活塞泵增壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究

1、 活塞泵增壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究肖明杰，毛根旺（西北工業(yè)大學(xué) 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(tái)，建立了活塞泵增壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，并通過活塞泵增壓系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比，對(duì)所建立的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明：活塞泵增壓系統(tǒng)原理可行、啟動(dòng)可靠、工作穩(wěn)定；仿真結(jié)果與試驗(yàn)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(dòng)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(jiǎn)介：肖明杰（1968年-），男，研究員，西北工業(yè)大學(xué)在讀博士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)；Email: mingjiexiao11通訊地址：西安市15號(hào)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?xì)怛?qū)動(dòng)活塞

5、泵實(shí)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(duì)大量推進(jìn)劑增壓而增壓系統(tǒng)質(zhì)量不會(huì)顯著增加，同時(shí)，由于燃?xì)庠鰤盒矢?，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(dòng)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(jì)90年代以來，國(guó)外開展了大量研究工作，美、俄等航天強(qiáng)國(guó)均進(jìn)行了活塞泵增壓系統(tǒng)組件及系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)研究，取得了顯著成果，并成功應(yīng)用于RD-860發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)對(duì)活塞泵增壓系統(tǒng)的研究起步相對(duì)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(yàn)的方法對(duì)活塞泵增壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了初步研究，重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)的起動(dòng)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?xì)獍l(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(dòng)下，貯箱中的推進(jìn)劑經(jīng)由活塞泵流出，通過燃?xì)獍l(fā)生器催化分解產(chǎn)生高溫燃?xì)?，由于氣腔活塞面積大于液腔活塞面積，在氣腔燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟?，活塞克服液腔液壓阻力和摩擦力開始運(yùn)動(dòng)，活塞擠壓液腔中的推進(jìn)劑使

7、其壓力升高，直至達(dá)到液體壓力調(diào)節(jié)器設(shè)定的壓力后，活塞泵后推進(jìn)劑壓力穩(wěn)定，為下游發(fā)動(dòng)機(jī)提供額定壓力的推進(jìn)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(jìn)行仿真，其中燃?xì)獍l(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(yàn)系統(tǒng)的仿真模型，在AMESim平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算。2.1 燃?xì)獍l(fā)生器燃?xì)獍l(fā)生器將無水肼催化分解為高溫高壓燃?xì)猓糜隍?qū)動(dòng)活塞泵為推進(jìn)劑增壓。根據(jù)無水肼催化分解的數(shù)學(xué)模型，采用AMESet進(jìn)行二次開發(fā)，基于集總參數(shù)法建立了燃?xì)獍l(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?xì)獾臓顟B(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?xì)馀c滯止燃?xì)獾臒嶂?。由于燃?xì)獍l(fā)生器的噴管為收縮型噴管，燃?xì)獍l(fā)生器出口燃?xì)獾牧髁靠捎闪髁抗接?jì)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(jìn)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?；钊猛ㄟ^差動(dòng)增壓原理，由燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)怛?qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，擠壓液缸內(nèi)的推進(jìn)劑，使其壓力升高，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增壓。由單向閥控制液缸進(jìn)液和排液，兩位三通閥控制氣缸進(jìn)氣與排氣，換向閥通過控制兩位三通閥實(shí)現(xiàn)活塞泵換向過程的機(jī)械液壓控制。采用AMESim軟件中機(jī)械庫、液壓庫和氣動(dòng)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(jìn)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(dòng)往復(fù)泵的燃?xì)鈮毫筒粩嗌?。?dāng)燃?xì)馔鶑?fù)泵出口壓力達(dá)到額定壓力時(shí)，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(shí)沒有推進(jìn)劑進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器，系統(tǒng)處于保壓狀態(tài)。當(dāng)泵后壓力低于給定壓力時(shí)，液體壓力調(diào)節(jié)器自動(dòng)打開使系統(tǒng)繼續(xù)處于增壓狀態(tài)。采用AMESim軟件中機(jī)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(dòng)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(jìn)劑波動(dòng)的范圍，保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。采用AMESim軟件中機(jī)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(dòng)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(dòng)對(duì)該系統(tǒng)的工程應(yīng)用至關(guān)重要，因此對(duì)起動(dòng)過程進(jìn)行了仿真和分析。系統(tǒng)自

11、起動(dòng)的關(guān)鍵在于由活塞泵、蓄壓器、液體壓力調(diào)節(jié)器和燃?xì)獍l(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(dòng)力源，因此活塞泵能否順利實(shí)現(xiàn)第一個(gè)循環(huán)就顯得十分重要。系統(tǒng)起動(dòng)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(jìn)劑在背壓作用下為燃?xì)獍l(fā)生器提供了一個(gè)初始?jí)毫?，然后燃?xì)獍l(fā)生器開始工作，燃?xì)膺M(jìn)入氣缸，在燃?xì)獾淖饔孟禄钊_始運(yùn)動(dòng)，擠壓液缸內(nèi)的推進(jìn)劑，活塞泵出口壓力進(jìn)一步升高。但是由于這一過程中，燃?xì)獍l(fā)生器未達(dá)到額定工況，出口燃?xì)鈮毫^低，因此活塞運(yùn)動(dòng)較正常工作過程中緩慢。當(dāng)這一組氣缸活塞運(yùn)動(dòng)到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)，換向閥換向，另一組活塞開始工作，系統(tǒng)正常起動(dòng)。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，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(jìn)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(jìn)劑無法進(jìn)入燃?xì)獍l(fā)生器，發(fā)生器室壓降低，但仍然有部分燃?xì)夥忾]在發(fā)生器至氣缸間的管路內(nèi)，活塞泵內(nèi)活塞停止運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)處于待起動(dòng)狀態(tài)。從起動(dòng)過程的仿真結(jié)果來看，該系統(tǒng)可以正常起動(dòng)。但是在計(jì)算模型中對(duì)發(fā)生器的模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，因此活塞泵的起動(dòng)仍然存在一定風(fēng)險(xiǎn)。3.2 穩(wěn)態(tài)工作特性通過對(duì)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(yùn)動(dòng)使得泵出口產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，蓄壓器能夠有效地降低壓力脈動(dòng)，使壓力趨于平穩(wěn)，但是會(huì)引起更高頻率

13、的較小幅值的波動(dòng)。泵出口壓力的波動(dòng)會(huì)對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器的工作產(chǎn)生影響，導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器出口壓力和溫度的波動(dòng)。但是就整個(gè)泵的工作來說，由于泵出口壓力處于低壓區(qū)時(shí)，氣缸正好進(jìn)行排氣，因此燃?xì)獍l(fā)生器出口的低壓區(qū)對(duì)活塞泵的正常工作影響較小，整個(gè)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(dòng)，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(dòng)進(jìn)一步增大，經(jīng)過發(fā)生器會(huì)使得壓力波動(dòng)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(dòng)幅值的關(guān)鍵組件，為研究不同蓄壓器容積對(duì)系統(tǒng)特性的影響，對(duì)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(jìn)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(dòng)和兩組活塞交班點(diǎn)的壓力波動(dòng)，且蓄壓器容積越大，其效果越好；但對(duì)液體壓力調(diào)節(jié)器打開與關(guān)閉所引起的壓力波動(dòng)，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(jìn)劑流量是衡量系統(tǒng)供應(yīng)能力的重要指標(biāo)，同時(shí)推進(jìn)劑流量也是影響系統(tǒng)工作特性的重要因素。計(jì)算了下游流量不同時(shí)增壓系統(tǒng)的工作情況，活塞泵一號(hào)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(shí)，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(dòng)幅值。 圖 4 起動(dòng)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(shí)液缸壓力曲線Fig.8 Pressure curve of the pump chamber with different flow rate4 試驗(yàn)驗(yàn)證通過活塞泵增壓系統(tǒng)起動(dòng)過程與穩(wěn)態(tài)工作過程仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)活塞泵增壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證?；钊迷鰤合到y(tǒng)起動(dòng)過程與穩(wěn)態(tài)工作過程的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，仿真結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算方法可行。5 結(jié)論本文AMESim仿真平臺(tái)及AMESet軟件，建立了活塞泵增壓系統(tǒng)及主要組件的動(dòng)態(tài)特性仿真模型，進(jìn)行了活塞泵增壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

17、特性仿真分析，并通過增壓系統(tǒng)聯(lián)試驗(yàn)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(dòng)力系統(tǒng)；（2）采用AMESim建立的仿真平臺(tái)及AMESet軟件建立的活塞泵動(dòng)態(tài)特性仿真模型正確，能夠用于活塞泵增壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析；（3）仿真及試驗(yàn)研究結(jié)果表明：活塞泵增壓系統(tǒng)起動(dòng)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(dòng)，后續(xù)可通過系統(tǒng)優(yōu)化及活塞泵改進(jìn)設(shè)計(jì)降低出口壓力波動(dòng)幅值或消除壓力波動(dòng)。 圖9 系統(tǒng)起動(dòng)過程泵出口壓力曲線 圖10 燃?xì)獍l(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(xiàn)：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