宋晶晶，趙洪波，孫 德，劉瑞敏

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

0 引言

某發(fā)動(dòng)機(jī)是新一代運(yùn)載火箭芯二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)其研制計(jì)劃，需要進(jìn)行渦輪泵低溫介質(zhì)試驗(yàn)。根據(jù)《氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)任務(wù)書(shū)》的要求，試驗(yàn)包括兩種低壓工況，兩種高壓工況。其中，在高壓工況中，氫氣流量、壓力較以往發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)有很大幅度的提高。以往發(fā)動(dòng)機(jī)氫泵試驗(yàn)渦輪入口壓力約為3.768 MPa，流量約為0.733 kg/s；目前發(fā)動(dòng)機(jī)氫泵試驗(yàn)氫渦輪入口最大壓力要求為8.744 MPa，最大流量要求為2.140 kg/s。為了滿足后者的試驗(yàn)要求，地面工藝系統(tǒng)需要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪氣氫的真實(shí)壓力和流量參數(shù)，于是這種高壓、大流量氫氣介質(zhì)穩(wěn)壓技術(shù)在試驗(yàn)中的應(yīng)用研究成為了氫吹工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)先要解決的問(wèn)題。

1 高壓大流量穩(wěn)壓技術(shù)的研究

目前試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用比較成熟、可靠的穩(wěn)壓方法是采用高壓大流量減壓器與噴嘴串聯(lián)工藝，通過(guò)減壓器穩(wěn)定噴嘴前壓力，而噴嘴主要提供滿足試驗(yàn)要求的氣氫流量。針對(duì)此次試驗(yàn)中氫吹渦輪入口流量的提高，工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)擬采用減壓器并聯(lián)再與噴嘴組串聯(lián)的穩(wěn)壓方式，而這種工藝技術(shù)應(yīng)用在新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中還需要進(jìn)一步的分析和研究，以確保試驗(yàn)以及流量控制的的可靠性。

本文從以下兩個(gè)方面進(jìn)行分析。首先，如何保證減壓器并聯(lián)輸出參數(shù)的穩(wěn)定性。大流量減壓器并聯(lián)使用可能會(huì)存在相互干擾現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的振動(dòng)，從而對(duì)減壓器的膜片造成沖擊，導(dǎo)致減壓器失效。其次，噴嘴設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家對(duì)其產(chǎn)品的標(biāo)定在常溫低壓空氣介質(zhì)條件下，采用抽空法進(jìn)行的，而在發(fā)動(dòng)機(jī)氫泵試驗(yàn)中，噴嘴需在氫氣介質(zhì)高壓常溫條件下進(jìn)行流量控制，那么如何保證氫氣流量控制的準(zhǔn)確性成為試驗(yàn)的另一難點(diǎn)。

1.1 減壓器并聯(lián)穩(wěn)定性的研究

1.1.1 WS34-001減壓器的工作原理

氫吹工藝系統(tǒng)選用WS34-001減壓器，其進(jìn)口壓力15～23 MPa，出口壓力1～15 MPa空氣介質(zhì)的最大流量20 kg/s，屬于氣動(dòng)彈簧活塞膜片式氣體減壓閥。它是通過(guò)啟閉件的節(jié)流，將進(jìn)口壓力降至某一需要的出口壓力，并能在進(jìn)口壓力及流量變動(dòng)時(shí)，利用本身介質(zhì)能量保持出口壓力基本不變。

如圖1所示：氣源PN1進(jìn)入A腔，操作調(diào)壓氣管路閥門，使C腔充達(dá)一定氣壓，即關(guān)閉調(diào)壓氣管路閥門，膜片克服彈簧力頂起活門，氣源PN1經(jīng)活門間的縫隙中進(jìn)入出口腔，同時(shí)作用于膜片，減少活門的開(kāi)啟度，直至平衡。此時(shí)B腔內(nèi)氣壓即PN2輸出壓力。

如圖2所示，此減壓閥有三個(gè)進(jìn)口和三個(gè)出口，上蓋的小接管嘴接出口壓力表。下蓋的兩個(gè)小接管嘴任意一個(gè)為調(diào)壓氣進(jìn)口，調(diào)壓氣管路上應(yīng)有排氣口，防止由于調(diào)壓氣壓力過(guò)高而使出口壓力過(guò)高時(shí)排氣降壓；另一個(gè)小接管嘴與上蓋的安全閥相連。

1.1.2 減壓器并聯(lián)穩(wěn)定性試驗(yàn)

由于每臺(tái)減壓器的各種配件存在差異，裝備狀態(tài)不可能完全一樣。所以，即使在減壓器入口壓力、操縱腔壓力一致的情況下，減壓器出口壓力仍會(huì)產(chǎn)生較大差異。試驗(yàn)表明：如果并聯(lián)減壓器的輸出特性不相匹配，那么系統(tǒng)的干擾就會(huì)有發(fā)散的趨勢(shì)，壓力波動(dòng)較大；如果因此進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，壓力波動(dòng)會(huì)越來(lái)越大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)把連接法蘭震松。因此，在并聯(lián)使用前，對(duì)單臺(tái)減壓器做輸出壓力穩(wěn)定性試驗(yàn)，選取性能相近、穩(wěn)定性好的減壓器并聯(lián)使用是確保試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。

綜上所述，對(duì)減壓器的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，其試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由氣瓶、手動(dòng)截止閥、氣動(dòng)球閥、過(guò)濾器、壓力表以及孔板組成。此次試驗(yàn)分別對(duì)四臺(tái)減壓器進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)試，給氣瓶充氣20 MPa，打開(kāi)氫氣源總閥，調(diào)整WS34-001減壓器，使其出口壓力為11 MPa，當(dāng)減壓器入口壓力依次降至19 MPa、17 MPa、15 MPa、14 MPa時(shí)，分別記錄減壓器出口壓力值，此外，每當(dāng)壓力降至19 MPa、17 MPa、15 MPa、14 MPa時(shí)，關(guān)閉噴嘴前的氣動(dòng)球閥，待30 s后記錄減壓器出口壓力即零流量減壓器的出口壓力，觀察減壓器工作狀態(tài)。

如表1所示，減壓器Ⅲ和減壓器Ⅳ的輸出特性較為相近，且減壓器動(dòng)態(tài)壓力值在減壓器調(diào)整值上下0.2 MPa左右擺動(dòng)，說(shuō)明減壓器性能好，輸出穩(wěn)定，可在系統(tǒng)上并聯(lián)使用。減壓器Ⅰ的輸出穩(wěn)定性相對(duì)較好，可作為備份使用。而減壓器Ⅱ動(dòng)態(tài)壓力值與減壓器調(diào)整值相差0.5 MPa左右，其輸出穩(wěn)定性相對(duì)差些，不易并聯(lián)使用。

表1 減壓器穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of pressure reducer stability MPa

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證并聯(lián)使用減壓器的動(dòng)態(tài)特性，將減壓器Ⅲ和減壓器Ⅳ以并聯(lián)的方式在系統(tǒng)上使用，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中，兩臺(tái)減壓器并聯(lián)使用未發(fā)生相互干擾現(xiàn)象，也沒(méi)有產(chǎn)生很大的振動(dòng)，其壓力表指針基本保持不動(dòng)狀態(tài)。而且，從減壓器并聯(lián)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：并聯(lián)后的出口壓力與其中較大的出口壓力相同。因此可以說(shuō)明這兩臺(tái)減壓器并聯(lián)工作性能穩(wěn)定，滿足進(jìn)一步試驗(yàn)的要求。

表2 減壓器并聯(lián)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of pressure reducers installed in parallel MPa

通過(guò)以上兩組試驗(yàn)確定了適用于并聯(lián)且穩(wěn)定性良好的減壓器組合，解決了大流量穩(wěn)壓技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為氫吹工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.2 在試驗(yàn)工況下臨界流文丘里噴嘴流量控制準(zhǔn)確性的研究

1.2.1 在試驗(yàn)工況下臨界流文丘里噴嘴流量系數(shù)的修正

噴嘴制造廠家給出的流量系數(shù)是以低壓空氣為標(biāo)定介質(zhì)取得的，而目前試驗(yàn)的介質(zhì)為高壓氫氣，應(yīng)對(duì)標(biāo)定的流量系數(shù)重新進(jìn)行修正，否則將影響氫氣流量控制的準(zhǔn)確性。所以，根據(jù)噴嘴產(chǎn)品檢定書(shū)及相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)以空氣為檢定介質(zhì)的流量系數(shù)進(jìn)行修正，其修正過(guò)程如下：

根據(jù)《噴嘴產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)》中給出的流量公式：

式中：qm為通過(guò)文丘里噴嘴的氣體流量，kg/s；p0為文丘里噴嘴前的滯止壓力，Pa；T0為文丘里噴嘴前的滯止溫度，K；K為流量系數(shù)；Z為通過(guò)文丘里噴嘴氣體的壓縮系數(shù)。

式中：K0為與標(biāo)定介質(zhì)成分有關(guān)系數(shù)；Cd0為空氣標(biāo)定時(shí)流出系數(shù)（制造單位給出恒定值）；ΔCd為與通過(guò)噴嘴雷諾數(shù)有關(guān)系數(shù)；

根據(jù)ISO9300－2005(E)中的規(guī)定：

式中：Rent為在實(shí)際使用時(shí)氣體通過(guò)噴嘴喉部雷諾數(shù)。當(dāng)標(biāo)定介質(zhì)不是空氣以及溫度、壓力遠(yuǎn)離標(biāo)定狀態(tài)時(shí)，K0按下式計(jì)算：

式中：K01為以空氣為介質(zhì)標(biāo)定時(shí)制造單位給出的系數(shù)；k為被標(biāo)定介質(zhì)的比熱比；R為被標(biāo)定介質(zhì)的氣體常數(shù)。

式中：d為噴嘴喉部的直徑，m；μ為氣體的動(dòng)力粘度，Pa s；p1為測(cè)得的音速噴嘴前靜壓，Pa；T1為測(cè)得的音速噴嘴前靜溫度，K。

那么，試驗(yàn)工況下氫氣流量的計(jì)算過(guò)程是：由實(shí)測(cè)噴嘴入口氫氣壓力p1、溫度T1確定熱力學(xué)參數(shù)k和μ；根據(jù)公式 (5)計(jì)算出在試驗(yàn)時(shí)氫氣通過(guò)噴嘴喉部雷諾數(shù)，從而求得參數(shù)ΔCd；以空氣為介質(zhì)標(biāo)定噴嘴獲得的系數(shù)K01和Cd0，代入公式 (4)和公式 (2)求出流量系數(shù)K；由于噴嘴前壓力、溫度測(cè)點(diǎn)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行安裝，用靜壓、靜溫代替滯止壓力、滯止溫度的誤差較小，可以近似認(rèn)為p1≈p0，T1≈T0；將K，p1和T1代入公式 (1)求出試驗(yàn)工況下的氫氣流量。

表3 噴嘴氫氣流量換算公式Tab.3 Reduction formulas for gas flow of nozzles

由于此次試驗(yàn)包括4種工況，工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3只噴嘴并聯(lián)完成不同工況下的試驗(yàn)要求，根據(jù)以上換算過(guò)程，3只噴嘴的氫氣流量換算公式如表3所示。

1.2.2 臨界流文丘里噴嘴流量測(cè)量不確定度評(píng)定

氫吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用臨界流文丘里噴嘴作為氫氣流量控制及測(cè)量元件，而影響臨界流文丘里噴嘴測(cè)量氫氣流量的不確定度因素有：噴嘴流出系數(shù)、噴嘴前滯止壓力測(cè)量、噴嘴前滯止溫度測(cè)量、流出系數(shù)的修正、由標(biāo)定空氣轉(zhuǎn)換成氫氣的換算公式。文丘里噴嘴流量測(cè)量不確定度分析如表4所示。

表4 音速文丘里噴嘴流量測(cè)量不確定度Tab.4 Uncertainty of flow measurement of sonic Venturi nozzles

1)流出系數(shù)C的不確定度μr(c)

按檢定規(guī)程要求，在95%的置信概率下，U=0.2%。因測(cè)量次數(shù)為6，ta=2.45，則μr(c)=U/ta=0.082%。

2)噴嘴前滯止壓力的不確定度μr(p0)

3)噴嘴前滯止溫度的不確定度μr(T0)

溫度傳感器允許誤差為±0.2 K，氣體溫度為290K，按矩形分布，則

4)流出系數(shù)ΔTd修正引入的不確定度μr(ΔCd)

通過(guò)計(jì)算得出Rent相對(duì)不確定度μr(Rent)=0.1%，取 Rent范圍是 1.5×105～2×107，由此計(jì)算出修正過(guò)的流出系數(shù)的相對(duì)不確定度μr(ΔCd)=0.002%。

5)由標(biāo)定空氣轉(zhuǎn)換成氫氣的換算公式的不確定度μr(Cth)

估計(jì)該經(jīng)驗(yàn)公式本身帶來(lái)的不確定度μr(Cth)=0.05%。

根據(jù)不確定度傳播律，合成方差：

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.16%，擴(kuò)展不確定度為0.32%，k=2。

通過(guò)對(duì)在試驗(yàn)工況下臨界流文丘里噴嘴流量測(cè)量不確定度的評(píng)定表明：流量系數(shù)修正后的噴嘴具有足夠的精度進(jìn)行流量測(cè)量，并且其不確定度滿足《氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)任務(wù)書(shū)》中提出流量測(cè)量不確定度小于0.5%的要求。

2 高壓大流量穩(wěn)壓技術(shù)的應(yīng)用

2.1 氫吹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氫吹系統(tǒng)主要由氫氣瓶、手動(dòng)截止閥、過(guò)濾器、壓力表、減壓器以及噴嘴組組成。系統(tǒng)采用減壓器并聯(lián)的方式為噴嘴組提供大流量穩(wěn)壓的氫氣，減壓器出口與噴嘴組相連，噴嘴組由3個(gè)不同喉部直徑的噴嘴構(gòu)成，主要為試驗(yàn)提供滿足要求氣氫的流量，系統(tǒng)原理如圖4所示。

根據(jù)任務(wù)書(shū)要求要進(jìn)行兩次高工況的試驗(yàn)。而兩次高工況下，氫吹渦輪入口壓力分別為8.744 MPa、5.618 MPa；氫渦輪氣氫流量分別為2.140 kg/s、1.542 kg/s。針對(duì)這種高壓、大流量，系統(tǒng)同時(shí)使用減壓器1和減壓器2并將高工況下的額定流量分配給兩個(gè)音速噴嘴（噴嘴1和噴嘴2）進(jìn)行流量控制，它們流量的分配關(guān)系分別為額定流量的40%和額定流量的60%，噴嘴的喉部直徑分別為Φ12.775 mm和Φ15.639 mm。此外，為了避免減壓器在高壓大流量工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)減壓器結(jié)構(gòu)造成破壞，系統(tǒng)先啟動(dòng)小流量的音速噴嘴3，啟動(dòng)穩(wěn)定后，關(guān)閉小流量的音速噴嘴3，同時(shí)逐級(jí)啟動(dòng)40%和60%的音速噴嘴。

管道與噴嘴為法蘭連接，3個(gè)噴嘴出、入口管道的內(nèi)徑為65 mm，分別大于3個(gè)噴嘴喉部直徑d的4倍，安裝時(shí)與3個(gè)噴嘴中心線的同軸度保持在±1.3 mm之內(nèi)。3個(gè)噴嘴前安裝壓力測(cè)點(diǎn)和溫度測(cè)點(diǎn)，在距噴嘴入口平面58.5～71.5 mm處的管壁取壓力口測(cè)量上游靜壓，在距噴嘴入口平面117～143 mm處的管壁取溫度口測(cè)量上游靜溫，此外，在距擴(kuò)散段出口平面下游32.5 mm處的管壁取壓力口，測(cè)量下游壓力以檢測(cè)是否達(dá)到臨界流動(dòng)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于雷諾數(shù)大于2×105，出口錐體長(zhǎng)度大于d的噴嘴，允許最大壓力比(p2/p0)max與擴(kuò)散錐體面積比A2/Ant的關(guān)系見(jiàn)圖5。

由于3個(gè)噴嘴出口面積大于4倍的喉部面積，從圖5可以看出：當(dāng)擴(kuò)散錐體面積比為4，而氣體的比熱比k在1.4左右時(shí)，噴嘴的最大允許背壓比接近0.9，而由表5可以看出：兩次高工況試驗(yàn)噴嘴的背壓比小于0.8，說(shuō)明在高工況下試驗(yàn)時(shí)，噴嘴喉部的流速達(dá)到了音速。

為檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，表5給出了在試驗(yàn)工況下噴嘴流量測(cè)量數(shù)據(jù)。由表5可以看出：在高工況1試驗(yàn)中，噴嘴組的總流量為1.553 kg/s，噴后壓力為5.696 MPa，而試驗(yàn)要求流量1.542 kg/s，噴后壓力5.618 MPa；在高工況2試驗(yàn)中，噴嘴組的總流量為2.153 kg/s，噴后壓力8.998 MPa，而試驗(yàn)要求流量2.140 kg/s，噴后壓力8.744 MPa，兩種工況下流量偏離任務(wù)要求值分別為0.71%和0.60%，壓力偏離任務(wù)要求值分別為2.9%和1.4%。依據(jù)《氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)任務(wù)書(shū)》要求，其試驗(yàn)值流量在1%范圍之內(nèi)，壓力在5%范圍之內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果很好的吻合了高工況的試驗(yàn)要求。由此表明：該氫吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，高壓大流量穩(wěn)壓技術(shù)在氫吹系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。

表5 在試驗(yàn)工況下噴嘴流量測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.5 Measured data of nozzle flow under working condition of test

3 結(jié)論

1)通過(guò)減壓器穩(wěn)定性試驗(yàn)，確定了適用于并聯(lián)且穩(wěn)定性良好的減壓器組合，解決了高壓大流量減壓器WS34-001并聯(lián)使用時(shí)存在的相互干擾現(xiàn)象，以及由其引起系統(tǒng)振動(dòng)問(wèn)題，并得出：當(dāng)WS34-001減壓器動(dòng)態(tài)壓力值在減壓器調(diào)整值上下0.2MPa左右擺動(dòng)時(shí)，減壓器性能好，輸出穩(wěn)定，可以并聯(lián)使用，并聯(lián)后的出口壓力與其中較大的出口壓力相同。

2)對(duì)臨界流文丘里噴嘴在空氣介質(zhì)下標(biāo)定的流量系數(shù)進(jìn)行了修正，確保了噴嘴測(cè)量高壓氫氣流量的精度，通過(guò)在試驗(yàn)工況下噴嘴流量測(cè)量不確定度分析表明：流量系數(shù)修正后的噴嘴進(jìn)行氫氣流量測(cè)量的不確定度滿足《氫渦輪泵介質(zhì)試驗(yàn)任務(wù)書(shū)》中提出流量測(cè)量不確定度小于0.5%的要求。

3)減壓器組與噴嘴組串聯(lián)的高壓大流量穩(wěn)壓技術(shù)在氫吹系統(tǒng)得到較好的應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果很好的吻合了高工況的試驗(yàn)要求，說(shuō)明基于這種高壓大流量穩(wěn)壓技術(shù)的氫吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理、可靠的，同時(shí)為后續(xù)高壓大流量試驗(yàn)提供了更好的技術(shù)支持和實(shí)踐基礎(chǔ)。

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