技术领域
[0001] 本
发明涉及一种发动机试验推进剂供应低频脉动抑制方法及系统。
背景技术
[0002] 在
火箭发动机试验中，由于
涡轮泵的高速旋转，导致推进剂供应管路中存在较为严重的压
力和流量脉动。脉动干扰降低了发动机工作的
稳定性，并且当脉动与供应系统的其他部件
频率相近时，会发生共振现象，影响整个试验系统的稳定性。现有常规的方法是使用
蓄能器进行调节，此种方法设备重量大，调节效果不理想。
发明内容
[0003] 为了降低推进剂供应系统的压力和流量脉动，提高推进剂供应稳定性，进而提高整个发动机泵系统的稳定性，本发明提供了一种发动机试验推进剂供应低频脉动抑制方法，根据该方法的模拟仿真计算结果同时提供了一种结构简单的发动机试验推进剂供应低频脉动抑制系统。采用了对推进剂供应管路进行精确的氦气注入，通过气体的掺混改变推进剂供应系统的固有频率，并通过对注入气量、气体分布、注入气体形态的精确控制，达到对推进剂的自身脉动进行调节，减少推进剂供应系统与发动机耦合的情况。
[0004] 由于发动机
涡轮泵具有的气蚀裕度，在形态气量可控的情况下，不会对发动机的工作造成影响。通过此种方法的应用，降低推进剂供应的脉动，提高推进剂供应稳定性，进而提高整个发动机泵系统的稳定性。该方法和系统在发动机试验中进行了应用。
[0005] 本发明的技术解决方案是提供一种发动机试验推进剂供应低频脉动抑制方法，包括以下步骤：
[0007] 根据单气泡动力学分析方法，通过控制注入推进剂中氦气的流量，控制调节注入推进剂中的氦气气泡的平均直径，保证注入气泡尺寸小于临界半径；参考单气泡临界半径计算公式：
[0008]
[0009] 式中ρl、ρg分别是液体和注入氦气的
密度；ug是注入氦气的表观速度(表观速度即为
多相流动中某一相单独流过的折算速度)；
[0010] 步骤二：通过高速摄像气体分散试验结合仿真分析建立注气流量下的布气装置指导模型；
[0011] 2.1、通过对布气装置的不同开孔形式下的气流分布情况进行仿真，根据仿真结果优化布气装置，达到气泡均匀分布，确保氦气在进入发动机前不会聚集成大型气泡；
[0012] 2.2、建立包含
流体供应试验系统，气泡分布
可视化透明管道，高速摄影监视系统的气泡分布试验系统；
[0013] 2.3、通过高速摄影获取氦气气泡从步骤2.1优化后的布气装置中流出，均匀分布到流体中，在流动过程中的气泡分布情况及气泡重新分布的高速摄影图像；结合图像与气泡分布情况进行对比分析，获得可靠的气泡分布仿真模型；
[0014] 2.4、通过步骤2.3得到的可靠的气泡分布仿真模型建立，修正布气装置；得到氦气注入所需的布气装置指导模型。
[0015] 本发明还提供一种发动机试验推进剂供应低频脉动抑制系统，其特殊之处在于：包括沿氦气流向依次设置的氦气供应配气系统、恒体积流量气体注入系统及四
角切圆布气装置；
[0016] 上述氦气供应配气系统包括氦气瓶、集气管、液
氧配气系统及
煤油配气系统；
[0017] 上述氦气瓶的出口通过
截止阀、
过滤器及氦气出气管接入集气管中；
[0018] 上述液氧配气系统及
煤油配气系统均包括设置在氦气出气管上的
质量流量计、
截止阀、
减压器、第一
电磁阀及音速孔板；
[0019] 液氧配气系统及煤油配气系统中的过滤器的入口均与集气管连通；
[0020] 上述恒体积流量气体注入系统包括液氧恒体积流量气体注入系统与煤油恒体积流量气体注入系统，上述液氧恒体积流量气体注入系统与液氧配气系统中的音速孔板通过氦气出气管连通；上述煤油恒体积流量气体注入系统与煤油配气系统中的音速孔板通过氦气出气管连通；
[0021] 上述液氧恒体积流量气体注入系统与煤油恒体积流量气体注入系统均包括等流阻现场原位校准流量测量装置及沿氦气流向依次设置在氦气出气管路上的等流阻流量计替代装置、力分界面U形补偿管、平稳气体均衡分配装置；
[0022] 上述现场原位校准流量测量装置包括质量流量计，用于在原位校准氦气流量；
[0023] 上述等流阻流量计替代装置用于在校准后，替换质量流量计并根据质量流量计的特性调节流阻；
[0024] 上述力分界面U形补偿管用于进行力分界的补偿及减少流动特性的变化；
[0025] 上述平稳气体均衡分配装置用于抑制注气启动段的
压力脉动；
[0026] 上述四角切圆布气装置用于控制气体注入后的分布形态及分布密度；上述四角切圆布气装置包括管体及沿管体内壁周向设置的注气环，上述注气环与管体内壁形成一个密闭的环形空腔；
[0027] 上述注气环上设置有多个出气孔；
[0028] 上述管体上开设有与环形空腔连通的至少一个斜接管开口；还包括设置于管体外壁且位于斜接管开口处且与斜接管开口同轴的斜接管；上述斜接管的内径与斜接管开口大小相同；
[0029] 平稳气体均衡分配装置的出口与斜接管连接，氦气通过四角切圆布气装置进入推进剂系统。
[0030] 优选地，上述注气环的纵截面为凹槽状或“c”形；上述斜接管开口与对应
位置的管体圆周的切角为50-70°。
[0031] 优选地，上述斜接管开口与对应位置的管体圆周的切角为60°；上述管体上开设有四个斜接管开口，四个斜接管开口沿周向均布在管体上；上述斜接管开口的面积总和与所有出气孔的面积总和大小相等。
[0032] 优选地，上述多个出气孔均布在注气环上。
[0033] 优选地，液氧配气系统及煤油配气系统设置在同一个配气台上；在减压器和第一电磁阀之间还设置有放气阀；液氧配气系统及煤油配气系统还包括位于音速孔板后的第二电磁阀，过滤器、截止阀、减压器、第一电磁阀、音速孔板及第二电磁阀沿氦气流向依次设置在氦气出气管路上。
[0034] 优选地，集气管的管径DN50，压力等级为PN23；位于集气管前的氦气出气管的管径为DN50，压力等级为PN35；液氧配气系统中的氦气出气管的管径为DN32，压力等级为PN23；煤油配气系统中的氦气出气管的管径为DN50，压力等级为PN15。
[0035] 优选地，等流阻流量计替代装置为设置在氦气出气管路中的节流孔；上述平稳气体均衡分配装置包括并联设置的四段长短不同的管段及分别设置在四段管段上的流阻调节孔板及压力脉动抑制装置，所述压力脉动抑制装置为单向隔离进气装置，上述单向隔离进气装置阻止液氧及煤油通过，四段管段的入口通过氦气出气管与U形补偿管的出口连通，四段管段的出口分别与四个斜接管连通。平稳气体均衡分配装置与四角切圆布气装置连接管道是非对称的，通过等流阻设计实现了非对称结构的气体的平稳均衡供应。
[0036] 优选地，上述U形补偿管采用硬管制作，上述单向隔离进气装置为
单向阀。
[0037] 本发明的有益效果是：
[0038] 1、本发明采用模拟仿真方法计算氦气注入推进剂时的各个参数，包括气泡大小、注入气量、气体分布及注入气体形态等参数，根据所得参数设计发动机试验推进剂供应低频脉动抑制系统，对推进剂供应管路进行精确的氦气注入，通过气体的掺混改变推进剂供应系统的固有频率，并通过对注入气量、气体分布、注入气体形态的精确控制，达到对推进剂的自身脉动进行调节，减少推进剂供应系统与发动机耦合的情况；
[0039] 2、通过此种方法的应用，降低推进剂供应的脉动，提高推进剂供应稳定性，进而提高整个发动机泵系统的稳定性；
[0040] 3、采用氦气供应配气系统及恒体积流量气体注入系统实现注入氦气的量与预期值的误差不高于3％及保证在氦气注入起始阶段压力上升小于30％；采用四角切圆布气装置实现注入的氦气进入气体注入装置均匀，在发动机试验的大振动环境下体积均匀度误差小于1％；
[0041] 4、氦气供应配气系统中选择音速孔板作为限流装置，使流量不受出口背压变化的影响，实现对液氧路和煤油路氦气注气量的精确控制，注气响应速度快；
[0042] 5、音速孔板前后均设置电磁阀，先对音速孔板前后的管路进行充填，提高了微小流量下氦气供应的充填速度；
[0043] 6、通过对减压器压力的调整和音速孔板孔径的选择，满足了发动机注气试验氦气流量、稳定性和充填速度的要求；
[0044] 7、本发明在减压器和电磁阀一之间还设置有放气阀，可对氦气出气管内的气体进行完全排放操作；
[0045] 8、本发明恒体积流量气体注入系统在常用的现场原位校准的基上，创新的使用等流阻原位校准方法，通过对现有管道和质量流量计在使用气体流量下的
流动阻力，通过在流阻较小的管道内设置节流孔进行流阻调节，实现了现场原位校准的等流阻代换。充分保证了校验系统与实际系统的一致性，实现了高
精度的气体流量注入；保证了局部流动特性；达到了注入氦气的量与预期值得误差不高于3％的目标；
[0046] 9、本发明恒体积流量气体注入系统包括U形补偿管，采用硬管制作为U型结构，即满足了力分界面的补偿要求，由于内部为光滑结构，减少了振动时流动特性的变化，解决了注气气体在振动下的脉动现象；
[0047] 10、本发明恒体积流量气体注入系统中的平稳气体均衡分配装置包括四段管段及设置在四段管段上的单向隔离进气装置，保证液氧和煤油推进剂系统中的介质不进入到注气系统中；并且能够使得氦气均匀的进入至液氧和煤油推进剂系统中；有效的减少了气体注入时的异常压力增高，保障了注气时发动机的正常工作；
[0048] 11、本发明四角切圆布气装置管体上开设有至少一个与环形空腔连通的斜接管开口，斜接管开口上接有对应的斜接管，气体从斜接管进入注气装置的环形空腔内，斜接管与管道呈一定角度有助于形成进气旋流，降低局部阻力并使环形空腔内的气体分布更均匀，消除了管道断裂的
风险，可靠性高；
[0049] 12、注气环上设置有多个出气孔，多个出气孔均匀地分布在注气环上，气体从小孔直接注入内管，注入气泡较小且均匀，推进剂流动稳定，不会影响发动机的正常工作；
[0050] 13、斜接管进气口的进气面积总和与所有出气孔的出气面积总和大小相等，在注气的过程中无产生压力差，不会损伤注气装置，影响注气效果。
附图说明
[0051] 图1为本发明系统示意图；
[0052] 图2a为利用本发明系统注气对推进剂(煤油)脉动抑制的实际效果图；
[0053] 图2b为利用本发明系统注气对推进剂(液氧)脉动抑制的实际效果图；
[0054] 图3为氦气供应配气系统示意图；
[0055] 图4为恒体积流量气体注入系统示意图；
[0056] 图5a为四角切圆布气装置示意图；
[0057] 图5b为四角切圆布气装置剖视图；
[0058] 图6为气泡分布试验系统图。
[0059] 图中附图标记为：1-氦气供应配气系统，11-氦气瓶，12-集气管，13-压力表，14-放气阀，15-截止阀，16-减压器，17-第一电磁阀，18-音速孔板，19-过滤器；
[0060] 2-恒体积流量气体注入系统，21-等流阻现场原位校准流量测量装置，22-等流阻流量计替代装置，23-力分界面U形补偿管，24-非对称结构的流阻平稳气体均衡分配装置；25-流阻调节孔板，26-压力脉动抑制装置；
[0061] 3-四角切圆布气装置，31-管体，32-注气环，33-出气孔，34-斜接管开口，35-斜接管；
[0062] 61-布气装置，62-可视化透明管道，63-高速摄影监视系统，64-供气电磁阀，65-流体供应试验系统，66-气源，67-
循环水泵，68-集气装置。
具体实施方式
[0063] 以下结合附图及具体
实施例对本发明做进一步的描述。
[0064] 本发明方法通过模拟仿真计算推进剂供应管路氦气注入气量、气体分布、注入气体形态等参数，仿真气体的掺混改变推进剂供应系统的固有频率，达到对推进剂的自身脉动进行调节，减少推进剂供应系统与发动机耦合的情况。由于发动机涡轮泵具有的气蚀裕度，在形态气量可控的情况下，不会对发动机的工作造成影响。通过此种方法的应用，降低推进剂供应的脉动，提高推进剂供应稳定性，进而提高整个发动机泵系统的稳定性。此方法在发动机试验中进行了应用。
[0065] 结合模拟及仿真的方法，确定基本参数，具体过程如下：
[0066] 步骤一：氦气气泡流量确认；
[0067] 根据单气泡动力学分析方法，通过控制注入推进剂中氦气的流量，控制调节注入推进剂中的氦气气泡的平均直径，保证注入气泡尺寸小于临界半径；单气泡临界半径计算方法为：
[0068]
[0069] 式中ρl、ρg分别是液体和注入氦气的密度；ug是注入氦气的表观速度；
[0070] 步骤二：通过高速摄像气体分散试验结合仿真分析建立注气流量下的布气装置指导模型；
[0071] 2.1、通过氦气在流动状态下的分散情况进行仿真计算，优化布气装置开孔形式；
[0072] 通过对布气装置的不同开孔形式下的气流分布情况进行仿真及优化；达到气泡均匀分布，确保氦气在进入发动机前不会聚集成大型气泡；
[0073] 2.2、建立包含流体供应试验系统，气泡分布可视化透明管道，高速摄影监视系统的气泡分布试验系统；具体系统见图6所示，气源66通过供气电磁阀64及集气装置68与布气装置61连接，布气装置61位于可视化透明管道62内部；流体供应试验系统65向可视化透明管道62内注入液体，液体流过可视化透明管道62后通过循环水泵67再次进入流体供应试验系统65，液体在流体供应试验系统65及可视化透明管道62内循环流动；高速摄影监视系统63位于可视化透明管道62的外部；
[0074] 2.3、通过高速摄影获取氦气气泡从步骤2.1优化后的布气装置中流出，均匀分布到流体中，在流动过程中的气泡分布匀化情况及气泡重新分布的高速摄影图像；结合图像与气泡分布匀化情况进行对比分析，获得可靠的气泡分布仿真模型；
[0075] 2.4、通过步骤2.3得到的可靠的气泡分布仿真模型建立，修正布气装置的设计；得到氦气注入所需的指导性模型，指导注气装置的设计；
[0076] 由于气体注入系统的特殊性，其系统必须满足如下要求：
[0077] 1、具备高精度恒体积流量的氦气体供应系统及注气装置；
[0078] 2、氦气供应系统可实现注入氦气的量与预期值的误差不高于3％；
[0079] 3、注入的氦气进入推进剂供应管路后必须均匀，在发动机试验的大振动环境下体积均匀度误差小于1％；
[0080] 4、注入推进剂中的氦气在初始阶段由于液态阻力的作用，注入的起始阶段会有压力上升，此上升会导致瞬间的注入气体流量增加，系统需保证其上升需小于30％；
[0081] 因此以上述试验数据要求为
基础，结合模拟及仿真的方法得出的模拟实验数据建立了通过注入氦气对低频脉动进行抑制的系统：
[0082] 系统构成如图1，发动机注气对推进剂脉动抑制的实际效果如图2a及图2b，验证了通过注入合适量的氦气，可将推进剂供应的脉动降低为原脉动20％。
[0083] 系统主要包括沿氦气流向依次设置的氦气供应配气系统、恒体积流量气体注入系统及四角切圆布气装置；其中氦气供应配气系统、恒体积流量气体注入系统来实现高精度恒体积流量的氦气供应。四角切圆布气装置确保注入气泡尺寸均匀。
[0084] 气泡在推进剂中的平均直径直接影响气泡在液体中的上升速度，而在流体处于完全紊流态时，密集鼓泡存在破裂的临界尺寸，鼓入气泡在推进剂中破裂将造成流场紊乱和汽蚀冲击，产生严重的振动和流体扰动，影响正常的试车考核，严重时将导致发动机推进剂供应出现间歇。利用氦气供应配气系统、恒体积流量气体注入系统控制注入推进剂中氦气的流量，实现注入推进剂中的氦气的气泡尺寸小于临界半径；确保鼓入气泡在推进剂中不会破裂。同时通过设计四角切圆布气装置确保注入气泡尺寸均匀。
[0085] 氦气供应配气系统如图3所示，包括多个氦气瓶11，集气管12、液氧配气系统及煤油配气系统；为了简化系统，将液氧配气系统和煤油配气系统集成到一个配气台上；集气管上还设置有压力表13和放气阀14，对集气管12上的压力进行实时监测和对集气管内的气体进行排空操作；氦气瓶11的出口通过截止阀15及过滤器19接入集气管12中；液氧配气系统和煤油配气系统均接入集气管中，均包括依次设置在在氦气出气管上的截止阀15、减压器16、第一电磁阀17和音速孔板18，音速孔板18后还可以接第二电磁阀。在减压器16和第一电磁阀17之间还设置有放气阀14，可对氦气出气管内的气体进行完全排放。
[0086] 系统使用普通的40L氦气瓶作为气源，使用的集气管的管径为DN50，压力等级为PN23；位于集气管前的氦气出气管的管径为DN50，压力等级为PN35；液氧配气系统中的氦气出气管的管径为DN32，压力等级为PN23；煤油配气系统中的氦气出气管的管径为DN50，压力等级为PN15。将氦气瓶11接入配气台集气管12上，从集气管12上分为两路，一路提供液氧路氦气供应，一路提供煤油路氦气供应。液氧配气系统和煤油配气系统均可以设置为多路输出；液氧和煤油路原理相同，以液氧路为例进行说明，从集气管12出来的氦气经过截止阀15后到达减压器16前，通过减压器16对氦气的压力进行控制，在减压器16后设置音速孔板18。选择音速孔板18作为限流装置，使流量不受出口背压变化的影响。
[0087] 通过对减压器16压力的调整和音速孔板18孔径的选择，满足了发动机注气试验氦气流量、稳定性和充填速度的要求。
[0088] 恒体积流量气体注入系统如图4所示，实现了供气的平稳，振动环境及动态工作条件下的平稳供应，包括等流阻现场原位校准流量测量装置21及沿氦气流向依次设置的等流阻流量计替代装置22，力分界面U形补偿管23，非对称结构的流阻平稳气体均衡分配装置24。
[0089] 一般通过在原位使用质量流量计校准氦气流量，可测量出实际的氦气流量。由于试车台的振动环境，常规的方法是在标定后采用直管替代质量流量计，由于局部流阻的变化会导致实际的流量与标定时的不符，为此本发明采用等流阻流量计替代装置(等流阻流量替代管)代替常规的直管，保证了局部流动特性。达到了注入氦气的量与预期值得误差不高于3％的目标。
[0090] 该装置在常用的现场原位校准的基础上，创新的使用等流阻现场原位校准系统，通过测量现有管道和质量流量计在使用气体流量下的流动阻力，在流阻较小的管道内设置等流阻流量替代管(管道内设置节流孔)进行流阻调节，实现了现场原位校准的等流阻代换。充分保证了校验系统与实际系统的一致性，实现了高精度的气体流量注入。
[0091] 力分界面U形补偿管的设置主要是由于，试车台管道进入发动机时，由于推力测量的需求，在力的分界面上一般设置软管来进行力分界的补偿。在氦气注入时，由于高精度的注入量要求，软管的波纹结构在振动中会发生弯曲及跳动，导致注气气体的
波动，影响注入气体的稳定性，为此设计了U补偿管，采用硬管制作为U型结构，即满足了力分界面的补偿要求，由于内部为光滑结构，减少了振动时流动特性的变化，解决了注气气体在振动下的脉动现象。
[0092] 非对称结构的平稳气体均衡分配装置24包括并联的四段非对称(长短不同的)供气管路，设置在供气管路上的流阻调节孔板25及压力脉动抑制装置26(具体结构为单向隔离装置，例如单向阀等，当液相压力较高时阻止液相进入气相管路，避免气相
增压后液相倒流造成的压力脉动)压力脉动抑制装置26的出口与四角切圆布气装置的斜接管入口连通；
[0093] 非对称结构的平稳气体均衡分配系统可以保证液氧和煤油系统中的介质不能进入注气系统中，此装置的使用解决了两个以下与注气相关的问题：
[0094] a注气时由于空间位置的闲置无法在管道的设置上实现4条管道的均匀分布。当管道中进行介质加注后由于介质的压力存在，液体态会进入注气管道，并且由于管道走向不同，每个管道中的液体会有所不同，当注气进行时，各部分的液体会倒流，导致气体进入气体注入装置的时间不同，不均匀的气体进入，可能导致发动机的异常工作。
[0095] b由于液体进入气路管道后，当注气发生时，液体的流动阻力急剧增加，依据试验数据可到达静态的2倍，通过此结构的采用，有效的减少了气体注入时的异常压力增高，保障了注气时发动机的正常工作。
[0096] 四角切圆布气装置有效的控制气体注入后的分布形态及分布密度，保证在不影响发动机正常工作的基础上对脉动进行有效的抑制：根据模拟及仿真的方法得出的模拟数据进行注气的四角切圆布气装置的设计。
[0097] 该四角切圆布气装置具体结构如图5所示，包括管体31，及沿管体内壁周向设置的注气环32，注气环32与管体内壁形成一个密闭的环形空腔；该注气环的纵截面为凹槽状或“c”形，注气环可以通过
焊接固定在管体内壁，注气环上设置有多个出气孔33，管体上开设有与环形空腔连通的至少一个斜接管开口34；在该实施例中为四个，且四个斜接管开口沿周向均布在管体上。斜接管开口与对应位置的管体圆周的切角为50-70°之间效果较佳，最优选的为60°；还包括设置于管体外壁且位于斜接管开口处且与斜接管开口同轴的斜接管35；斜接管35的内径与斜接管开口34大小相同；斜接管开口34的面积总和与所有出气孔33的面积总和大小相等，在注气的过程中无产生压力差，不会损伤注气装置，影响注气效果。
平稳气体均衡分配装置的出口与斜接管连接，氦气通过四角切圆布气装置进入推进剂系统。
[0098] 管体上开设有至少一个与环形空腔连通的斜接管开口，斜接管开口上接有对应的斜接管，气体从斜接管进入注气装置的环形空腔内，斜接管与管道呈一定角度有助于形成进气旋流，降低局部阻力并使环形空腔内的气体分布更均匀，消除了管道断裂的风险，可靠性高。注气环上设置有多个出气孔，多个出气孔均匀地分布在注气环上，气体从小孔直接注入内管，注入气泡较小且均匀，推进剂流动稳定，不会影响发动机的正常工作。根据方法中计算的单气泡临界半径设计该出气孔的大小，确保出气孔的直径小于单气泡临界半径，通过模拟仿真方法得出的可靠的气泡分布仿真模型设计四角切圆布气装置中注气环、斜接管开口、斜接管、出气孔数量等参数，保证注入的氦气进入气体注入装置必须均匀，在发动机试验的大振动环境下体积均匀度误差小于1％，注入的氦气在初始阶段由于液态阻力的作用，注入的起始阶段会有压力上升，此上升会导致瞬间的注入气体流量增加，保证其上升需小于30％。
