多阀门燃料输送系统复杂工况水击特性分析

刘建盈,陈汇龙

(1. 江苏大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212013; 2. 上海空间推进研究所,上海 200112)

航天器液体燃料输送系统主要特征为末端阀门数量多,各阀门通过管路与上游燃料贮箱连接,系统工作时不同位置、不同数量的阀门组合成各种复杂工况,阀门开启、关闭时产生的水击压力波在上游管路中传播并相互影响,严重时导致管路内燃料工作压力超出允许偏差范围,进而影响航天器工作性能和可靠性[1].

目前,对于航天器燃料输送系统水击问题的研究主要集中在单台发动机开、关机过程以及管路结构方面,杨林涛[2]、张峥岳等[3]对特定航天器燃料输送管路中的水击问题进行了研究,研究内容包括特定管路结构下阀门关闭过程中水击压力特征及幅度、水击压力波在管路中的传播特征等具体问题.周晨初等[4]、李翠等[5]研究了水击压力与燃料输送管路系统工作状态、阀门响应特性、分支管设置等影响因素的关系,最后提出了增加管路阻尼装置或蓄压器等抑制水击的方法.国外对航天器燃料输送管路的水击问题也进行了大量的理论和试验研究.KANMURI等[6]对欧空局的爱马仕卫星推进系统、美国航天飞机姿态控制系统进行了管路水击方面的研究和试验,重点研究了燃料充填过程的动态特性.而对于多阀门复杂工况下的水击特性及抑制方法则研究较少,特别是航天器在要求阀门开关动作响应快、结构重量轻等强约束条件下,需要研究新的适应航天器产品特点的水击抑制方法.

文中通过试验研究多阀门复杂工况下的水击现象及其变化规律,探讨基于多阀门工作模式调整的水击抑制方法的可行性.

1 试验系统及压力测量精度

1.1 研究对象

某航天器燃料输送系统结构及传感器布置见图1所示,贮箱内燃料通过总管(AB1B2)、环形管(B2C1C5C8B2)以及阀门进口管(C1T1,C5T2等)供应至阀门入口处(T1,T2等),在环形管上靠近阀门入口管部位(C1—C8)设置压力传感器.

图1 某燃料输送管路结构示意图

燃料输送管路中水击现象是一种不稳定流动,在空间失重环境下不需要考虑重力以及管路的高度差[7].式(1)—(2)分别为燃料输送系统管路中流体流动的运动方程和连续性方程,以偏微分方程反映燃料瞬态流动过程中的流速和压力变化规律[8].

(1)

(2)

式中:p为压力,MPa;υ为燃料流速,m/s;x为水击波传播距离,m;t为水击波传播时间,s;a为水击波传播速度,m/s;D为管道内径,m;θ为管道倾斜角度;g为重力加速度,m/s2;ρ为燃料密度,kg/m3;λ为阻力系数.

由式(1)—(2)可得单个脉冲产生的水击在管路系统中的波动方程[9]为

(3)

其通解可表示为

(4)

式中:pn为第n个阀门产生的水击压力,MPa,是时间和空间位置的函数;Fn,fn为第n台阀门对应的任意函数;Cn为第n台阀门对应的积分常数.

1.2 试验系统简介

由于多阀门燃料输送管路工作过程极为复杂,与燃料特性、产品结构等密切相关,仿真计算结果与实际产品的差异分析和评估较为困难,文中通过试验方法开展研究工作.具体方案:搭建一套真实的航天器燃料输送管路系统,试验时燃料贮箱内加注真实燃料,通过下游阀门开关动作控制发动机点火,模拟实际工作状态和程序,测量燃料输送管路中的水击压力.试验过程中阀门由地面设备进行控制,但确保控制方式与航天器控制系统相同.

试验过程中通过压力传感器测量管路压力,通过数据采集系统采集并记录管路系统压力、阀门电流信号等参数,作为分析水击问题的数据来源.测量系统性能以能够捕捉到水击压力关键数值为依据,所配置的压力传感器及数据采集系统主要参数如表1所示,表中δ1为测量精度,f1为响应采集频率.

表1 压力测量系统参数

1.3 水击压力测量精度分析

管路水击压力测量属于动态压力测量范畴,受影响因素多,如何提高测量准确性一直是需要解决的技术难题.某航天器燃料输送管路压力测量采用带测压管的压力传感器进行直接测量,压力传感器设置在C2和C3间管路中点处,具体结构如下:

1) 压力传感器进口管通过直角三通零件与主管路连接(连接点即为被测点),压力传感器进口管垂直于主管路布置;

3) 测压管以及压力传感器固定良好.

表2 管路压力测量与计算结果比较

由表2可见,试验系统所用压力传感器动态压力测量偏差不大于10%,满足试验要求.

2 多阀门复杂工况下水击特性

2.1 阀门工作模式

航天器燃料输送管路系统中阀门以短脉冲工作为主,控制系统的通信周期一般是固定的,每个周期内的阀门打开时间因控制需求不同而有所差异,同时在某些情况下需要多阀门同时工作.在复杂工作模式下,管路系统中某个位置x、某一时刻t的水击压力为多台阀门所产生的水击压力在同一位置、同一时刻的叠加,可表示为

p=p1+p2+…+pn.

(5)

2.2 试验工况

试验模拟了多阀门燃料输送管路系统可能用到的各种复杂工况,如表3所示.

表3 试验工况

2.3 试验结果及分析

2.3.1 阀门不同工作脉宽对水击压力的影响

试验中以某航天器使用的0.20 s控制周期为基础,模拟阀门以0.13,0.12,0.10,0.09,0.08,0.07,0.05,0.04 s等不同工作脉宽进行工作时管路中的水击压力变化情况,如图2所示.阀门脉冲工作参数以x1/x2表示,其中x1为单个控制周期内阀门开机时长(或称工作脉宽),x2为单个控制周期内阀门关机时长(或称脉冲间隔时间),x1与x2之和即为控制周期,上述参数均以s为单位.

图2 水击压力随工作脉宽变化情况

由图2可见,当阀门以较大脉宽工作时(对应前面2个脉冲),阀门关闭时间(从关指令发出到开指令发出)很短,甚至小于阀门本身关机响应时间,由此造成阀门尚未完全关闭到位时下一次开启指令已到达的情况出现,此过程中管路流量变化幅度相对于阀门完全打开和关闭时较小,在特定管径下对应的燃料流速变化不明显,表现在水击压力上也较为平稳,水击压力峰值不大.当阀门工作脉宽减小时,阀门关闭响应趋于充分,关机指令发出后管路中燃料流量明显下降,在管径不变的情况下流速也明显下降,引起水击压力明显增大.当工作脉宽进一步减小直至小于阀门开启响应时间时(对应最后一个脉冲),相当于阀门未完全打开时又收到关闭指令,流量无法达到额定值,流量明显偏小,此时水击压力又趋于减小.试验中不同脉宽下水击压力峰值变化幅度最大约80%.综上所述,燃料输送管路中的水击压力随着阀门工作脉宽的减小而逐步增大,但当脉宽小于阀门开启响应时间时,水击压力又趋于减小.

2.3.2 不同阀门组合工作对水击压力的影响

试验模拟了管网中同一分支内不同数量阀门同步工作的工况,获取了管路中水击压力与同时工作阀门数量的关系,如图3所示.

图3 同一时刻不同数量阀门开、关机水击压力曲线

由图3可见,管路中的水击压力随着同时工作的阀门数量变化也明显变化.就开机过程而言,管路压力由于流速突然增大,一般表现为负水击.对应单台工况水击压力约-0.4～-0.3 MPa(管路绝对压力-稳态工作压力,文中所述水击压力均按此计算),双机工况负水击压力约-1.6～-1.5 MPa.对于关机过程而言,单台工况水击压力约0.5 MPa,双机工况水击压力约2.4 MPa.综上,开、关机过程水击压力随着同时工作阀门数量的增加整体上是增大的.该现象说明,虽然各工况下单台阀门进口管流量不变,但随着同时工作的阀门数量增加,不同工况下上游总管路中流量变化明显,在管径不变的情况下,管路内流速变化也更加明显,导致多阀门同时关闭时管路中水击压力整体上明显增大.

2.3.3 管网中分支管路水击的相互影响

对于大型航天器燃料输送管路枝状管网设计,各阀门燃料输送管路在上游逐渐汇集,不同部位阀门工作时产生的水击可通过管网影响到其他区域,造成受影响部位发动机工作参数的波动[11-12].试验模拟了不同分组阀门单独工作的工况,即初始状态下副路分支内阀门均为打开状态,燃料持续稳定流动,管网内各处压力稳定,在某一时刻将主路分支内4台阀门同时打开一段时间然后再关闭,观察主路分支内阀门开启、关闭过程中副路分支内阀门入口压力波动情况,以获取对另一组阀门入口管路处压力变化规律,如图4所示.

图4 管网中不同支路工作水击压力曲线

由图4可见,当主路分支管路下游4台阀门同时工作时,该路上游管路内产生了明显的水击,而副路分支管路内也出现了明显的压力波动,具体表现:在开机过程中,主路阀门上游管路仅产生一个周期明显的负压力波动,而此时在副路分支管路内却产生了明显的类似于关机水击的周期性压力波动,且压力波动幅度达到稳态压力的50%以上.分析认为,主路阀门开机产生负水击后,该压力波在管网中传播,到达其他阀门入口后引起相应位置也产生压力波动,但随着主路阀门上游管路内流动状态趋于稳定,管网中其他部位的压力快速恢复到初始稳定值,此时,对于其他阀门入口是一个压力上升的过程,相当于发生了一个流动状态停止的情况,这必然引发类似于阀门关闭的正水击效应,造成其他支路管路内发生压力振荡.在主路阀门关机水击发生后,水击压力波向上游管网传播,导致其他部位也出现正水击压力波现象,压力波动幅度略小于水击发生部位压力,并随着水击发生部位压力的衰减而逐渐衰减.

2.3.4 控制周期对水击压力的影响

对于相同的开机脉宽,阀门脉冲间隔时间因控制周期不同而变化.试验中模拟了某航天器阀门开机时间为0.05 s时,分别对应0.16,0.20 s这2种控制周期时的水击压力,如图5所示.

图5 2种控制周期下水击压力曲线

由图5可见,同样在0.05 s开机脉宽下,控制周期为0.16 s时管路中水击压力峰值为0.48 MPa;控制周期为0.20 s时管路中水击压力峰值为0.62 MPa,变化幅度不超过30%.分析认为,对于特定的开机脉宽,随着控制周期增大,阀门关闭响应更为充分,上游管路内燃料流量变化更为明显,在管径不变的情况下,管路内流速变化也更加明显,导致水击压力峰值有所增大,但水击压力波形略有不同,分析认为原因是脉冲间隔时间的差异影响了关机水击的发展及与下一次开机水击的叠加效果.

2.3.5 多台阀门不同脉宽同时启动的水击压力

试验中模拟了3台阀门以不同脉宽在同一控制周期下工作时的管路水击压力,具体工况:控制周期均为0.16 s下,一台阀门以0.08 s脉宽脉冲工作,另2台阀门以0.05 s脉宽脉冲工作,3台发动机工作不同步.试验结果见图6所示.

图6 多阀门不同步工作时水击压力

由图6可见,多台阀门在相同控制周期内以不同脉宽工作时,在一个控制周期内出现了多个压力峰值,最大值较同步工作时有所减小.分析认为导致该现象的原因为各阀门关机不同步,较晚关闭的阀门引起的水击发生时,较早关闭的阀门引起的水击压力尚未完全下降,导致产生了第二个压力峰;同时,由于不同工作脉宽的阀门水击产生的时间不同,在管路中传播后不易造成波峰-波峰叠加的情况,相对而言削弱了水击压力峰值.

3 结 论

1) 管路中水击压力的变化与阀门脉冲工作模式以及同时工作的阀门组合关系密切,水击压力随阀门工作脉宽的减小而越大,最大变化幅度超过80%;水击压力随控制周期的增加略有增加,0.16 s和0.20 s这2种不同控制周期对管路水击影响程度约为10%;水击压力随着同时工作阀门数量的增加而增大,一台阀门与2台阀门工作时的水击压力变化超过1倍;水击压力峰值在多阀门不同步工作时有所减小,且降低幅度可达到50%以上.

2) 通过调整阀门工作脉宽减少短脉冲工作、减少同一时刻同时工作的阀门数量、多阀门差异化工作等工作模式调整可以实现降低燃料输送管路内水击压力的目的.

文中的研究结论针对规模和结构类似的多阀门燃料输送管路系统可以作为参考,但由于水击压力在管网中传播的复杂性,对于管路系统结构、阀门状态差异较大的燃料输送系统的水击问题,还需要做进一步具体的分析和研究.