推進(jìn)劑加注過程中泵氣蝕問題的分析及改進(jìn)

丁大江，陳傳寶，劉照智，王 飛，鄭 夏

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

航天液體推進(jìn)劑的加注方式包括泵式加注、擠壓式加注和自流式加注3種，其中泵式加注可適用的工況最為寬泛，應(yīng)用也最為普遍。在泵式加注系統(tǒng)設(shè)計之初，需根據(jù)管路特性及流量要求進(jìn)行水力計算，提出加注泵的額定工況點(diǎn)，進(jìn)而指導(dǎo)加注泵選型，并由泵前管路阻力損失計算確定泵前是否需要增壓及增壓具體壓力值。

離心泵作為推進(jìn)劑泵式加注系統(tǒng)的核心部件，用于將推進(jìn)劑由地面儲罐輸送至箭上貯箱中，具有性能優(yōu)、流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航天領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。推進(jìn)劑泵式加注過程中有時會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，離心泵處會產(chǎn)生噪聲和振動，并伴有流量、揚(yáng)程和效率的降低，致使泵的性能下降，嚴(yán)重時過流部件也會產(chǎn)生破損，進(jìn)而造成推進(jìn)劑加注中斷，影響加注進(jìn)程。

1 氣蝕的產(chǎn)生及危害

1.1 氣蝕的產(chǎn)生[2]

離心泵在工作時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使由吸入管吸入的推進(jìn)劑沿葉片流道被甩向葉輪出口，同時在葉輪入口處形成低壓區(qū)。當(dāng)葉輪入口附近最低壓力小于該處溫度下被輸送推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓時，推進(jìn)劑便在葉輪入口處開始汽化而產(chǎn)生氣泡。產(chǎn)生的氣泡隨著液體不斷被帶走，又在原處不斷產(chǎn)生新的氣泡。當(dāng)以上這些氣泡隨液流進(jìn)入泵內(nèi)高壓區(qū)時，受壓會迅速凝縮甚至破碎消失。在氣泡消失的瞬間，氣泡周圍的推進(jìn)劑迅速進(jìn)入氣泡凝失產(chǎn)生的空穴，造成液體互相撞擊。如果這些氣泡在葉輪壁面附近破滅，則周圍的推進(jìn)劑會以極高頻率連續(xù)撞擊金屬表面，金屬表面因沖擊、疲勞而剝落。

這種液體汽化、凝結(jié)形成的高頻沖擊負(fù)荷，造成金屬材料機(jī)械剝落和電化學(xué)腐蝕的現(xiàn)象統(tǒng)稱為氣蝕。

1.2 氣蝕的危害[3,4]

當(dāng)氣泡不太多、氣蝕不嚴(yán)重時，對泵的運(yùn)行不會產(chǎn)生明顯的影響。但當(dāng)氣泡大量產(chǎn)生、氣蝕持續(xù)發(fā)展時，就會帶來嚴(yán)重的后果。主要有以下幾方面：

a）產(chǎn)生振動和噪音。氣泡潰滅時，產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊，發(fā)出“劈劈啪啪”的聲音，并引起泵的振動，導(dǎo)致泵不能正常工作。

b）對流道部件的侵蝕。葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，材料表面疲勞，從點(diǎn)蝕到蜂窩狀或海綿狀，嚴(yán)重的表面被蝕透、穿透，使葉片受到損壞。

c）氣蝕得不到控制，離心泵持續(xù)振動，容易導(dǎo)致機(jī)封振動靜環(huán)破碎，或是隔離罩振動破損，進(jìn)而介質(zhì)外漏，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，對于易燃介質(zhì)可能發(fā)生著火爆炸事故。

d）氣蝕造成的振動影響軸承的使用壽命，會導(dǎo)致軸承架及軸承滾珠破損，軸承振動增大。嚴(yán)重情況下，軸承溫度持續(xù)升高，軸承箱著火。

e）泵性能突然下降。泵發(fā)生氣蝕時，介質(zhì)連續(xù)性遭到破壞，泵的揚(yáng)程、流量、效率都會顯著下降，導(dǎo)致泵不能連續(xù)正常工作。

2 推進(jìn)劑泵式加注過程中泵氣蝕的計算分析[5]

加注系統(tǒng)搭建完成后，結(jié)合液路部分的水力計算，獲得正常加注流量下的最小增壓壓力，以確保離心泵工作時不發(fā)生氣蝕。離心泵由儲罐中吸出推進(jìn)劑的示意如圖1所示，其中0-0為儲罐液面，1-1為離心泵入口斷面。

圖1 離心泵抽吸推進(jìn)劑的示意Fig.1 Diagram of Propellant Suction By Centrifugal Pump

有效氣蝕余量是指離心泵吸入口處的推進(jìn)劑所具有的超過其飽和壓力的富裕能量，又叫裝置氣蝕余量，用 NPSHa表示，它主要反映加注系統(tǒng)參數(shù)對氣蝕的影響，如儲罐內(nèi)壓力、儲罐與離心泵高度差、泵前液路管路阻力損失、推進(jìn)劑性質(zhì)和溫度等，而與離心泵本身無關(guān)。

式中 P1為離心泵入口處壓力，Pa；Pvp為推進(jìn)劑當(dāng)前溫度下的飽和蒸汽壓，Pa；V1為離心泵入口處流速，m/s；ρ為推進(jìn)劑當(dāng)前溫度下的密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2。

必需氣蝕余量是指推進(jìn)劑從離心泵吸入口處至離心泵葉輪進(jìn)口處的流動損失，即泵入口動壓降，用NPSHr表示。一般情況下，NPSHr無法通過計算得出，均是離心泵制造廠家通過試驗(yàn)測定。NPSHr標(biāo)志著離心泵本身所具備的抵抗氣蝕性能的好壞，由離心泵設(shè)計和制造水平?jīng)Q定。

需要注意的是，NPSHr實(shí)質(zhì)上是因推進(jìn)劑流動而帶來的阻力損失，NPSHr的大小不僅與離心泵的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，而且與離心泵的流速有關(guān)系。在確定 NPSHr的取值時，必須對應(yīng)指明離心泵的工作流量。

結(jié)合圖1，列出0-0、1-1截面的伯努利方程式：

式中 P0為儲罐液面處壓力，Pa； h1為離心泵實(shí)際吸上高度，m； hw為吸入管路流阻損失，m。

將式（1）和式（2）進(jìn)行整合，可得：

加注系統(tǒng)設(shè)計時為確保不發(fā)生氣蝕，系統(tǒng)的有效氣蝕余量 NPSHa應(yīng)大于離心泵允許的必需氣蝕余量NPSHr，即：

可以看出，加注系統(tǒng)增壓壓力應(yīng)滿足如下要求：

3 推進(jìn)劑泵式加注過程中消除氣蝕的措施[6~9]

推進(jìn)劑加注過程中離心泵氣蝕問題由離心泵本身的氣蝕性能和加注系統(tǒng)整體布局共同決定，其中離心泵本身氣蝕性能改進(jìn)的相關(guān)研究已經(jīng)很完善，在此不再贅述。以下主要結(jié)合推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的角度對消除離心泵氣蝕問題的措施進(jìn)行探討。

3.1 減少泵前吸入管路阻力損失hw

泵前吸入管路阻力損失包括沿程阻力損失和局部流阻損失。

每段管路的沿程阻力損失為

式中hλi為第i段沿程流阻損失，m；λi為第i段沿程阻力系數(shù)；Li為第i段管長，m；Vi為第i段管中流速，m/s；di為第i段管內(nèi)徑，m。

加注管路中局部阻力損失主要由閥門、彎頭、接頭、過濾器、流量計、軟管等產(chǎn)生：

式中hζi為第i段管路及管路裝置的局部流阻損失，m；ζi為第i段局部阻力系數(shù)。

泵前管路系統(tǒng)中的總流阻損失為

根據(jù)式（8），結(jié)合加注系統(tǒng)的特點(diǎn)，可通過以下措施減少泵前管路阻力：

a）減少泵前管路上閥門、彎頭、接頭等增加局部阻力損失的部件，單機(jī)選型時盡量選用流阻較小的產(chǎn)品，例如在需要布置閥門的場合使用流阻相對較小的球閥代替截止閥；

b）優(yōu)化管路布局及走向，縮短泵前管路長度；

c）減少金屬軟管的使用，盡量使用沿程流阻相對較小的硬管代替金屬軟管；

d）降低系統(tǒng)加注流量。在滿足加注系統(tǒng)流量要求前提下，通過調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速或泵后閥門開度，適當(dāng)減小推進(jìn)劑加注流量；

e）適當(dāng)增大吸入管路內(nèi)徑。

3.2 降低推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓Pvp

同等條件下，推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓越大，離心泵產(chǎn)生氣蝕的風(fēng)險也就越大。通常情況下，推進(jìn)劑的溫度越高，飽和蒸汽壓也越大。以四氧化二氮為例，其飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系如表1所示。

表1 四氧化二氮飽和蒸汽壓與溫度的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Saturated Vapor Pressure of N2O4 at Different Temperature

通過采取水冷降溫、與溫度較低的同種推進(jìn)劑進(jìn)行攪拌等處理方式，降低推進(jìn)劑的溫度，進(jìn)而可降低推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓。同時，由于箭上發(fā)動機(jī)的工作特性對推進(jìn)劑的溫度區(qū)間有一定要求，采取降溫措施時應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。

3.3 減小離心泵的吸上高度h1

離心泵的吸上高度即為離心泵的入口截面高出儲罐液面的距離。在系統(tǒng)增壓壓力不變的前提下，吸上高度越大，離心泵入口處的壓力就越小，氣蝕發(fā)生的風(fēng)險也就越大。與此同時，加注過程中儲罐內(nèi)推進(jìn)劑的液面高度會隨著推進(jìn)劑的流出而降低，即吸上高度會隨著加注的進(jìn)行進(jìn)一步增大。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡量降低離心泵的吸上高度，并盡可能使離心泵的安裝位置低于儲罐液面，從而保證離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低氣蝕發(fā)生的風(fēng)險。

3.4 增大儲罐內(nèi)壓力P0

在上述措施均已采取，但氣蝕仍然發(fā)生時，則需考慮增大儲罐內(nèi)壓力。理論上只要增大泵前壓力，氣蝕現(xiàn)象均可以消除，但由于推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的特殊性，需考慮箭上貯箱的承壓能力，故加注系統(tǒng)中氣相空間的壓力增大幅度有限，需結(jié)合整個加注系統(tǒng)的參數(shù)統(tǒng)籌考慮。

4 試驗(yàn)研究

以某型火箭推進(jìn)劑的加注系統(tǒng)為例，系統(tǒng)連接示意如圖2所示。開展加注試驗(yàn)時，通過離心泵先將儲罐B中推進(jìn)劑加注至箭上貯箱，待儲罐B中推進(jìn)劑剩余量達(dá)到要求值時，切換至儲罐A，再將儲罐A中推進(jìn)劑加注至箭上貯箱。儲罐A和儲罐B之間、儲罐A與離心泵之間，離心泵與箭上貯箱之間均設(shè)置有閥門和金屬軟管。加注系統(tǒng)設(shè)計流量為1800 L/min，氣相空間壓力為0.15 MPa。

圖2 某型火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)連接示意Fig.2 Connection Relationship of a Rocket Propellant Fueling System

加注過程中發(fā)現(xiàn)，隨著離心泵轉(zhuǎn)速的提高，系統(tǒng)加注流量始終無法達(dá)到1800 L/min的設(shè)計流量，效率急劇下降，且伴有周期性的振動和噪音，當(dāng)儲罐B中推進(jìn)劑加注完，切換至儲罐A時，加注流量雖仍未達(dá)到設(shè)計流量，但出現(xiàn)較大幅度提升，效率也有所增大，振動和噪音適當(dāng)減弱，但并未消除。

由此判斷，該系統(tǒng)加注過程中發(fā)生了離心泵的氣蝕問題，且由儲罐B切換至儲罐A之后，由于泵前管路及附件減少，泵前流阻減小，氣蝕現(xiàn)象得到一定緩解，但并未消除。

為解決該氣蝕問題，結(jié)合第3節(jié)中的計算分析方法，首先對該加注系統(tǒng)進(jìn)行水力計算復(fù)核，獲得不同壓力下，不發(fā)生氣蝕的最小儲罐壓力，如表2所示。

表2 不同流量下不發(fā)生氣蝕的最小儲罐壓力Tab.2 Minimum Tank Pressure Without Cavitation at Different Flow Rates

從表2可以看出，若要加注流量達(dá)到1800 L/min，且無氣蝕現(xiàn)象，則加注儲罐B中推進(jìn)劑時，氣相空間壓力至少應(yīng)達(dá)到0.245 MPa，加注儲罐A中推進(jìn)劑時，氣相空間壓力至少應(yīng)達(dá)到0.209 MPa。而實(shí)際加注時，由于箭上貯箱耐壓能力限制，氣相空間壓力僅能維持在0.15 MPa，故而氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。

為消除氣蝕現(xiàn)象，結(jié)合第3章節(jié)中消除氣蝕的措施，對加注系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。由于儲罐壓力受制于貯箱壓力要求無法再提高，離心泵的吸上高度受制于管路布局無法更改，且現(xiàn)場無推進(jìn)劑調(diào)溫設(shè)施，故只能從減少泵前吸入管路阻力損失的角度采取措施。措施如下：

a）優(yōu)化泵前過濾器。

該加注系統(tǒng)采用Y型斜插式過濾器，搭配多層燒結(jié)式濾芯，用于對推進(jìn)劑中的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，進(jìn)而保護(hù)離心泵，但同時也產(chǎn)生了較大的局部阻力。在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過適當(dāng)降低過濾精度、減少濾芯燒結(jié)層數(shù)以及優(yōu)化內(nèi)部流道設(shè)計等方式，大幅降低該過濾器的局部阻力系數(shù)，進(jìn)而減小泵前局部流阻損失。

b）減小加注流量。

優(yōu)化泵前過濾器后的加注系統(tǒng)水力計算結(jié)果如表3所示。

從表 3中可以看出，基于儲罐氣相壓力不大于0.15 MPa的前提，加注儲罐B中推進(jìn)劑時，加注流量可穩(wěn)定在1600 L/min，加注儲罐A中推進(jìn)劑時，加注流量可穩(wěn)定在1800 L/min，即為確保不產(chǎn)生氣蝕，可改進(jìn)為1600 L/min、1800 L/min的階梯化加注流量控制方式，在不同的加注階段，采取不同的加注流量控制方式。

表3 優(yōu)化泵前過濾器后不同流量下不發(fā)生氣蝕的最小儲罐壓力Tab.3 Minimum Tank Pressure without Cavitation at Different Flow Rates after Optimizing the Pump Front Filter

進(jìn)行上述改進(jìn)后，重新開展加注試驗(yàn)，該型火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的氣蝕現(xiàn)象得到明顯消除，加注系統(tǒng)按照設(shè)置的階梯化加注流量控制方式，順利完成了推進(jìn)劑的加注工作。

5 結(jié) 論

本文對航天推進(jìn)劑加注過程中離心泵的氣蝕問題進(jìn)行了理論計算和消除措施分析，明確應(yīng)以NPSHa大于NPSHr為設(shè)計原則開展加注系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計及設(shè)備選型。在此基礎(chǔ)上，針對某型火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的氣蝕現(xiàn)象進(jìn)行了處理和改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，理論計算和改進(jìn)措施有效。