趙卓茂,陳利斌,薛 鋒,楊玉潔,馬斌捷
大型密封環(huán)動(dòng)壓考核試驗(yàn)方法與仿真研究
趙卓茂1,陳利斌2,薛 鋒1,楊玉潔3,馬斌捷1
(1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所,北京,100076;2. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京,100094;3. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京,100076)
針對(duì)冷發(fā)射火箭尾部密封環(huán)密封性能考核需求,提出一種新的動(dòng)態(tài)壓力加載試驗(yàn)方法。該方法解決了準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)加壓緩慢導(dǎo)致過(guò)考核的問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算預(yù)示給出了系統(tǒng)控制參數(shù)和加載結(jié)果的規(guī)律關(guān)系,能夠指導(dǎo)系統(tǒng)加載控制參數(shù)的確定,并降低試驗(yàn)調(diào)試難度。研究表明,該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)外徑1m以上的密封環(huán),在建壓峰值1.5~5.6MPa,建壓時(shí)間100~10000ms的區(qū)間內(nèi),營(yíng)造的動(dòng)態(tài)壓力環(huán)境精確可控。
尾罩密封環(huán);動(dòng)態(tài)壓力;數(shù)值模擬
冷發(fā)射火箭出筒時(shí),發(fā)射筒底部會(huì)產(chǎn)生大量高壓高溫燃?xì)狻楸Wo(hù)箭體結(jié)構(gòu)和箭上儀器,達(dá)到火箭順利出筒的目的,往往需在箭體底部加裝尾罩和外徑1 m以上的大型密封環(huán)[1,2]。密封環(huán)由多枚螺釘通過(guò)壓環(huán)固定在箭體尾罩上,其外徑與發(fā)射筒內(nèi)徑配合,填充火箭尾端箭體與發(fā)射筒間的空隙。密封環(huán)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足2點(diǎn)要求:a)在火箭尾部形成密封空間,從而由高壓氣體獲得足夠的前進(jìn)推動(dòng)力;b)滑動(dòng)時(shí)與筒壁摩擦阻力較小以盡量減少出筒做功。所以,尾罩密封環(huán)的設(shè)計(jì)相對(duì)普通密封件要求更高,其密封特性考核試驗(yàn)也是產(chǎn)品研制過(guò)程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。
針對(duì)該類大型密封環(huán)的考核試驗(yàn),目前多采用準(zhǔn)靜態(tài)壓力考核方法:通過(guò)管接口往密封環(huán)密封的試驗(yàn)腔內(nèi)充入氣體提升腔內(nèi)壓力,查看在要求壓力值下密封環(huán)的密封特性。由于密封環(huán)是粘彈性材料,上述緩慢建壓的方法凸顯其具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)的剛度特性,所營(yíng)造的力學(xué)環(huán)境與短時(shí)動(dòng)態(tài)的發(fā)射過(guò)程差別很大,是一種加嚴(yán)考核,僅能得到密封環(huán)性能下限,無(wú)法得到實(shí)際使用條件下產(chǎn)品的性能參數(shù)和裕量,也無(wú)法作出飛行使用性能的客觀判斷。另外,準(zhǔn)靜態(tài)考核方法還有一些其它缺點(diǎn),如對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)各連接處密封、加工和安裝的要求均較高,考核壓力范圍過(guò)小,以及因建壓時(shí)間長(zhǎng)帶來(lái)的安全隱患等。
本文提出新的動(dòng)態(tài)壓力考核方法,可為密封環(huán)構(gòu)建建壓時(shí)間和建壓峰值可控的精確動(dòng)壓考核環(huán)境,解決建壓非瞬態(tài)、過(guò)考核、考核范圍小、試驗(yàn)實(shí)施難度大、危險(xiǎn)性高等一系列問(wèn)題。壓力加載物理過(guò)程可簡(jiǎn)化為一維氣體流動(dòng)[3],根據(jù)動(dòng)壓加載條件需求,通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算設(shè)計(jì)專用試驗(yàn)設(shè)備,初步確定試驗(yàn)加載控制參數(shù)后實(shí)施調(diào)試,再根據(jù)調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果修正控制參數(shù)完成考核試驗(yàn)。
本文通過(guò)對(duì)典型建壓過(guò)程數(shù)值仿真計(jì)算,與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算方法可行性,并給出試驗(yàn)系統(tǒng)控制參數(shù)和動(dòng)態(tài)壓力加載特性間的規(guī)律,最后給出了系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰Ψ秶?/p>
動(dòng)壓考核試驗(yàn)方法的主要原理是以壓縮空氣作為加載介質(zhì)和動(dòng)力,采用多腔雙破膜方式瞬間釋放壓縮空氣,通過(guò)控制高壓腔及雙膜片腔內(nèi)壓縮空氣壓力和限流環(huán)板的通流面積,營(yíng)造符合建壓峰值和建壓速率要求的密封試驗(yàn)腔內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力環(huán)境,達(dá)到試驗(yàn)鑒定考核目的[4]。其中,限流環(huán)板口徑小于其他所有通流口徑。加載裝置結(jié)構(gòu)及三維示意分別見(jiàn)圖1、圖2。其核心部件為三腔體和兩通道,即雙膜片腔、過(guò)渡腔、試驗(yàn)腔、限流環(huán)板通道和導(dǎo)流管通道。
圖1 密封環(huán)動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)核心加載裝置結(jié)構(gòu)
圖2 試驗(yàn)裝置三維示意
圖1中高壓腔、雙膜片腔和過(guò)渡腔依次螺接,各連接處均設(shè)置密封圈,保證裝置間氣密。爆破膜片Ⅰ卡緊在前兩腔之間,膜片Ⅱ隔開后兩腔。部件試驗(yàn)腔是模擬彈體和發(fā)射筒的內(nèi)外套筒工裝,與密封環(huán)連接后形成的環(huán)狀密閉空間。為使試驗(yàn)腔充壓均勻,過(guò)渡腔后端均布若干根導(dǎo)流管用于氣體傳送。高壓腔、雙膜片腔和試驗(yàn)腔上內(nèi)有若干只壓力傳感器監(jiān)視腔內(nèi)各處壓力。氣體建壓壓力峰值的控制主要依靠調(diào)節(jié)貯氣高壓腔的初始充氣壓力值,建壓速度的控制主要依靠調(diào)節(jié)高壓容器后端限流環(huán)板的通流面積。
試驗(yàn)前,需根據(jù)試驗(yàn)要求計(jì)算限流孔直徑與高壓腔、雙膜片腔內(nèi)氣體壓力1、2,并選擇合適規(guī)格的爆破膜片。試驗(yàn)時(shí),高壓腔和雙膜片腔交替充壓,壓力穩(wěn)定后,雙膜片腔排氣破膜后關(guān)閉閥門,高壓腔內(nèi)氣體經(jīng)由過(guò)渡腔、導(dǎo)流管組,在試驗(yàn)腔內(nèi)迅速且均勻地形成上升壓力,對(duì)密封環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力考核。為規(guī)范操作,一般雙膜片腔壓力2為高壓腔壓力1的1/2。
圖3為簡(jiǎn)化的流動(dòng)計(jì)算模型。將核心加載裝置的三腔兩通道建為一維流動(dòng)模型,兩端的高壓腔和大氣環(huán)境作為邊界條件,通過(guò)0D-1D與其他腔體管道相連。試驗(yàn)腔與外部大氣環(huán)境間的泄壓口徑根據(jù)密封環(huán)實(shí)際性能估算。忽略爆破膜片破裂過(guò)程中對(duì)流動(dòng)的影響及忽略爆破膜片充壓形變對(duì)各腔體積的影響。
圖3 系統(tǒng)計(jì)算模型
充壓氣體為可壓縮流體,系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)腔內(nèi)壓力變化迅速。物理過(guò)程合理簡(jiǎn)化為一維氣體動(dòng)力學(xué)管路流動(dòng)模型[5]。對(duì)應(yīng)控制方程的一般形式為
將式(2)~(4)代入式(1)可得連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程,其含義可見(jiàn)文獻(xiàn)[6]??刂品匠糖蠼鈶?yīng)用Lax-Wendroff兩步差分格式[7,8]。
總比能等式有:
各腔體間變徑連接,在截面處同樣滿足能量、流量和動(dòng)量守恒方程。進(jìn)一步簡(jiǎn)化假設(shè)滿足等熵流動(dòng)。氣體從高壓腔進(jìn)入管道時(shí),近似為定常流,完全開放管道與外界等熵流動(dòng)能量方程為
氣體流出時(shí),一般為局部開口管道,能量方程與式(6)類似,近出口端與管內(nèi)滿足連續(xù)性方程:
與等熵關(guān)系式:
式中,分別為動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換效率因子和通流截面積;下標(biāo)1,2,t,e分別表示截面為管內(nèi)遠(yuǎn)離出口處、管內(nèi)近出口死腔處、外界近出口處和外界遠(yuǎn)離出口處。
試驗(yàn)在空曠廠房實(shí)施,設(shè)備占地約8 m×6 m。試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)平臺(tái)、壓力加載系統(tǒng)、壓力參數(shù)測(cè)量和攝像監(jiān)視4部分組成。試驗(yàn)平臺(tái)起支撐固定工裝,起吊設(shè)備、更換爆破膜片和模擬箭體自重偏心的作用。壓力加載系統(tǒng)包括供氣裝置、核心加載裝置、控制及安全裝置和其他供電設(shè)施及連接管路等。供氣裝置主體為35 MPa(文中壓力均為表壓)箱式空氣源車,置于廠房外側(cè),通過(guò)高壓軟、硬管送氣至高壓腔和雙膜片腔??刂瓢踩b置包括4只電磁閥、2只安全閥和相應(yīng)的控制開關(guān)組,用于控制壓力加載和緊急排放氣。爆破膜片分為A和B兩種規(guī)格,破壞壓力分別約為 4~5 MPa、2~2.5 MPa。根據(jù)試驗(yàn)條件,每次試驗(yàn)需要安裝2~3個(gè)爆破膜片,分別安裝在高壓腔、雙膜片腔和過(guò)渡腔兩兩間夾面上。限流環(huán)板按不同通徑,有范圍在20~70 mm之間的多種規(guī)格。導(dǎo)流管組由20根相同導(dǎo)管按試驗(yàn)腔偏心程度呈一定角度輻射狀分布,目的是使試驗(yàn)腔內(nèi)均勻充氣建壓。
為實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)件形態(tài)及附近現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,按象限均布4臺(tái)攝像機(jī)予以實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄。在高壓腔和雙膜片腔各布1只25 MPa量程應(yīng)變式壓力傳感器用于監(jiān)控和控制參考。試驗(yàn)腔內(nèi)徑向均布8只5 MPa量程應(yīng)變式壓力傳感器,記錄腔內(nèi)壓力的分布變化。壓力信號(hào)由DEWETRON數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)記錄,采樣頻率設(shè)置為5 kHz。系統(tǒng)通過(guò)0.15 MPa以上的氣密性檢查即可。
選取典型試驗(yàn)工況,按照計(jì)算所得控制參數(shù)對(duì)密封環(huán)調(diào)試件實(shí)施動(dòng)態(tài)壓力加載試驗(yàn)。由于計(jì)算對(duì)摩擦、傳熱的能量損耗估計(jì)較小,且沒(méi)有考慮氣流轉(zhuǎn)彎和膜片爆破影響,故在試驗(yàn)時(shí),值均比計(jì)算值適當(dāng)增大1~2 mm。圖4為1=4.5 MPa、=35 mm時(shí)計(jì)算和試驗(yàn)得到的三腔典型壓力曲線。由圖4可知,試驗(yàn)腔內(nèi)的8只壓力傳感器測(cè)量結(jié)果一致,偏差范圍在0.1%以內(nèi),說(shuō)明導(dǎo)流管起到了預(yù)期的均壓效果。以靠近試驗(yàn)腔的爆破膜片Ⅱ破裂,試驗(yàn)腔開始充壓的時(shí)刻為0 ms點(diǎn)。此后高壓腔壓力隨時(shí)間呈下降速率減小的下降規(guī)律,雙膜片腔內(nèi)壓力迅速下降后接著振蕩上升,試驗(yàn)腔壓力隨時(shí)間呈上升速率減小的上升規(guī)律。圖4a、圖4b中高壓腔和過(guò)渡腔內(nèi)初始?jí)毫Φ牟煌?,與兩爆破膜片破裂不同步有關(guān)。建壓中段,雙膜片腔與試驗(yàn)腔壓力接近同步上升。建壓結(jié)束之后,三腔壓力曲線交會(huì)。
圖4 P1=4.5MPa,d=35mm時(shí),三腔典型壓力曲線
圖5為1=4.5 MPa、=35 mm時(shí),計(jì)算和試驗(yàn)得到的試驗(yàn)腔壓力曲線對(duì)比。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的差別主要是由于各腔體的容積參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致。模型參數(shù)修正后,計(jì)算與試驗(yàn)的建壓時(shí)間和建壓壓力非常一致,但建壓曲線形態(tài)有所差別:計(jì)算壓力曲線較試驗(yàn)結(jié)果更近似直線。試驗(yàn)時(shí)建壓初期壓力相對(duì)計(jì)算快速上升是因?yàn)椤邦A(yù)沖壓”效應(yīng),試驗(yàn)時(shí)膜片Ⅱ破裂時(shí)雙膜片腔壓力提升,這部分氣體不經(jīng)限流孔限流,直接由過(guò)渡腔預(yù)先充入試驗(yàn)腔。膜片破裂時(shí)雙膜片腔內(nèi)實(shí)時(shí)壓力與試驗(yàn)條件和膜片承載均相關(guān)。
圖6為單破膜試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù),即只在高壓腔與雙膜片腔間安裝單膜片。計(jì)算和試驗(yàn)曲線吻合較好,進(jìn)一步驗(yàn)證了上述分析。因此如需更接近密封環(huán)實(shí)際使用情況,使建壓曲線更近似直線,應(yīng)將雙膜片腔提升到限流環(huán)板前端,以減少“預(yù)沖壓”效應(yīng)影響。
本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線形態(tài),相對(duì)常規(guī)不考慮實(shí)際長(zhǎng)度的一維流動(dòng)狀態(tài)解法的計(jì)算結(jié)果,相似程度更高。在計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較時(shí),可不再將兩者的曲線進(jìn)行高精度非線性擬合以判斷特征點(diǎn)。結(jié)合試驗(yàn)腔內(nèi)壓力在峰值附近變化相對(duì)緩慢的特點(diǎn),統(tǒng)一將達(dá)到最大壓力99%的時(shí)刻定為建壓完成點(diǎn)。
圖5 P1=4.5MPa,d=35mm時(shí),試驗(yàn)腔壓力曲線對(duì)比
圖6 P1=3.1MPa,d=50mm時(shí),試驗(yàn)腔壓力曲線對(duì)比
表1列出了1為4.5 MPa、3.1 MPa時(shí)2種狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果比較。各參數(shù)結(jié)果相差均小于5%,說(shuō)明計(jì)算方法精度可接受,預(yù)示準(zhǔn)確程度高。
表1 試驗(yàn)和計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比
Tab.1 The Measured and Calculated Results
工況參數(shù)高壓腔P1=4.5MPa高壓腔P1=3.1MPa 計(jì)算值試驗(yàn)值誤差計(jì)算值試驗(yàn)值誤差 限流孔徑/mm34.034.8-2.3%48.550.0-3.0% 建壓時(shí)間/ms455460-1.1%228236-3.4% 建壓峰值/MPa2.352.330.6%1.491.481.6% 建壓速v/(MPa·s-1)4.844.751.7%6.566.254.9%
為揭示系統(tǒng)建壓規(guī)律,調(diào)整控制參數(shù)數(shù)值后展開預(yù)示。根據(jù)上文描述,可知高壓腔初始充壓壓力1和限流孔直徑是主要的調(diào)試控制參數(shù)??紤]到爆破膜片受加工工藝影響會(huì)有質(zhì)量差別,實(shí)際操作時(shí),應(yīng)將理論控制壓力范圍的下限提高5%,上限降低10%使用,即高壓腔初始?jí)毫υ?.2~11.5 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。同時(shí),限流孔徑超過(guò)導(dǎo)流管組等效直徑后調(diào)節(jié)能力受限。綜合考慮,分別按照1=3.2 MPa、4.0 MPa、4.7 MPa、 5.6 MPa、6.3 MPa、7.4 MPa、8.4 MPa、9.4 MPa、 10.4 MPa、11.5 MPa,=10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算,從而獲得裝置的控制能力和控制規(guī)律。
圖7為1=4.7 MPa時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)壓力隨時(shí)間歷程變化。高壓腔初始?jí)毫ο嗤瑫r(shí),不同值間各曲線變化規(guī)律明顯,壓力峰值和壓降曲線均沿一條明顯的軌跡下降。當(dāng)=10 mm時(shí),建壓時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2 s,且建壓峰值與其它狀態(tài)相差較大。
圖7 P1=4.7MPa時(shí),試驗(yàn)腔壓力隨時(shí)間的變化
圖8為1=4.7 MPa時(shí),建壓峰值和建壓時(shí)間隨值增大的變化規(guī)律。
圖8 P1=4.7MPa時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)建壓峰值和建壓時(shí)間隨d值變化
從圖8可以看出,建壓峰值基本隨值變化近對(duì)數(shù)規(guī)律增大,從2.2 MPa上升到2.6 MPa,與1相比約為46%~55%。建壓時(shí)間基本隨值的變化近指數(shù)規(guī)律減小,從1978 ms下降到104 ms。限流孔徑在=20~50 mm之間變化時(shí),建壓時(shí)間受值的影響較為明顯。試驗(yàn)建壓時(shí)間的控制隨值減小越發(fā)困難。當(dāng)控制建壓時(shí)間要求大于2 s時(shí),為獲得準(zhǔn)確的控制結(jié)果一般需要較多次調(diào)試。
圖9為1=4.7 MPa時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)建壓速率的變化。隨著值增大,建壓速率從1.5 MPa/s增大至24.8 MPa/s。
圖9 P1=4.7MPa時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)建壓速率隨d值變化
圖10為=30 mm時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)壓力隨時(shí)間歷程。
圖10 d=30mm時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)壓力隨時(shí)間歷程
由圖10可以看出,在限流孔徑固定不變時(shí),曲線變化隨高壓腔內(nèi)初始?jí)毫ψ兓簿哂忻黠@的規(guī)律性。在壓降階段,壓力越高壓力下降越快。
圖11給出了=30 mm時(shí),建壓峰值和建壓時(shí)間隨1值增大的變化規(guī)律。建壓峰值隨1值線性增大,約為1的49%。建壓時(shí)間變化很小,僅隨初始?jí)毫Φ纳邚?17 ms增大到了645 ms。
圖11 d=30mm時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)壓力建壓峰值和建壓時(shí)間隨高壓腔壓力變化
圖12為=30 mm時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)建壓速率的變化,隨著值增大試驗(yàn)腔內(nèi)建壓速率從2.5 MPa/s線性增大到了8.8 MPa/s。
圖12 d=30mm時(shí),試驗(yàn)腔內(nèi)建壓速率隨高壓腔壓力變化
本文由冷發(fā)射火箭尾罩密封環(huán)的考核需求出發(fā),依托數(shù)值模擬計(jì)算設(shè)計(jì)考核方法和試驗(yàn)系統(tǒng)后進(jìn)行試驗(yàn),并通過(guò)后續(xù)計(jì)算對(duì)系統(tǒng)能力和調(diào)試規(guī)律加以研究,獲得了在改變高壓腔內(nèi)壓力和限流孔直徑的條件下,建壓峰值、建壓時(shí)間和建壓速率的變化規(guī)律:
a)該試驗(yàn)方法及系統(tǒng)可用于火箭尾罩密封環(huán)的密封性能考核,與準(zhǔn)靜態(tài)考核方法相比更接近實(shí)際物理過(guò)程,考核結(jié)果更有效。
b)目前該系統(tǒng)在建壓峰值1.5~5.6 MPa,建壓時(shí)間100 ~10 000 ms的區(qū)間內(nèi)精確可控。
c)建壓峰值主要隨高壓腔內(nèi)初始?jí)毫φ壤龃螅淖兿蘖骺字睆揭矔?huì)有近10%的影響。
d)建壓時(shí)間主要隨限流孔直徑的增大成指數(shù)規(guī)律減小,改變高壓腔內(nèi)初始?jí)毫τ绊懣珊雎浴?/p>
e)建壓速率與高壓腔初始?jí)毫?、限流孔直徑兩者均密切相關(guān),是考核試驗(yàn)的重要參數(shù)。但對(duì)于試驗(yàn)控制,確定建壓峰值和時(shí)間后換算即得出該參數(shù),不應(yīng)選為控制參數(shù)。
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A Dynamic Pressure Test Method and Numerical SimulationofAssessing Empennage Seal Ring
Zhao Zhuo-Mao1, Chen Li-Bin2, Xue Feng1, Yang Yu-jie3, Ma Bin-Jie1
1. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076; 2.System Engineering Research Institute, Beijing, 100094;3. Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)
To assess the airproof capability of empennage seal ring, a new test method of dynamic pressure, better than quasi-static method which has the defect of over-evaluation, is proposed in this paper. The regular relationship between the system control parameters and the loading results is given by the calculation prediction, which can guide the determination of the system loading control parameters and reduce the test difficulty. The capability of system could accurately achieve technical indicators of pressure peak range (1.5~5.6) and time within 100~10000ms.
seal ring; dynamic pressure; numerical simulation
V19
A
1004-7182(2020)02-0111-06
10.7654/j.issn.1004-7182.20200221
趙卓茂(1987-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)閯?dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)。
陳利斌(1969-),男,博士,研究員,主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)。
薛 鋒(1985-),女,工程師,主要研究方向?yàn)閯?dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)。
楊玉潔(1987-),女,工程師,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制。
馬斌捷(1961-),男,研究員,主要研究方向?yàn)楹娇沼詈酵七M(jìn)理論與工程。
2019-01-17;
2019-04-02