究所，北京 100076）

0 引言

低溫加注系統中氧氮過濾器安裝于加注管路末端，用于去除加注管路系統中多余物顆粒，保證推進劑進箭的潔凈品質，在一定程度上決定著低溫加注任務的完成甚至整個任務的成敗。

低溫加注系統要求氧氮過濾器必須具備流動阻力小、工作可靠性高、工藝性和經濟性好、便于濾芯的檢查和更換等特點。金屬絲網阻力小、可焊接、強度高、能較好的承受熱應力及沖擊[1-2]等要求，而流體流經直流式Y形（斜插式）殼體阻力小[3]，常作為氧氮過濾器的外殼結構。目前，國內低溫加注系統中氧氮過濾器采用Y形直流式殼體、單層金屬絲網+金屬骨架+固定件的結構形式。該種結構特點的過濾器已得到應用，然而在液氧加注系統調試中，液氧轉注過程中出現了濾網破裂的故障，因此，為了滿足低溫加注系統要求，順利完成液氧推進劑的加注，有必要對濾芯結構進行優化，提高工作的可靠性。

1 氧氮過濾器的結構

低溫加注系統中氧氮過濾器采用斜插式殼體、金屬骨架+絲網+固定件濾芯設計方案，主要包括殼體、濾芯、堵蓋、緊固件、密封墊等，如圖1所示。

氧氮過濾器中殼體作為過濾器的主體部件，與堵蓋、緊固件、密封墊組成承壓殼體。濾芯作用是去除來流液氧液氮中固體雜質，濾芯的完好性和有效性很大程度上決定了過濾器的工作效率。圖2為原濾芯結構示意圖，濾芯主要由位于其軸線上部的隔熱部分（內管段）、中部的通流部分（濾網段）、下部的密封部分組成，中間通流部分起到介質流動通道和去除固體雜質作用。密封部分通過燕尾槽中模壓的聚四氟乙烯密封環與殼體中密封座、密封環面組成密封副，防止雜質從下部直接進入過濾器下游。濾芯需要保證足夠的有效通流面積（不小于管道通流面積的1.5倍）；骨架與濾網、固定件（壓條、壓環）之間有足夠的結合強度；下部與殼體之間有良好的密封性能。

圖1 氧氮過濾器結構示意圖Fig.1 the structure of the nitrogen and oxygen filter

圖2 原濾芯結構示意圖Fig.2 the structure of the nitrogen and oxygen filter element

分析濾芯的結構可知，濾網開裂的原因在于濾網、骨架、固定件三者的結合強度不足，在液流沖擊下發生局部固定點失效導致濾網開裂，通過觀察濾網開裂局部實物發現骨架通流部分為6個長條形孔，濾網、骨架、固定件的電阻焊焊點（固定點）偏少，焊點之間軸向方向和徑向方向（根據濾芯結構特點，僅能在非開孔部分進行濾網、掛架、固定件之間的固定）間距較大，同一軸向位置，最多有6個固定點，焊點分布不利于保證濾芯耐壓力、液流沖擊，焊點外觀、焊點間距、焊點分布一致性不好，特別是縱向固定件（壓條）和橫向固定件（壓環）之間結合部位無焊點，而來流方向靠近密封側壓條與壓環結合部位液流速度較快，沖擊較大。壓條與端面間的最近焊點距離端面較遠，且濾網在骨架外側纏繞重合部分較少，一旦固定件局部開裂，容易發生濾網開裂現象。主要目的在于提高濾網、骨架、固定件三者的結合強度，從而提高濾芯抵抗介質壓力、液流沖擊的能力，提高過濾器濾芯的工作可靠性。

2 過濾器濾芯的優化

根據上述分析，過濾器濾芯優化主要方法為增加濾網、骨架、固定件三者結合（固定）點的數量，改善結合點分布和提高結合點質量控制，從結構設計和工藝方法兩方面進行。

2.1 結構設計優化

（1）通過將內骨架筋條周向均布的6個長條孔分為3排長條孔，每排長條孔均為周向均布的20個長條孔，如圖3所示，筋條和長條孔在圓周方向上間隔布置，在保證內骨架加工工藝前提下，筋條數和長條孔數越多，增加軸向固定件（壓條）個數，同時在滿足通流面積時筋條盡可能寬，以保證焊接工藝性；（2）為保證內骨架足夠的剛度，筋條需要保證一定厚度，不低于4 mm，而固定件便于成形，盡可能薄（1 mm）。根據過濾精度和濾網標準，濾網厚度為0.04 mm，為保證3個厚度差異較大的零件焊接強度，同時避免較大的焊接變形，采用能量密度大、熱變形較小的電阻焊；（3）增加濾網在內骨架表面纏繞重合部分寬度，重合部分增加至5個單元（周向方向1個筋條+1個長條孔）；（4）壓條設置為兩端凸出形狀，兩端凸出部分壓在壓環上，且通過氬弧焊與壓環進行固定。

圖3 改進后濾芯結構示意圖Fig.3 the optimized structure of the nitrogen and oxygen filter element

2.2 工藝優化

（1）壓條、壓環修邊：點焊前應對壓條壓環各邊進行修磨，去除毛刺，避免出現虛焊現象；（2）濾網完成下料后，對4個飛邊進行處理，方法為用兩塊厚5 mm紫銅板將濾網沿厚度方向夾住，使濾網邊緣正好露出，將氬弧焊機電流調至5 A（參考），對濾網邊緣飛邊用氬弧焊進行燒熔處理；（3）壓條凸出部分與壓環之間通過氬弧焊點焊連接，在兩個側面均進行點焊；（4）壓環對接接縫寬度應控制在1 mm左右，環向接縫部位盡量處于骨架周向未開長條孔處（方便用壓條凸出部分對接縫部位變形進行控制）；（5）需保證沿骨架周向在每個長條孔中心位置處設置點焊點，焊點盡量保證位于骨架兩端軸線方向未開長條孔部分中心位置，如兩長條孔中心周向距離大于15 mm，在壓環兩點焊位置中心增加壓焊點，直到任意兩點焊中心距離在8～12 mm，如圖4所示；（6）壓條中部直邊部分兩端點焊點盡量靠近壓條兩端折邊折點，焊點中心距折點不大于6 mm，壓條點焊點距控制為10～12 mm[5]。

圖4 壓環焊點布局示意圖Fig.4 the optimization of the welding pot in the round fasten piece

3 模擬驗證

3.1 模擬工況

3.1.1 物理模型

為驗證上述設計改進措施的有效性，運用AN?SYS軟件模擬了DN100氧氮過濾器正向流動工況，對過濾器進行了流固耦合計算，分析了結構改進前和改進后的應力分布特征。改進前后狀態濾芯結構區別如下：

（1）分析濾網骨架筋條數量增加（6根到12根），分別如圖5（a）和（b）所示；

（2）單根筋條上焊點增加（由10個增加到20個），分別如圖5（c）和（d）所示；

圖5 過濾器濾芯結構圖Fig.5 the structure of the filter element for simulation

（3）濾網壓條兩端外翻與壓環進行氬弧焊，如圖5（d）所示。

3.1.2 邊界條件及介質物性參數

（1）進出口邊界條件。進口邊界條件：質量入口，體積流量為600 L/min；出口邊界條件：壓力出口，0.4 MPa；（2）壁面條件設置。絕熱壁面，表面粗糙度0.2 mm；（3）介質材料物性。流動介質為液氮，溫度為77 K；（4）流體部分的計算網格數為1 400萬，結構部分的計算網格數為130萬。

3.2 結果分析

3.2.1 流場計算

距濾芯底部0.1 m處的壓力分布如圖6所示，其中流動方向如圖6實箭頭所示，虛箭頭給出了不同位置的編號（點1～點4），其中，點1正對流動方向，點2背對流動方向，點3、點4與流動方向垂直。

圖6 距濾芯底部0.1 m處的壓力分布圖Fig.6 The pressure distribution of the 0.1meter location away from filter bottom

另外，圖6呈圓周狀分布的點陣是濾網截面，6個圓周狀分布的梯形面是支架截面。由圖6可以看出，點1處濾網內外壓力分布最不均衡，點3、點4內外壓力分布最為均衡，點2處內外壓力分布不均衡度有所加大。

3.2.2 結構計算

流固耦合面的壓力分布如圖7所示，可以看出，最大值分布在入口處。

圖8反映4個不同觀察角度的濾芯變形量，可以看出，點1變形量最大，點2次之，點3和點4最小。

圖7 流固耦合面壓力分布圖Fig.7 the pressure distribution of the fluid and solid coupling interface

圖8 濾芯變形量圖Fig.8 the deformation of the filter element

根據仿真計算結果，結構改進后的應力分布較改進前更加均勻，無明顯的應力集中現象，最大應力由500.54 MPa降至26.95 MPa。

4 實驗驗證

為驗證上述設計和工藝改進措施的有效性，通過液流沖擊試驗和液氮浸泡試驗，對濾網、骨架、骨架三者焊接強度、濾芯的抗液流沖擊能力進行試驗驗證，具體方法為：過濾器濾芯完成點焊后進行液流沖擊試驗，用高壓水槍（出口壓力不小于2.0 MPa）對濾芯通流部分各處進行由外到內、由內到外兩個方向的沖擊試驗，重點是濾網圓周方向搭接處和濾網軸線方向與骨架搭接處，沖擊時間不低于5 min。沖擊結束后濾芯不出現壓條、壓環焊點脫落、濾網破裂、濾網脫開現象。

沖擊試驗合格后進行液氮浸泡試驗。方法為：浸泡在液氮中不少于1 h，自然回溫后檢查點焊質量，反復1次。

氧氮過濾器濾芯改進設計后至今，各規格各批次濾芯均進行液流沖擊和液氮浸泡試驗，未發生焊點脫落、濾網破裂和濾網開裂現象。

氧氮加注系統用過濾器進行上述改進后，DN80、DN100、DN125、DN150四種規格過濾器圓滿完成加注任務，其中DN100、DN125、DM150氧氮過濾器經歷了泄回流量500 L/min的考驗。

5 結論

對氧氮過濾器濾芯進行了改變長條孔形狀、增加長條孔數量、增加濾網纏繞重合長度、壓條兩端翻邊設計等結構設計優化和加密電阻焊焊點、優化電阻焊焊點分布等工藝優化，并通過數值模擬、實際應用情況均表明了優化措施的有效性。

參考文獻：

[1]李娟，石玉美，汪榮順，等.金屬絲網過濾器性能影響因素研究[J].過濾與分離，2007，17（1）:5-7.

[2]劉鵬飛.金屬絲網濾清器阻力特性預測方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[3]楊源泉.閥門設計手冊[D].北京：機械工業出版社，1992.

[4]王同慶.液壓過濾器的選擇與設計[J].過濾與分離，2002，12（2）:29-30.

[5]李亞江.實用焊接技術手冊[D].河北：河北科學技術出版社，2002.