氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真研究

翟一帆，羅巧軍

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氫氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真研究

翟一帆，羅巧軍

（北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

基于IRC方法對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模塊化建模，在此基礎(chǔ)上搭建了閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：仿真模型與試車數(shù)據(jù)吻合較好，仿真模型得到了驗(yàn)證，調(diào)節(jié)渦輪旁通閥的時(shí)序可以有效改善啟動(dòng)過程中燃燒室壓力超調(diào)。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；閉式膨脹循環(huán)；啟動(dòng)仿真；動(dòng)態(tài)仿真

0 引 言

隨著中國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，愈發(fā)復(fù)雜的空間任務(wù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了新的要求，如推力大范圍調(diào)節(jié)、多次重復(fù)啟動(dòng)等。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真，作為在發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期中的重要技術(shù)手段，在諸如方案論證比較、故障模式研究、試驗(yàn)異常點(diǎn)尋因、系統(tǒng)性能優(yōu)化等方面具有重要的作用。

啟動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在很短時(shí)間內(nèi)由初始狀態(tài)爬升到主級(jí)工況，系統(tǒng)參數(shù)將發(fā)生大范圍的劇烈變化。啟動(dòng)階段的各組件工作在非穩(wěn)態(tài)的惡劣條件下，極易發(fā)生故障，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

本文采用一維分段集中參數(shù)方法[1]，使用AMESim軟件進(jìn)行模塊化建模，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵組件的動(dòng)態(tài)模塊，并以此搭建閉式膨脹循環(huán)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行仿真，并與試車數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

1 管路IRC方法

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是將各典型組件通過流體（液體或氣體）管路串聯(lián)而成的熱力系統(tǒng)，流體管路的特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性具有重要影響。

在低頻動(dòng)力學(xué)范圍內(nèi)，流體管路的動(dòng)力學(xué)模型主要采用集中參數(shù)模型的方法處理。集中參數(shù)模型雖然較為粗糙，但求解容易，因此在工程上得到廣泛的應(yīng)用。通過使用集中參數(shù)法，Kanmuri等[2]建模并分析了LE-5發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程；Binder等[3]建立了RL10A-3-3A發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)仿真模型；劉紅軍等[4]建模并分析了補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程；陳宏玉等[5]建模并分析了補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)過程。

IRC方法是以溫度、壓力、質(zhì)量流量和焓流量為基本變量的一維單相流體控制方程的分段集中參數(shù)方法。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程，在不用考慮中高頻的振蕩中IRC方法可以使用。

使用IRC方法，將管流在空間上進(jìn)行有限個(gè)單元的劃分，對(duì)單元采用集中參數(shù)處理，認(rèn)為單元內(nèi)流體的狀態(tài)參數(shù)或運(yùn)動(dòng)參數(shù)是瞬時(shí)一致的和均勻的。

單元?jiǎng)澐挚煞譃闋顟B(tài)單元和運(yùn)動(dòng)單元兩種。狀態(tài)單元內(nèi)，流體的壓力、密度、溫度、內(nèi)能等狀態(tài)參數(shù)一致，稱之為容性單元（C單元）；運(yùn)動(dòng)單元內(nèi)，流體的運(yùn)動(dòng)速度一致，稱之為（慣性）阻性單元（IR單元）。

使用IRC方法劃分后，連續(xù)管路等效為C單元與IR單元交錯(cuò)串聯(lián)形成的管路，如圖1所示。

圖1 一維流動(dòng)IRC劃分

C單元以質(zhì)量流量、焓流量為輸入量，以溫度、壓力為輸出量；IR單元以溫度、壓力為輸入量，以質(zhì)量流量、焓流量為輸出量。C單元與IR單元間參數(shù)傳遞過程如圖2所示。

圖2 C單元與IR單元參數(shù)傳遞過程示意

在運(yùn)動(dòng)單元（IR單元）內(nèi)，若不考慮流體的壓縮性，則單元退化為阻性單元（R單元）；若不考慮流體的流動(dòng)損失，則單元退化為慣性單元（I單元）。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)組件的模塊化建模

2.1 管 路

2.1.1 C單元

對(duì)管道某一選中單元，單元邊界截面為固定截面，則一維質(zhì)量守恒方程為

狀態(tài)參數(shù)在單元中均勻分布，并假設(shè)管壁是剛性的，即不考慮容積變化，有：

則：

一維能量守恒方程為

聯(lián)立式（4）、式（7）可得到C單元計(jì)算式，即：

2.1.2 I單元

在發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)中，主要在不可壓或弱可壓流體單元中考慮流體的慣性，本節(jié)中假設(shè)單元工質(zhì)為不可壓縮流體。對(duì)管道某一選中單元，單元邊界截面為固定截面，忽略摩擦，流路分段內(nèi)動(dòng)量方程為

焓流量的計(jì)算為

式中 下標(biāo)up為入口參數(shù)。

2.1.3 R單元

a）對(duì)液路R單元，采用一般節(jié)流孔流量公式計(jì)算質(zhì)量流量，即：

b）對(duì)氣路R單元，采用聲速噴嘴流量公式計(jì)算質(zhì)量流量，即：

其中：

2.2 汽蝕管

汽蝕管屬于節(jié)流件，因此使用R單元模型對(duì)之建模。式（12）未考慮汽蝕與非汽蝕的轉(zhuǎn)換，因此汽蝕管質(zhì)量流量使用下式計(jì)算：

2.3 夾套冷卻劑側(cè)

考慮到工質(zhì)為液氫，可能在夾套內(nèi)升溫氣化過程中經(jīng)歷兩相轉(zhuǎn)變，因此使用兩相流換熱管道。在兩相流換熱管道中，主要討論工質(zhì)處于兩相和單相（超臨界）狀態(tài)下的換熱計(jì)算方法，并討論單相流動(dòng)中層流和湍流的不同。

2.3.1 單相流動(dòng)

單相流動(dòng)采用Gnielinski模型[6]計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，即：

2.3.2 兩相流動(dòng)

兩相流動(dòng)不僅要考慮流動(dòng)的層湍流情況，還要考慮液相在壁面沸騰或氣相在壁面冷凝。

當(dāng)壁面溫度低于過流工質(zhì)溫度時(shí)，工質(zhì)會(huì)在壁面冷凝。對(duì)于冷凝過程，對(duì)流換熱系數(shù)采用Shah[8]相關(guān)系數(shù)計(jì)算，即：

當(dāng)壁面溫度高于過流工質(zhì)溫度時(shí)，工質(zhì)會(huì)在壁面沸騰。對(duì)于沸騰過程，對(duì)流換熱系數(shù)采用VDI[9]模型計(jì)算，即：

3 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型

閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)槿∠祟A(yù)燃室和燃?xì)獍l(fā)生器，因此系統(tǒng)簡單、可靠性高。由于從再生冷卻夾套引出的氣氫溫度不高，所以渦輪工作環(huán)境遠(yuǎn)優(yōu)于分級(jí)燃燒循環(huán)和燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，渦輪泵系統(tǒng)研制技術(shù)難度低。

液氫從貯箱經(jīng)氫泵增壓后進(jìn)入再生冷卻系統(tǒng)吸收熱量，出口吸熱的氣氫工質(zhì)依次驅(qū)動(dòng)氫、氧渦輪做功，通過轉(zhuǎn)子帶動(dòng)泵工作，最后經(jīng)過噴注器噴入推力室燃燒。液氧經(jīng)氧泵增壓后進(jìn)入氧主汽蝕管，之后流經(jīng)氧主閥通過噴注器噴入推力室燃燒。

液氫/液氧膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 閉式膨脹循環(huán)系統(tǒng)示意

使用AMESim軟件進(jìn)行建模，仿真模型如圖4所示。

圖4 AMESim仿真系統(tǒng)

4 仿真結(jié)果與分析

采用第3節(jié)建立的仿真模型，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了啟動(dòng)仿真計(jì)算。

該發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，首先依靠推力室冷卻夾套壁面的熱容加熱氫工質(zhì)，夾套出口的氣氫流經(jīng)氫氧渦輪做功，推動(dòng)兩渦輪泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的爬升，然后氫氧流經(jīng)噴注器噴入推力室燃燒，使室溫升高。

以氫主閥打開時(shí)間為0 s，則點(diǎn)火器工作時(shí)間覆蓋氫主閥打開時(shí)間，覆蓋氫工質(zhì)開始進(jìn)入燃燒室的時(shí)間，且氧主閥早于氫主閥打開，氧主閥時(shí)序不用進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到閥門作動(dòng)時(shí)間很短，將氫主閥打開視作一個(gè)階躍信號(hào)輸入，來對(duì)啟動(dòng)過程各動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

啟動(dòng)過程的仿真結(jié)果與試車結(jié)果比較如圖5所示。由圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真在爬升段吻合較好。

在啟動(dòng)初始段的壓力平臺(tái)仿真中，仿真模型未能仿真出實(shí)際情況，這主要是由于仿真模型中發(fā)動(dòng)機(jī)各自動(dòng)器組件如閥門等，使用的是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，均未考慮其動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)，未考慮室壓較低對(duì)燃燒效率和噴注器噴注效率的影響。

圖5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線

在啟動(dòng)壓力超調(diào)的仿真中，仿真模型也出現(xiàn)了壓力超調(diào)。壓力超調(diào)的出現(xiàn)主要是由渦輪泵系統(tǒng)的慣性引起，而且發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪旁通采用聲速噴嘴進(jìn)行節(jié)流，無法調(diào)節(jié)開度。

由圖5a可知，仿真與試車都出現(xiàn)了啟動(dòng)壓力超調(diào)，為了消除這個(gè)壓力超調(diào)，將兩渦輪旁通聲速噴嘴以調(diào)節(jié)閥代替。設(shè)置閥門為三位閥（全關(guān)/半開/全開），其中半開為額定工況閥芯位置，閥門作動(dòng)時(shí)間設(shè)置為50 ms。結(jié)果表明，設(shè)置閥門在1.55 s由全關(guān)轉(zhuǎn)為全開，2.05 s由全開轉(zhuǎn)為半開的時(shí)序，可成功消除啟動(dòng)壓力超調(diào)。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)散差，閥門全開、半開時(shí)序的設(shè)定應(yīng)與室壓相關(guān)聯(lián)。

表1 仿真與試車結(jié)果動(dòng)態(tài)參數(shù)比較

Tab.1 Dynamic Parameters Between Simulation and Trial

動(dòng)態(tài)性能延遲時(shí)間/s上升時(shí)間/s峰值時(shí)間/s調(diào)節(jié)時(shí)間/s超調(diào)量 室壓仿真1.200.832.020.567.32% 試車1.220.791.850.943.80% 氫泵轉(zhuǎn)速仿真1.101.102.020.406.00% 試車1.20.91.90.92.34% 氧泵轉(zhuǎn)速仿真1.801.021.970.382.31% 試車1.21.02.00.96.15%

該時(shí)序下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真與原啟動(dòng)仿真的對(duì)比如圖6所示。

圖6 設(shè)置調(diào)節(jié)閥消除啟動(dòng)壓力超調(diào)曲線

由圖6可知，使用兩個(gè)渦輪旁通閥，并設(shè)置正確的時(shí)序方案，較原聲速噴嘴方案，能夠成功消除燃燒室啟動(dòng)壓力超調(diào)。

5 結(jié) 論

本文使用基于IRC方法簡化的仿真模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組件進(jìn)行了模塊化建模。在此基礎(chǔ)上，搭建了閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)仿真模型，結(jié)果與近期試車試驗(yàn)較為吻合。在仿真模型中，使用兩個(gè)渦輪旁通調(diào)節(jié)閥代替聲速噴嘴模型，發(fā)現(xiàn)可以通過設(shè)置正確的時(shí)序減小甚至完全消除啟動(dòng)壓力超調(diào)。仿真模型的驗(yàn)證，可以進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行研究。

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Start-up Simulation of LOX/LH2Closed Expander Cycle Engine

Zhai Yi-fan, Luo Qiao-jun

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076）

Based on IRC method, models of liquid rocket engine components are create. Then the closed expander-cycle engine start-up simulation model is set up. Rocket engine start-up process has been studied. Result shows that the simulation model matched the trial very well, the simulation model has been verified. By modulation of two turbo bypass valves, engine chamber start-up pressure peak is eliminated.

Liquid rocket engine; Closed expander cycle; Start-up simulation; Dynamic simulation

1004-7182(2018)01-0049-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180110

V43

A

2016-11-17；

2017-03-13

翟一帆（1993-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)