推進(jìn)劑加注過(guò)程中泵氣蝕問(wèn)題的分析及改進(jìn)

丁大江，陳傳寶，劉照智，王 飛，鄭 夏

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

航天液體推進(jìn)劑的加注方式包括泵式加注、擠壓式加注和自流式加注3種，其中泵式加注可適用的工況最為寬泛，應(yīng)用也最為普遍。在泵式加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，需根據(jù)管路特性及流量要求進(jìn)行水力計(jì)算，提出加注泵的額定工況點(diǎn)，進(jìn)而指導(dǎo)加注泵選型，并由泵前管路阻力損失計(jì)算確定泵前是否需要增壓及增壓具體壓力值。

離心泵作為推進(jìn)劑泵式加注系統(tǒng)的核心部件，用于將推進(jìn)劑由地面儲(chǔ)罐輸送至箭上貯箱中，具有性能優(yōu)、流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，在航天領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。推進(jìn)劑泵式加注過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，離心泵處會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，并伴有流量、揚(yáng)程和效率的降低，致使泵的性能下降，嚴(yán)重時(shí)過(guò)流部件也會(huì)產(chǎn)生破損，進(jìn)而造成推進(jìn)劑加注中斷，影響加注進(jìn)程。

1 氣蝕的產(chǎn)生及危害

1.1 氣蝕的產(chǎn)生[2]

離心泵在工作時(shí)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使由吸入管吸入的推進(jìn)劑沿葉片流道被甩向葉輪出口，同時(shí)在葉輪入口處形成低壓區(qū)。當(dāng)葉輪入口附近最低壓力小于該處溫度下被輸送推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓時(shí)，推進(jìn)劑便在葉輪入口處開(kāi)始汽化而產(chǎn)生氣泡。產(chǎn)生的氣泡隨著液體不斷被帶走，又在原處不斷產(chǎn)生新的氣泡。當(dāng)以上這些氣泡隨液流進(jìn)入泵內(nèi)高壓區(qū)時(shí)，受壓會(huì)迅速凝縮甚至破碎消失。在氣泡消失的瞬間，氣泡周?chē)耐七M(jìn)劑迅速進(jìn)入氣泡凝失產(chǎn)生的空穴，造成液體互相撞擊。如果這些氣泡在葉輪壁面附近破滅，則周?chē)耐七M(jìn)劑會(huì)以極高頻率連續(xù)撞擊金屬表面，金屬表面因沖擊、疲勞而剝落。

這種液體汽化、凝結(jié)形成的高頻沖擊負(fù)荷，造成金屬材料機(jī)械剝落和電化學(xué)腐蝕的現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為氣蝕。

1.2 氣蝕的危害[3,4]

當(dāng)氣泡不太多、氣蝕不嚴(yán)重時(shí)，對(duì)泵的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。但當(dāng)氣泡大量產(chǎn)生、氣蝕持續(xù)發(fā)展時(shí)，就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。主要有以下幾方面：

a）產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。氣泡潰滅時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的水擊，發(fā)出“劈劈啪啪”的聲音，并引起泵的振動(dòng)，導(dǎo)致泵不能正常工作。

b）對(duì)流道部件的侵蝕。葉輪局部地方在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，材料表面疲勞，從點(diǎn)蝕到蜂窩狀或海綿狀，嚴(yán)重的表面被蝕透、穿透，使葉片受到損壞。

c）氣蝕得不到控制，離心泵持續(xù)振動(dòng)，容易導(dǎo)致機(jī)封振動(dòng)靜環(huán)破碎，或是隔離罩振動(dòng)破損，進(jìn)而介質(zhì)外漏，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，對(duì)于易燃介質(zhì)可能發(fā)生著火爆炸事故。

d）氣蝕造成的振動(dòng)影響軸承的使用壽命，會(huì)導(dǎo)致軸承架及軸承滾珠破損，軸承振動(dòng)增大。嚴(yán)重情況下，軸承溫度持續(xù)升高，軸承箱著火。

e）泵性能突然下降。泵發(fā)生氣蝕時(shí)，介質(zhì)連續(xù)性遭到破壞，泵的揚(yáng)程、流量、效率都會(huì)顯著下降，導(dǎo)致泵不能連續(xù)正常工作。

2 推進(jìn)劑泵式加注過(guò)程中泵氣蝕的計(jì)算分析[5]

加注系統(tǒng)搭建完成后，結(jié)合液路部分的水力計(jì)算，獲得正常加注流量下的最小增壓壓力，以確保離心泵工作時(shí)不發(fā)生氣蝕。離心泵由儲(chǔ)罐中吸出推進(jìn)劑的示意如圖1所示，其中0-0為儲(chǔ)罐液面，1-1為離心泵入口斷面。

圖1 離心泵抽吸推進(jìn)劑的示意Fig.1 Diagram of Propellant Suction By Centrifugal Pump

有效氣蝕余量是指離心泵吸入口處的推進(jìn)劑所具有的超過(guò)其飽和壓力的富裕能量，又叫裝置氣蝕余量，用 NPSHa表示，它主要反映加注系統(tǒng)參數(shù)對(duì)氣蝕的影響，如儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、儲(chǔ)罐與離心泵高度差、泵前液路管路阻力損失、推進(jìn)劑性質(zhì)和溫度等，而與離心泵本身無(wú)關(guān)。

式中 P1為離心泵入口處壓力，Pa；Pvp為推進(jìn)劑當(dāng)前溫度下的飽和蒸汽壓，Pa；V1為離心泵入口處流速，m/s；ρ為推進(jìn)劑當(dāng)前溫度下的密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2。

必需氣蝕余量是指推進(jìn)劑從離心泵吸入口處至離心泵葉輪進(jìn)口處的流動(dòng)損失，即泵入口動(dòng)壓降，用NPSHr表示。一般情況下，NPSHr無(wú)法通過(guò)計(jì)算得出，均是離心泵制造廠家通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。NPSHr標(biāo)志著離心泵本身所具備的抵抗氣蝕性能的好壞，由離心泵設(shè)計(jì)和制造水平?jīng)Q定。

需要注意的是，NPSHr實(shí)質(zhì)上是因推進(jìn)劑流動(dòng)而帶來(lái)的阻力損失，NPSHr的大小不僅與離心泵的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，而且與離心泵的流速有關(guān)系。在確定 NPSHr的取值時(shí)，必須對(duì)應(yīng)指明離心泵的工作流量。

結(jié)合圖1，列出0-0、1-1截面的伯努利方程式：

式中 P0為儲(chǔ)罐液面處壓力，Pa； h1為離心泵實(shí)際吸上高度，m； hw為吸入管路流阻損失，m。

將式（1）和式（2）進(jìn)行整合，可得：

加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為確保不發(fā)生氣蝕，系統(tǒng)的有效氣蝕余量 NPSHa應(yīng)大于離心泵允許的必需氣蝕余量NPSHr，即：

可以看出，加注系統(tǒng)增壓壓力應(yīng)滿足如下要求：

3 推進(jìn)劑泵式加注過(guò)程中消除氣蝕的措施[6~9]

推進(jìn)劑加注過(guò)程中離心泵氣蝕問(wèn)題由離心泵本身的氣蝕性能和加注系統(tǒng)整體布局共同決定，其中離心泵本身氣蝕性能改進(jìn)的相關(guān)研究已經(jīng)很完善，在此不再贅述。以下主要結(jié)合推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的角度對(duì)消除離心泵氣蝕問(wèn)題的措施進(jìn)行探討。

3.1 減少泵前吸入管路阻力損失hw

泵前吸入管路阻力損失包括沿程阻力損失和局部流阻損失。

每段管路的沿程阻力損失為

式中hλi為第i段沿程流阻損失，m；λi為第i段沿程阻力系數(shù)；Li為第i段管長(zhǎng)，m；Vi為第i段管中流速，m/s；di為第i段管內(nèi)徑，m。

加注管路中局部阻力損失主要由閥門(mén)、彎頭、接頭、過(guò)濾器、流量計(jì)、軟管等產(chǎn)生：

式中hζi為第i段管路及管路裝置的局部流阻損失，m；ζi為第i段局部阻力系數(shù)。

泵前管路系統(tǒng)中的總流阻損失為

根據(jù)式（8），結(jié)合加注系統(tǒng)的特點(diǎn)，可通過(guò)以下措施減少泵前管路阻力：

a）減少泵前管路上閥門(mén)、彎頭、接頭等增加局部阻力損失的部件，單機(jī)選型時(shí)盡量選用流阻較小的產(chǎn)品，例如在需要布置閥門(mén)的場(chǎng)合使用流阻相對(duì)較小的球閥代替截止閥；

b）優(yōu)化管路布局及走向，縮短泵前管路長(zhǎng)度；

c）減少金屬軟管的使用，盡量使用沿程流阻相對(duì)較小的硬管代替金屬軟管；

d）降低系統(tǒng)加注流量。在滿足加注系統(tǒng)流量要求前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)離心泵轉(zhuǎn)速或泵后閥門(mén)開(kāi)度，適當(dāng)減小推進(jìn)劑加注流量；

e）適當(dāng)增大吸入管路內(nèi)徑。

3.2 降低推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓Pvp

同等條件下，推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓越大，離心泵產(chǎn)生氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。通常情況下，推進(jìn)劑的溫度越高，飽和蒸汽壓也越大。以四氧化二氮為例，其飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系如表1所示。

表1 四氧化二氮飽和蒸汽壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Saturated Vapor Pressure of N2O4 at Different Temperature

通過(guò)采取水冷降溫、與溫度較低的同種推進(jìn)劑進(jìn)行攪拌等處理方式，降低推進(jìn)劑的溫度，進(jìn)而可降低推進(jìn)劑的飽和蒸汽壓。同時(shí)，由于箭上發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性對(duì)推進(jìn)劑的溫度區(qū)間有一定要求，采取降溫措施時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。

3.3 減小離心泵的吸上高度h1

離心泵的吸上高度即為離心泵的入口截面高出儲(chǔ)罐液面的距離。在系統(tǒng)增壓壓力不變的前提下，吸上高度越大，離心泵入口處的壓力就越小，氣蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。與此同時(shí)，加注過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)推進(jìn)劑的液面高度會(huì)隨著推進(jìn)劑的流出而降低，即吸上高度會(huì)隨著加注的進(jìn)行進(jìn)一步增大。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量降低離心泵的吸上高度，并盡可能使離心泵的安裝位置低于儲(chǔ)罐液面，從而保證離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低氣蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 增大儲(chǔ)罐內(nèi)壓力P0

在上述措施均已采取，但氣蝕仍然發(fā)生時(shí)，則需考慮增大儲(chǔ)罐內(nèi)壓力。理論上只要增大泵前壓力，氣蝕現(xiàn)象均可以消除，但由于推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的特殊性，需考慮箭上貯箱的承壓能力，故加注系統(tǒng)中氣相空間的壓力增大幅度有限，需結(jié)合整個(gè)加注系統(tǒng)的參數(shù)統(tǒng)籌考慮。

4 試驗(yàn)研究

以某型火箭推進(jìn)劑的加注系統(tǒng)為例，系統(tǒng)連接示意如圖2所示。開(kāi)展加注試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)離心泵先將儲(chǔ)罐B中推進(jìn)劑加注至箭上貯箱，待儲(chǔ)罐B中推進(jìn)劑剩余量達(dá)到要求值時(shí)，切換至儲(chǔ)罐A，再將儲(chǔ)罐A中推進(jìn)劑加注至箭上貯箱。儲(chǔ)罐A和儲(chǔ)罐B之間、儲(chǔ)罐A與離心泵之間，離心泵與箭上貯箱之間均設(shè)置有閥門(mén)和金屬軟管。加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為1800 L/min，氣相空間壓力為0.15 MPa。

圖2 某型火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)連接示意Fig.2 Connection Relationship of a Rocket Propellant Fueling System

加注過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著離心泵轉(zhuǎn)速的提高，系統(tǒng)加注流量始終無(wú)法達(dá)到1800 L/min的設(shè)計(jì)流量，效率急劇下降，且伴有周期性的振動(dòng)和噪音，當(dāng)儲(chǔ)罐B中推進(jìn)劑加注完，切換至儲(chǔ)罐A時(shí)，加注流量雖仍未達(dá)到設(shè)計(jì)流量，但出現(xiàn)較大幅度提升，效率也有所增大，振動(dòng)和噪音適當(dāng)減弱，但并未消除。

由此判斷，該系統(tǒng)加注過(guò)程中發(fā)生了離心泵的氣蝕問(wèn)題，且由儲(chǔ)罐B切換至儲(chǔ)罐A之后，由于泵前管路及附件減少，泵前流阻減小，氣蝕現(xiàn)象得到一定緩解，但并未消除。

為解決該氣蝕問(wèn)題，結(jié)合第3節(jié)中的計(jì)算分析方法，首先對(duì)該加注系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算復(fù)核，獲得不同壓力下，不發(fā)生氣蝕的最小儲(chǔ)罐壓力，如表2所示。

表2 不同流量下不發(fā)生氣蝕的最小儲(chǔ)罐壓力Tab.2 Minimum Tank Pressure Without Cavitation at Different Flow Rates

從表2可以看出，若要加注流量達(dá)到1800 L/min，且無(wú)氣蝕現(xiàn)象，則加注儲(chǔ)罐B中推進(jìn)劑時(shí)，氣相空間壓力至少應(yīng)達(dá)到0.245 MPa，加注儲(chǔ)罐A中推進(jìn)劑時(shí)，氣相空間壓力至少應(yīng)達(dá)到0.209 MPa。而實(shí)際加注時(shí)，由于箭上貯箱耐壓能力限制，氣相空間壓力僅能維持在0.15 MPa，故而氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。

為消除氣蝕現(xiàn)象，結(jié)合第3章節(jié)中消除氣蝕的措施，對(duì)加注系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于儲(chǔ)罐壓力受制于貯箱壓力要求無(wú)法再提高，離心泵的吸上高度受制于管路布局無(wú)法更改，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)推進(jìn)劑調(diào)溫設(shè)施，故只能從減少泵前吸入管路阻力損失的角度采取措施。措施如下：

a）優(yōu)化泵前過(guò)濾器。

該加注系統(tǒng)采用Y型斜插式過(guò)濾器，搭配多層燒結(jié)式濾芯，用于對(duì)推進(jìn)劑中的雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)而保護(hù)離心泵，但同時(shí)也產(chǎn)生了較大的局部阻力。在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過(guò)適當(dāng)降低過(guò)濾精度、減少濾芯燒結(jié)層數(shù)以及優(yōu)化內(nèi)部流道設(shè)計(jì)等方式，大幅降低該過(guò)濾器的局部阻力系數(shù)，進(jìn)而減小泵前局部流阻損失。

b）減小加注流量。

優(yōu)化泵前過(guò)濾器后的加注系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表 3中可以看出，基于儲(chǔ)罐氣相壓力不大于0.15 MPa的前提，加注儲(chǔ)罐B中推進(jìn)劑時(shí)，加注流量可穩(wěn)定在1600 L/min，加注儲(chǔ)罐A中推進(jìn)劑時(shí)，加注流量可穩(wěn)定在1800 L/min，即為確保不產(chǎn)生氣蝕，可改進(jìn)為1600 L/min、1800 L/min的階梯化加注流量控制方式，在不同的加注階段，采取不同的加注流量控制方式。

表3 優(yōu)化泵前過(guò)濾器后不同流量下不發(fā)生氣蝕的最小儲(chǔ)罐壓力Tab.3 Minimum Tank Pressure without Cavitation at Different Flow Rates after Optimizing the Pump Front Filter

進(jìn)行上述改進(jìn)后，重新開(kāi)展加注試驗(yàn)，該型火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的氣蝕現(xiàn)象得到明顯消除，加注系統(tǒng)按照設(shè)置的階梯化加注流量控制方式，順利完成了推進(jìn)劑的加注工作。

5 結(jié) 論

本文對(duì)航天推進(jìn)劑加注過(guò)程中離心泵的氣蝕問(wèn)題進(jìn)行了理論計(jì)算和消除措施分析，明確應(yīng)以NPSHa大于NPSHr為設(shè)計(jì)原則開(kāi)展加注系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)及設(shè)備選型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)某型火箭推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的氣蝕現(xiàn)象進(jìn)行了處理和改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，理論計(jì)算和改進(jìn)措施有效。