活塞泵增压系统动态特性研究

1、 活塞泵增压系统动态特性研究肖明杰，毛根旺（西北工业大学 陕西 西安 710100）摘 要：介绍了活塞泵增压系统的组成及工作原理，基于AMESim仿真平台，建立了活塞泵增压系统的动态仿真模型，并通过活塞泵增压系统试验数据与仿真结果的对比，对所建立的动态模型进行了验证。仿真及试验结果表明：活塞泵增压系统原理可行、启动可靠、工作稳定；仿真结果与试验结果基本吻合，说明模型假设合理、方法可行、结果正确。关键词：活塞泵；增压系统；动态特性；数值仿真Dynamic charachteristics study of a Piston Pump Pressurization SystemXiao Ming-

2、jie， MAO Gen-wang(Northwestern Polytechnical University Xian 710100，China)Abstract：The structure and Principle of a piston pump pressurization system are introduced. Based on the AMESim simulation platform, the dynamic model of the piston pump pressurization system is established. Through comparison

3、 of the test data and simulation results of the system, the dynamic model of the piston pump pressurization system is validated. the result of simulation and test shows that the system principle is feasible and start-up .is reliable and working is steady. Its also shows that the simulation model is

4、reasonable and method is feasible and result is right.Key words：piston pump; pressurization system; dynamic characteristic; numerical simulation作者简介：肖明杰（1968年-），男，研究员，西北工业大学在读博士研究生，研究方向为发动机设计；Email: mingjiexiao11通讯地址：西安市15号信箱11分箱3室，邮编710100；电话137725329220 引言活塞泵增压系统是一种新型增压系统，该系统通过燃气驱动活塞

5、泵实现了系统的自增压，替代了挤压系统中高压气瓶等高压组件，使用安全性好。活塞泵增压系统中贮箱所需压力较低，该增压系统可对大量推进剂增压而增压系统质量不会显著增加，同时，由于燃气增压效率更高，增压所需的增压介质少，采用该增压系统能够显著减轻系统重量和安装空间。因此，活塞泵增压系统能够适应未来轨姿控动力系统高性能、轻质化和小型化的要求，具有广阔的应用前景。上世纪90年代以来，国外开展了大量研究工作，美、俄等航天强国均进行了活塞泵增压系统组件及系统级试验研究，取得了显著成果，并成功应用于RD-860发动机。国内对活塞泵增压系统的研究起步相对较晚，尚缺乏系统的研究和深入的分析。本文在理论建模的基础上，

6、通过仿真和试验的方法对活塞泵增压系统的动态特性进行了初步研究，重点分析了该系统的起动特性和工作特性。1 增压系统组成及工作原理活塞泵增压系统由活塞泵、蓄压器、液体压力控制器和燃气发生器等组件组成。活塞泵增压系统示意图图见图1。图1 活塞泵增压系统示意图Fig.1 Schematic diagram of piston pump pressurization system该系统工作原理为：在贮箱初始背压的驱动下，贮箱中的推进剂经由活塞泵流出，通过燃气发生器催化分解产生高温燃气，由于气腔活塞面积大于液腔活塞面积，在气腔燃气压力的作用下，活塞克服液腔液压阻力和摩擦力开始运动，活塞挤压液腔中的推进剂使

7、其压力升高，直至达到液体压力调节器设定的压力后，活塞泵后推进剂压力稳定，为下游发动机提供额定压力的推进剂。2 仿真模型采用商业软件AMESim搭建主要组件及系统的模型进行仿真，其中燃气发生器的模型采用AMESet二次开发，其它组件采用AMESim模型库中的主要元件搭建，最终建立试验系统的仿真模型，在AMESim平台上进行计算。2.1 燃气发生器燃气发生器将无水肼催化分解为高温高压燃气，用于驱动活塞泵为推进剂增压。根据无水肼催化分解的数学模型，采用AMESet进行二次开发，基于集总参数法建立了燃气发生器的AMESim的模型。根据燃烧室的能量守恒方程和质量守恒方程，以及燃气的状态方程，可以得到：

8、（1） （2）式中为燃烧室的压力；与分别为燃烧生成燃气与滞止燃气的热值。由于燃气发生器的喷管为收缩型喷管，燃气发生器出口燃气的流量可由流量公式计算： （3）2.2 活塞泵活塞泵是活塞泵增压系统核心组件之一，主要用于为推进剂增压。活塞泵主要由液缸、气缸、单向阀、换向阀、两位三通阀及导管连接件等组成。活塞泵通过差动增压原理，由燃气发生器产生的高温高压燃气驱动活塞运动，挤压液缸内的推进剂，使其压力升高，实现系统增压。由单向阀控制液缸进液和排液，两位三通阀控制气缸进气与排气，换向阀通过控制两位三通阀实现活塞泵换向过程的机械液压控制。采用AMESim软件中机械库、液压库和气动库的基本元件搭建了活塞泵的仿

9、真模型。2.3 液体压力调节器液体调节器是系统压力控制和维持压力稳定的重要组件之一，其作用是控制系统压力，使活塞泵泵出口推进剂压力保持在系统所要求的范围内。只要入口不超过液体调节器的额定入口压力，液体调节器始终处于开启状态，系统下游的压力和驱动往复泵的燃气压力就不断升高。当燃气往复泵出口压力达到额定压力时，液体调节器处于关闭状态，系统的压力不再提高。此时没有推进剂进入燃气发生器，系统处于保压状态。当泵后压力低于给定压力时，液体压力调节器自动打开使系统继续处于增压状态。采用AMESim软件中机械库和液压库的基本元件搭建了液体压力调节器的仿真模型，如图2所示。2.4 蓄压器蓄压器是维持系统压力稳定

10、，减小压力波动的重要组件之一，蓄压器利用气体和液体的压缩性的差异，降低活塞泵出口推进剂波动的范围，保持系统压力稳定。采用AMESim软件中机械库和液压库的基本元件搭建了蓄压器的仿真模型，如图3所示。 图2 液体压力调节器仿真模型图 3 蓄压器仿真模型Fig.2 Simulation model of the liquid pressure regulator Fig.3 Simulation model of the accumulator3 仿真结果与分析3.1 系统起动特性活塞泵增压系统是作为一种自增压系统，能否迅速可靠起动对该系统的工程应用至关重要，因此对起动过程进行了仿真和分析。系统自

11、起动的关键在于由活塞泵、蓄压器、液体压力调节器和燃气发生器组成的回路能否正常工作，在这一回路中活塞泵作为动力源，因此活塞泵能否顺利实现第一个循环就显得十分重要。系统起动过程中的压力曲线见图4。从图中可以看出，开始工作后，推进剂在背压作用下为燃气发生器提供了一个初始压力，然后燃气发生器开始工作，燃气进入气缸，在燃气的作用下活塞开始运动，挤压液缸内的推进剂，活塞泵出口压力进一步升高。但是由于这一过程中，燃气发生器未达到额定工况，出口燃气压力较低，因此活塞运动较正常工作过程中缓慢。当这一组气缸活塞运动到达行程终点时，换向阀换向，另一组活塞开始工作，系统正常起动。系统起动时，泵后压力迅速升高，液体压力

12、调节器关闭，使得泵后推进剂被封闭在管路内且维持高压状态，而液体压力调节器关闭，推进剂无法进入燃气发生器，发生器室压降低，但仍然有部分燃气封闭在发生器至气缸间的管路内，活塞泵内活塞停止运动，系统处于待起动状态。从起动过程的仿真结果来看，该系统可以正常起动。但是在计算模型中对发生器的模型进行了一定程度的简化，因此活塞泵的起动仍然存在一定风险。3.2 稳态工作特性通过对系统工作过程的仿真，分析系统工作的协调性。系统稳态工作过程中的压力曲线见图5。仿真结果显示，系统可以正常工作，工作过程较为平稳。但是活塞泵往复运动使得泵出口产生压力脉动，蓄压器能够有效地降低压力脉动，使压力趋于平稳，但是会引起更高频率

13、的较小幅值的波动。泵出口压力的波动会对燃气发生器的工作产生影响，导致燃气发生器出口压力和温度的波动。但是就整个泵的工作来说，由于泵出口压力处于低压区时，气缸正好进行排气，因此燃气发生器出口的低压区对活塞泵的正常工作影响较小，整个系统的参数是匹配的。稳态工作过程中泵出口压力、发生器出口压力与液体调节器阀芯位移曲线见图6。仿真结果显示：由于调节器入口压力的波动，使得调节器不断地打开和关闭，这使得调节器出口压力波动进一步增大，经过发生器会使得压力波动的幅度减小，从而使系统能够维持稳定。蓄压器是该增压系统中用于维持系统压力稳定，减小压力波动幅值的关键组件，为研究不同蓄压器容积对系统特性的影响，对无蓄压

14、器和蓄压器容积分别为1L和2L的稳态工作过程进行了仿真，仿真结果见图7。仿真结果显示：蓄压器能够显著减小系统起动和两组活塞交班点的压力波动，且蓄压器容积越大，其效果越好；但对液体压力调节器打开与关闭所引起的压力波动，蓄压器的稳压作用并不明显。活塞泵增压系统能够提供的最大推进剂流量是衡量系统供应能力的重要指标，同时推进剂流量也是影响系统工作特性的重要因素。计算了下游流量不同时增压系统的工作情况，活塞泵一号缸内的压力如图8所示，图中20s23s下游流量为300g/s， 25s28s下游流量为150g/s，30s33s下游流量为50g/s。仿真结果显示，以不同流量工作时，活塞泵工作频率不同，随着流量

15、的减小，活塞泵工作频率降低，但并不影响泵出口压力波动幅值。 图 4 起动过程中的压力曲线 图 5 稳态工作过程中的压力曲线Fig.4 Pressure curve during starting process Fig.5 Pressure curve during working process 图 6 液体压力调节器工作特性 图 7 不同蓄压器容积下泵出口压力曲线Fig.6 working characteristic of liquid pressure regulator Fig.7 pressure curve of piton pump outlet with different

16、volume of accumulator图 8 不同流量工作时液缸压力曲线Fig.8 Pressure curve of the pump chamber with different flow rate4 试验验证通过活塞泵增压系统起动过程与稳态工作过程仿真与试验结果的对比，对活塞泵增压系统动态特性仿真模型进行验证。活塞泵增压系统起动过程与稳态工作过程的试验结果与仿真结果如图9、图10所示，仿真结果与试验结果符合得较好，说明活塞泵增压系统仿真模型正确，计算方法可行。5 结论本文AMESim仿真平台及AMESet软件，建立了活塞泵增压系统及主要组件的动态特性仿真模型，进行了活塞泵增压系统动态

17、特性仿真分析，并通过增压系统联试验证模型的正确性。通过上述工作得到如下结论：（1）活塞泵增压系统原理可行、方案合理、参数匹配，可以应用于轨姿控动力系统；（2）采用AMESim建立的仿真平台及AMESet软件建立的活塞泵动态特性仿真模型正确，能够用于活塞泵增压系统动态特性仿真分析；（3）仿真及试验研究结果表明：活塞泵增压系统起动迅速，工作过程中活塞泵出口能够维持较高压力，但存在一定的波动，后续可通过系统优化及活塞泵改进设计降低出口压力波动幅值或消除压力波动。 图9 系统起动过程泵出口压力曲线 图10 燃气发生器室压曲线Fig.9 Pressure curve of pump during starting process Fig.10 Pressure curve of gas generator during working process参考文献：1 John C. Whitehead, Lee C. Pittenger, Nicholas J. Collella. Design and Flight Testing of a Reciprocating Pump Fed Rocket. AIAA 94-3031.2 John C. Whitehead. Test Results of a Reciprocating