活塞泵增壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究

1、 活塞泵增壓系統(tǒng)動態(tài)特性研究肖明杰，毛根旺（西北工業(yè)大學 陜西 西安 710100）摘 要：介紹了活塞泵增壓系統(tǒng)的組成及工作原理，基于AMESim仿真平臺，建立了活塞泵增壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，并通過活塞泵增壓系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比，對所建立的動態(tài)模型進行了驗證。仿真及試驗結(jié)果表明：活塞泵增壓系統(tǒng)原理可行、啟動可靠、工作穩(wěn)定；仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，說明模型假設(shè)合理、方法可行、結(jié)果正確。關(guān)鍵詞：活塞泵；增壓系統(tǒng)；動態(tài)特性；數(shù)值仿真Dynamic charachteristics study of a Piston Pump Pressurization SystemXiao Ming-

2、jie， MAO Gen-wang(Northwestern Polytechnical University Xian 710100，China)Abstract：The structure and Principle of a piston pump pressurization system are introduced. Based on the AMESim simulation platform, the dynamic model of the piston pump pressurization system is established. Through comparison

3、 of the test data and simulation results of the system, the dynamic model of the piston pump pressurization system is validated. the result of simulation and test shows that the system principle is feasible and start-up .is reliable and working is steady. Its also shows that the simulation model is

4、reasonable and method is feasible and result is right.Key words：piston pump; pressurization system; dynamic characteristic; numerical simulation作者簡介：肖明杰（1968年-），男，研究員，西北工業(yè)大學在讀博士研究生，研究方向為發(fā)動機設(shè)計；Email: mingjiexiao11通訊地址：西安市15號信箱11分箱3室，郵編710100；電話137725329220 引言活塞泵增壓系統(tǒng)是一種新型增壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過燃氣驅(qū)動活塞

5、泵實現(xiàn)了系統(tǒng)的自增壓，替代了擠壓系統(tǒng)中高壓氣瓶等高壓組件，使用安全性好?；钊迷鰤合到y(tǒng)中貯箱所需壓力較低，該增壓系統(tǒng)可對大量推進劑增壓而增壓系統(tǒng)質(zhì)量不會顯著增加，同時，由于燃氣增壓效率更高，增壓所需的增壓介質(zhì)少，采用該增壓系統(tǒng)能夠顯著減輕系統(tǒng)重量和安裝空間。因此，活塞泵增壓系統(tǒng)能夠適應(yīng)未來軌姿控動力系統(tǒng)高性能、輕質(zhì)化和小型化的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。上世紀90年代以來，國外開展了大量研究工作，美、俄等航天強國均進行了活塞泵增壓系統(tǒng)組件及系統(tǒng)級試驗研究，取得了顯著成果，并成功應(yīng)用于RD-860發(fā)動機。國內(nèi)對活塞泵增壓系統(tǒng)的研究起步相對較晚，尚缺乏系統(tǒng)的研究和深入的分析。本文在理論建模的基礎(chǔ)上，

6、通過仿真和試驗的方法對活塞泵增壓系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了初步研究，重點分析了該系統(tǒng)的起動特性和工作特性。1 增壓系統(tǒng)組成及工作原理活塞泵增壓系統(tǒng)由活塞泵、蓄壓器、液體壓力控制器和燃氣發(fā)生器等組件組成?；钊迷鰤合到y(tǒng)示意圖圖見圖1。圖1 活塞泵增壓系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of piston pump pressurization system該系統(tǒng)工作原理為：在貯箱初始背壓的驅(qū)動下，貯箱中的推進劑經(jīng)由活塞泵流出，通過燃氣發(fā)生器催化分解產(chǎn)生高溫燃氣，由于氣腔活塞面積大于液腔活塞面積，在氣腔燃氣壓力的作用下，活塞克服液腔液壓阻力和摩擦力開始運動，活塞擠壓液腔中的推進劑使

7、其壓力升高，直至達到液體壓力調(diào)節(jié)器設(shè)定的壓力后，活塞泵后推進劑壓力穩(wěn)定，為下游發(fā)動機提供額定壓力的推進劑。2 仿真模型采用商業(yè)軟件AMESim搭建主要組件及系統(tǒng)的模型進行仿真，其中燃氣發(fā)生器的模型采用AMESet二次開發(fā)，其它組件采用AMESim模型庫中的主要元件搭建，最終建立試驗系統(tǒng)的仿真模型，在AMESim平臺上進行計算。2.1 燃氣發(fā)生器燃氣發(fā)生器將無水肼催化分解為高溫高壓燃氣，用于驅(qū)動活塞泵為推進劑增壓。根據(jù)無水肼催化分解的數(shù)學模型，采用AMESet進行二次開發(fā)，基于集總參數(shù)法建立了燃氣發(fā)生器的AMESim的模型。根據(jù)燃燒室的能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，以及燃氣的狀態(tài)方程，可以得到：

8、（1） （2）式中為燃燒室的壓力；與分別為燃燒生成燃氣與滯止燃氣的熱值。由于燃氣發(fā)生器的噴管為收縮型噴管，燃氣發(fā)生器出口燃氣的流量可由流量公式計算： （3）2.2 活塞泵活塞泵是活塞泵增壓系統(tǒng)核心組件之一，主要用于為推進劑增壓?；钊弥饕梢焊?、氣缸、單向閥、換向閥、兩位三通閥及導(dǎo)管連接件等組成。活塞泵通過差動增壓原理，由燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的高溫高壓燃氣驅(qū)動活塞運動，擠壓液缸內(nèi)的推進劑，使其壓力升高，實現(xiàn)系統(tǒng)增壓。由單向閥控制液缸進液和排液，兩位三通閥控制氣缸進氣與排氣，換向閥通過控制兩位三通閥實現(xiàn)活塞泵換向過程的機械液壓控制。采用AMESim軟件中機械庫、液壓庫和氣動庫的基本元件搭建了活塞泵的仿

9、真模型。2.3 液體壓力調(diào)節(jié)器液體調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)壓力控制和維持壓力穩(wěn)定的重要組件之一，其作用是控制系統(tǒng)壓力，使活塞泵泵出口推進劑壓力保持在系統(tǒng)所要求的范圍內(nèi)。只要入口不超過液體調(diào)節(jié)器的額定入口壓力，液體調(diào)節(jié)器始終處于開啟狀態(tài)，系統(tǒng)下游的壓力和驅(qū)動往復(fù)泵的燃氣壓力就不斷升高。當燃氣往復(fù)泵出口壓力達到額定壓力時，液體調(diào)節(jié)器處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)的壓力不再提高。此時沒有推進劑進入燃氣發(fā)生器，系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)。當泵后壓力低于給定壓力時，液體壓力調(diào)節(jié)器自動打開使系統(tǒng)繼續(xù)處于增壓狀態(tài)。采用AMESim軟件中機械庫和液壓庫的基本元件搭建了液體壓力調(diào)節(jié)器的仿真模型，如圖2所示。2.4 蓄壓器蓄壓器是維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定

10、，減小壓力波動的重要組件之一，蓄壓器利用氣體和液體的壓縮性的差異，降低活塞泵出口推進劑波動的范圍，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。采用AMESim軟件中機械庫和液壓庫的基本元件搭建了蓄壓器的仿真模型，如圖3所示。 圖2 液體壓力調(diào)節(jié)器仿真模型圖 3 蓄壓器仿真模型Fig.2 Simulation model of the liquid pressure regulator Fig.3 Simulation model of the accumulator3 仿真結(jié)果與分析3.1 系統(tǒng)起動特性活塞泵增壓系統(tǒng)是作為一種自增壓系統(tǒng)，能否迅速可靠起動對該系統(tǒng)的工程應(yīng)用至關(guān)重要，因此對起動過程進行了仿真和分析。系統(tǒng)自

11、起動的關(guān)鍵在于由活塞泵、蓄壓器、液體壓力調(diào)節(jié)器和燃氣發(fā)生器組成的回路能否正常工作，在這一回路中活塞泵作為動力源，因此活塞泵能否順利實現(xiàn)第一個循環(huán)就顯得十分重要。系統(tǒng)起動過程中的壓力曲線見圖4。從圖中可以看出，開始工作后，推進劑在背壓作用下為燃氣發(fā)生器提供了一個初始壓力，然后燃氣發(fā)生器開始工作，燃氣進入氣缸，在燃氣的作用下活塞開始運動，擠壓液缸內(nèi)的推進劑，活塞泵出口壓力進一步升高。但是由于這一過程中，燃氣發(fā)生器未達到額定工況，出口燃氣壓力較低，因此活塞運動較正常工作過程中緩慢。當這一組氣缸活塞運動到達行程終點時，換向閥換向，另一組活塞開始工作，系統(tǒng)正常起動。系統(tǒng)起動時，泵后壓力迅速升高，液體壓力

12、調(diào)節(jié)器關(guān)閉，使得泵后推進劑被封閉在管路內(nèi)且維持高壓狀態(tài)，而液體壓力調(diào)節(jié)器關(guān)閉，推進劑無法進入燃氣發(fā)生器，發(fā)生器室壓降低，但仍然有部分燃氣封閉在發(fā)生器至氣缸間的管路內(nèi)，活塞泵內(nèi)活塞停止運動，系統(tǒng)處于待起動狀態(tài)。從起動過程的仿真結(jié)果來看，該系統(tǒng)可以正常起動。但是在計算模型中對發(fā)生器的模型進行了一定程度的簡化，因此活塞泵的起動仍然存在一定風險。3.2 穩(wěn)態(tài)工作特性通過對系統(tǒng)工作過程的仿真，分析系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作過程中的壓力曲線見圖5。仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以正常工作，工作過程較為平穩(wěn)。但是活塞泵往復(fù)運動使得泵出口產(chǎn)生壓力脈動，蓄壓器能夠有效地降低壓力脈動，使壓力趨于平穩(wěn)，但是會引起更高頻率

13、的較小幅值的波動。泵出口壓力的波動會對燃氣發(fā)生器的工作產(chǎn)生影響，導(dǎo)致燃氣發(fā)生器出口壓力和溫度的波動。但是就整個泵的工作來說，由于泵出口壓力處于低壓區(qū)時，氣缸正好進行排氣，因此燃氣發(fā)生器出口的低壓區(qū)對活塞泵的正常工作影響較小，整個系統(tǒng)的參數(shù)是匹配的。穩(wěn)態(tài)工作過程中泵出口壓力、發(fā)生器出口壓力與液體調(diào)節(jié)器閥芯位移曲線見圖6。仿真結(jié)果顯示：由于調(diào)節(jié)器入口壓力的波動，使得調(diào)節(jié)器不斷地打開和關(guān)閉，這使得調(diào)節(jié)器出口壓力波動進一步增大，經(jīng)過發(fā)生器會使得壓力波動的幅度減小，從而使系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定。蓄壓器是該增壓系統(tǒng)中用于維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，減小壓力波動幅值的關(guān)鍵組件，為研究不同蓄壓器容積對系統(tǒng)特性的影響，對無蓄壓

14、器和蓄壓器容積分別為1L和2L的穩(wěn)態(tài)工作過程進行了仿真，仿真結(jié)果見圖7。仿真結(jié)果顯示：蓄壓器能夠顯著減小系統(tǒng)起動和兩組活塞交班點的壓力波動，且蓄壓器容積越大，其效果越好；但對液體壓力調(diào)節(jié)器打開與關(guān)閉所引起的壓力波動，蓄壓器的穩(wěn)壓作用并不明顯?；钊迷鰤合到y(tǒng)能夠提供的最大推進劑流量是衡量系統(tǒng)供應(yīng)能力的重要指標，同時推進劑流量也是影響系統(tǒng)工作特性的重要因素。計算了下游流量不同時增壓系統(tǒng)的工作情況，活塞泵一號缸內(nèi)的壓力如圖8所示，圖中20s23s下游流量為300g/s， 25s28s下游流量為150g/s，30s33s下游流量為50g/s。仿真結(jié)果顯示，以不同流量工作時，活塞泵工作頻率不同，隨著流量

15、的減小，活塞泵工作頻率降低，但并不影響泵出口壓力波動幅值。 圖 4 起動過程中的壓力曲線 圖 5 穩(wěn)態(tài)工作過程中的壓力曲線Fig.4 Pressure curve during starting process Fig.5 Pressure curve during working process 圖 6 液體壓力調(diào)節(jié)器工作特性 圖 7 不同蓄壓器容積下泵出口壓力曲線Fig.6 working characteristic of liquid pressure regulator Fig.7 pressure curve of piton pump outlet with different

16、volume of accumulator圖 8 不同流量工作時液缸壓力曲線Fig.8 Pressure curve of the pump chamber with different flow rate4 試驗驗證通過活塞泵增壓系統(tǒng)起動過程與穩(wěn)態(tài)工作過程仿真與試驗結(jié)果的對比，對活塞泵增壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真模型進行驗證?；钊迷鰤合到y(tǒng)起動過程與穩(wěn)態(tài)工作過程的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果符合得較好，說明活塞泵增壓系統(tǒng)仿真模型正確，計算方法可行。5 結(jié)論本文AMESim仿真平臺及AMESet軟件，建立了活塞泵增壓系統(tǒng)及主要組件的動態(tài)特性仿真模型，進行了活塞泵增壓系統(tǒng)動態(tài)

17、特性仿真分析，并通過增壓系統(tǒng)聯(lián)試驗證模型的正確性。通過上述工作得到如下結(jié)論：（1）活塞泵增壓系統(tǒng)原理可行、方案合理、參數(shù)匹配，可以應(yīng)用于軌姿控動力系統(tǒng)；（2）采用AMESim建立的仿真平臺及AMESet軟件建立的活塞泵動態(tài)特性仿真模型正確，能夠用于活塞泵增壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析；（3）仿真及試驗研究結(jié)果表明：活塞泵增壓系統(tǒng)起動迅速，工作過程中活塞泵出口能夠維持較高壓力，但存在一定的波動，后續(xù)可通過系統(tǒng)優(yōu)化及活塞泵改進設(shè)計降低出口壓力波動幅值或消除壓力波動。 圖9 系統(tǒng)起動過程泵出口壓力曲線 圖10 燃氣發(fā)生器室壓曲線Fig.9 Pressure curve of pump during starting process Fig.10 Pressure curve of gas generator during working process參考文獻：1 John C. Whitehead, Lee C. Pittenger, Nicholas J. Collella. Design and Flight Testing of a Reciprocating Pump Fed Rocket. AIAA 94-3031.2 John C. Whitehead. Test Results of a Reciprocating