液氧煤油发动机蒸发器路单向阀结构优化.pdf

第 3 8卷 第 1 期 2 0 1 2年 2月 火箭推进 J OURNAL OF ROCKE T P RO PUL S I ON V0 1 3 8 1 Fe b2 01 2 液氧煤油发动机蒸发器路单向阀结构优化 雷 恒 ，贾景卫 ，谢宁 ( 西安航天动力研究所 ，陕西 西安 7 1 0 1 0 0 ) 摘 要：在某次液氧煤油发动机试车中，由于蒸发器路单向阀调整流量小于设计流量， 导致单向阀阀芯发生颤振，从而在发生器氧系统引入激励源，引起发生器供应系统的耦合振 荡，发动机结构振动大幅增加，导致试车中止。根据发动机使用要求，对单向阀结构进行 了 结构优化。通过 A ME s i m软件对优化后单 向阀进行 的仿真分析及试验验证 ，表明优化措施有 效。优化后单向阀参加发动机热试考核，工作正常。 关键词：液氧煤油发动机；单向阀；振荡；改进；A M E s i m 中图分类号 ：V 4 3 4 2 3 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 2 9 3 7 4( 2 0 1 2 )0 1 0 0 2 7 0 5 S t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f c h e c k v a l v e i n e v a p o r a t o r p i p e l i n e o f LOX k e r o s e n e e n g i n e LEI He n g ， J I A J i n g - we i ， XI E Ni n g ( Xi a n Ae r o s p a c e P r o p u l s i o n I n s t i t u t e ， X i a n 7 1 0 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e c h e c k v a l v e a t t h e e v a p o r a t o r p i p e l i n e o s c i l l a t e d i n a t e s t o f L OX k e r o s e n e e n g i n e b e c a u s e t h e fl u x o f t h e p i p e l i n e wa s l e s s t h a n t h a t o f i t s d e s i g n r e q u i r e me n t Th e o s c i l l a t i o n o f t h e v a l v e b r o u g h t a n e x c i t a t i o n t o t h e L OX s y s t e m o f t h e g e n e r a t o r ， t h e n r e s o n a n c e a r o s e ， wh i c h c a u s e d t h e a c u t e e n g i n e o s c i l l a t i o n a n d t h e t e s t h a d t o b e c u t o ff T h e c o n fi g u r a t i o n o f t h e c h e c k v a l v e wa s i mp r o v e d t o me e t t h e s y s t e m Emu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l v e r i fic a t i o n o f t h e o p t i mi z e d c h e c k v a l v e we r e t a k e n wi t h AMEs i mT h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e me a s u r e i s e ffe c t i v e Th e o p t i mi z e d c h e c k v a l v e wo r k e d n o r ma l l y i n a t e s t o f L OX k e r o s e n e e n g i n e Ke y wo r d s ：LOX k e r o s e n e r o c k e t e n g i n e ； c h e c k v a l v e ； o s c i l l a t i o n ； i mp r o v e me n t ； AM Es i m 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ll l：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 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 9 0 1 ；修回日期：2 0 1 1 - 0 9 2 6 基金项目：中国航天科技集团公司支撑项 目 作者简介：雷恒 ( 1 9 7 5 一) ，男，工程师，研究领域为液体火箭发动机阀门 万方数据 火箭 推 进 2 0 1 2 年 2月 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人了脉动激励源 ，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 7 3 2 Hz 的振动。单 向阀 上 的振动远大于导管振动 ，分析认为 7 3 2 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 ，推进剂经单向阀人 口、阀座节流处 、阀芯小 孑 L ，从 出口流至氧蒸发器。 图 1单向阀结构示意图 F i g 1 S t r u c t u r e s k e t c h o f c h e c k v a l v e 2 问题原 因分析 体 口 2 1 AME s i m软件简介 A ME S i m 全称 为 A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r P e rfo r mi n g Si mu l a t i o ns o f En g i ne e r i n g S y s t e m s ， 是法国 I M A G I N E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 。A ME S i m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12 1 。 2 2 单向阀 A ME s i m建模 A ME S i m软件在操作 上简单方便 ，主要经过 4个步骤 ：1 )S k e t c h草图模 式下搭建 系统模 型 ； 2 )S u b mo d e l s 子模 型模式下为系统元件选择合适 的数学模型；3 ) P a r a m e t e r s 参数模式下为图形模 型设置参数；4 ) S i m u l a t i o n 仿真模式下运行仿真 系统l 。根据 AME S i m中液压库及 HC D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。A M E S i m仿真的关键就是 模型的选取和参数的设置 1 。该单 向阀的参数如 表 1 所示。 1 一 阀芯 2 一 阀芯质量 3 一 压力作用面积 4 一 弹簧 5 一 阀芯小孔 6 - 阀内腔容积 图 2 单 向阀 A ME s i m模 型 F i g 2 AMEs i m mo d e l o f c h e c k v a l v e 2 3 仿真分析 将输人信号设为 0 1 8 k g 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 0 l 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 m m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 1 8 k g 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。 ， (主 ) 万方数据 第 3 8 卷 第 1 期 雷 恒，等：液氧煤油发动机蒸发器路单向阀结构优化 2 9 吕 g 匿 表 1模型主要参数 Ta b1 Ma i n pa r a me t e r s o f mo de l j fl1 f邢 邢 l fi 0 邢 霄 凸一 世 出 匿 匠 1 2 3 4 5 U l 2 时 间 s 时 间 s 图 3单向阀行程及压降计算结果 F i g 3 C a l c u l a t e d r e s u l t s o f s p o o l s t r o k e a n d p r e s s u r e d r o p o f c h e c k v a l v e 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 3 4 k g s 减 小至 0 1 8 k g 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 ： S i = s 0 Sl = , n Dh 2 3 2 = n 孚 式中：S i 为改进后单 向阀流通面积，mm ；Q为改 进后单向阀流量，k g s ；Q 。 为改进前单向阀流量， k S；S o 为改进前单向阀流通面积，m m ； S 。 为单向 阀阀芯节流处面积，m m ； D为单向阀通径，ra m ； h为阀芯行程 ，ram；S ， 为阀芯d , T L 面积 ，mm ；n 为阀芯4 , T L 个数；d 为阀芯小孔直径，m m。 3 2 仿真分析 通过计算 ，阀芯行程应减小为 1 5 mm，阀芯 O 5 O 5 0 5 O 5 4 3 3 2 2 1 l O 万方数据 3 0 火箭 推进 2 0 1 2 年 2月 小孔直径应减小至 2 m m，为进一步提高阀芯打开 后的稳定性 ，拟将阀芯小孑 L 直径减小为 1 5 m m 。 对改进后单 向阀进行仿真计算 ，得到流量为 O 1 8 k g s 阀芯行程曲线 ，见图 4 。 吕 吕 构 匿 。 阀芯 小孔 直径 1 5 m 阀 芯小 孔直 径2 mm 时 间 s 图4 改进后单向阀阀芯行程计算结果 F i g 4 C a l c u l a t e d r e s u l t o f s p o o l s t r o k e o f i mp r o v e d c h e c k v a l v e 可以看出，阀芯行程为 1 5 m m，小孔直径减 小为 1 5 mm和 2 mm后阀芯