鐘夢妮，杜蘭君，李文凱

低溫液體火箭發(fā)動機氫主閥動態(tài)特性仿真分析

鐘夢妮，杜蘭君，李文凱

（北京航天動力研究所，北京，100076）

低溫液體火箭發(fā)動機閥門多采用氣控菌閥，閥門開關(guān)動態(tài)特性對發(fā)動機啟動和關(guān)機性能存在重要影響。因此，在設計階段獲取準確的閥門開關(guān)動態(tài)特性至關(guān)重要。針對某型低溫膨脹循環(huán)發(fā)動機氫主閥，采用AMESim仿真軟件對其工作過程進行動態(tài)特性仿真，以獲得閥門啟閉動作時間與啟閉過程中出口壓力變化情況，并將仿真結(jié)果與試車數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明：仿真結(jié)果與試車數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，低溫下閥門打開時間變長，關(guān)閉時間不變。同時對影響閥門啟閉動作時間的參數(shù)進行分析，結(jié)果顯示閥門動作時間隨開關(guān)作動力增大而減少，隨控制腔容積增大而增加。因此，提出的氣控菌閥動態(tài)特性仿真方法具有較高的可行性和準確性，可用于各類氣控菌閥動態(tài)特性分析，為氣控菌閥設計提供了參考依據(jù)，有助于縮短產(chǎn)品研制周期，降低生產(chǎn)成本。

低溫液體火箭發(fā)動機；氫主閥；動態(tài)特性；優(yōu)化分析

0 引 言

氫主閥是低溫液體火箭發(fā)動機的重要組件之一，用作氫介質(zhì)進入推力室的開關(guān)，發(fā)動機啟動和關(guān)閉均需通過氫主閥來提供或切斷燃料供應。因此，氫主閥的開關(guān)動態(tài)特性對發(fā)動機性能存在重要影響。盡管在設計階段發(fā)動機系統(tǒng)對氫主閥提出了關(guān)閉時間要求，但目前仍未找到有效手段對氫主閥的動作時間進行數(shù)值計算，只能通過后期發(fā)動機試車來獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)濟成本和時間成本都相對較高。

基于該現(xiàn)狀，本文采用AMESim仿真軟件對氫主閥的工作過程進行動態(tài)特性仿真[1-3]，獲得閥門啟閉動作時間與啟閉過程中出口壓力變化情況。同時將閥門配套發(fā)動機試車，獲取試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比分析，從而驗證仿真方法的準確性。用以解決在設計階段難以準確評估閥門啟閉動作時間的問題。此外，還對影響氫主閥啟閉動作時間的參數(shù)進行了優(yōu)化分析，為相關(guān)氣控菌閥設計提供了一定的參考依據(jù)。

1 氫主閥結(jié)構(gòu)原理

氫主閥為一種兩位兩通氣控菌閥，有兩個作動腔，分別控制閥門打開與關(guān)閉。如圖1所示，氫主閥分別由殼體、活門、波紋管組件和彈簧組成，其中波紋管組件是通過大波紋管、小波紋管和導桿等零件焊接而成。氫主閥主要參數(shù)見表1。

圖1 氫主閥結(jié)構(gòu)

表1 氫主閥主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of main hydrogen valve

主要參數(shù)數(shù)值主要參數(shù)數(shù)值 工作介質(zhì)氣氫大波紋管剛度/(N·mm-1)80 工作介質(zhì)壓力/MPa0.25～5.4小波紋管剛度/(N·mm-1)60 介質(zhì)溫度/K213大波紋管外腔有效面積/mm21959 控制氣氦氣大波紋管內(nèi)腔有效面積/mm21852 控制腔壓力/MPa5小波紋管外腔有效面積/mm2980 關(guān)閉響應時間設計要求/ms100小波紋管內(nèi)腔有效面積/mm2918 彈簧剛度/（N·mm-1）40.4閥門行程/mm11

閥門裝配狀態(tài)為常閉，靠彈簧力克服波紋管的彈力使活門壓緊在殼體閥座上保持密封。發(fā)動機預冷時，閥門關(guān)腔通控制氣，關(guān)腔氣壓力、預冷介質(zhì)力與彈簧力共同將活門壓緊在閥座上保證低壓密封。發(fā)動機啟動段，需要閥門打開時，關(guān)腔撤氣，開腔通氣，開腔氣壓力和入口低壓介質(zhì)力克服彈簧力和波紋管彈力打開閥門，主級工作段維持打開狀態(tài)。關(guān)機時，開腔撤氣，關(guān)腔通氣，關(guān)腔氣壓力與彈簧力、波紋管彈力、密封面不平衡面積介質(zhì)壓差力一起克服入口介質(zhì)作用在小波紋管上的力，使閥門關(guān)閉。

2 閥門動態(tài)特性仿真分析

AMESim作為多學科領(lǐng)域復雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，已廣泛應用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多個學科領(lǐng)域，對于閥門專業(yè)，則主要利用其中的液壓庫、氣動庫、機械庫和信號庫各類元件進行組合設計，來實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)、不同功能的閥門建模與仿 真[4-5]。本文采用AMESim軟件對氫主閥進行建模仿真，以獲取閥門在實際工作中的動態(tài)特性，特別是發(fā)動機啟動和關(guān)閉過程中的閥門動作時間，從而為相關(guān)氣控菌閥的設計提供一定的基礎(chǔ)。

2.1 運動力學分析

氫主閥開腔控制氣作用于大波紋管與小波紋管內(nèi)腔，帶動導桿向閥門打開的方向移動，實現(xiàn)閥門打開。當閥門需要關(guān)閉時，開腔撤氣，關(guān)腔通氣，大波紋外腔承受控制氣壓力，使導桿向閥門關(guān)閉的方向移動，實現(xiàn)閥門關(guān)閉。在閥門運動過程中可以將導桿、活門、大波紋管、小波紋管等組件看作一個共同運動質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊的運動速度和運動時間即為閥門的動作速度與時間。閥門打開過程經(jīng)歷大波紋管壓縮、小波紋管拉伸，大波紋管壓縮、小波紋管壓縮，大波紋管拉伸、小波紋管壓縮3個階段[6]。閥門打開時平衡力學方程如式（1）所示：

閥門關(guān)閉過程經(jīng)歷大波紋管拉伸、小波紋管壓縮，大波紋管拉伸、小波紋管拉伸，大波紋管壓縮、小波紋管拉伸3個階段[6]。閥門關(guān)閉時平衡力學方程如 式（2）所示：

式中p為質(zhì)量塊質(zhì)量；為位移；為時間；k為控制腔壓力；in為入口壓力；out為出口壓力；為密封面不平衡面積；1N和1W分別為大波紋管內(nèi)、外腔有效面積；2N和2W分別為小波紋管內(nèi)、外腔有效面積；W和N分別為大波紋管和小波紋管剛度；W和N分別為大波紋管和小波紋管位移；為彈簧力；為運動副摩擦力。

從式（1）和式（2）中可以看出影響閥門開關(guān)動態(tài)特性的參數(shù)主要有彈性元件剛度、運動副摩擦力、控制氣壓力、介質(zhì)壓力、密封面不平橫面積、波紋管有效面積、彈性元件位移/變形量。同時控制腔容積對控制氣建壓速度存在影響，因此也會對閥門開關(guān)動態(tài)特性存在影響。

2.2 模型建立

根據(jù)氫主閥結(jié)構(gòu)原理與受力分析，本文選取了AMESim機械庫、氣動元件設計庫和信號庫中的元件進行建模。其中質(zhì)量塊元件用于模擬導桿、活門、大波紋管和小波紋管的質(zhì)量、慣性和摩擦阻力；大、小波紋管和活門所受氣體壓力使用活塞元件模擬；活門和閥座使用氣動擋板噴嘴閥元件模擬；閥門入口介質(zhì)腔、出口介質(zhì)腔、開腔控制腔、關(guān)腔控制腔則分別使用4個可變氣體容積腔進行模擬。圖2是建立的AMESim氫主閥模型。

圖2 氫主閥AMESim模型

2.3 參數(shù)設置

模擬氫主閥試車工作情況，對控制腔輸入壓力信號，通入5 MPa氦氣，對介質(zhì)腔輸入流量信號，通入2.732 kg/s的氫氣（額定工況）。依據(jù)閥門開關(guān)時序，設置輸入條件，如表2所示。為了更真實地模擬試車過程，在閥門入口設置了泄出口，模擬發(fā)動機關(guān)機時泄出推進劑。

表2 氫主閥工作時序

Tab.2 Operation sequence of main hydrogen valve

時間/s狀態(tài)輸入條件 0氫主閥關(guān)閉（預冷）關(guān)腔通控制氣5MPa 10氫主閥打開（發(fā)動機點火）關(guān)腔撤氣，開腔通控制氣5MPa 100氫主閥打開，泄出口打開（發(fā)動機關(guān)機）泄出口打開 100.3氫主閥關(guān)閉關(guān)腔通控制氣5MPa，開腔撤氣

根據(jù)氫主閥結(jié)構(gòu)設置元件參數(shù)，其中質(zhì)量塊1 kg，彈簧安裝力1180 N，大波紋管內(nèi)、外腔有效面積分別為1852 mm2和1959 mm2，小波紋管內(nèi)、外腔有效面積分別為918 mm2和980 mm2，活門直徑72 mm，閥門通徑為50 mm，密封面不平衡面積等效直徑為60 mm。

氫主閥工作介質(zhì)為氣氫，溫度約為213 K。低溫環(huán)境會導致閥門運動副配合間隙變小，同時彈性元件剛度增大[7]。經(jīng)分析，金屬運動副配合間隙變小不會對運動副摩擦力產(chǎn)生影響，因此僅考慮低溫環(huán)境對彈性元件剛度的影響。低溫環(huán)境下彈性元件剛度增大，閥門受力情況發(fā)生變化，從而影響閥門開關(guān)動作特性。因此考慮低溫環(huán)境影響，將彈性元件剛度按1.05倍常溫剛度設置，彈簧剛度為42.4 N/mm，大、小波紋管剛度分別為84 N/mm和63 N/mm。

2.4 仿真結(jié)果

為了驗證所建模型及參數(shù)設置的合理性，將仿真結(jié)果與某次試車數(shù)據(jù)進行對比分析，仿真時間設置為110 s，步長設置為0.01 s。圖3比較了試車和仿真的氫主閥進、出口壓力，從圖3中可以看出，仿真結(jié)果與試車數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，其中額定工作段入口壓力相差約0.1 MPa，仿真精度達到98%，出口壓力相差約0.05 MPa，仿真精度達到99%。

圖3 仿真與試車過程氫主閥進出口壓力曲線比較

圖4為氫主閥打開過程壓力曲線，由圖4可知，仿真結(jié)果和試車數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。在10 s時氫主閥打開，閥門進口壓力隨流量上升，出口壓力也隨之上升，啟動超調(diào)后壓力穩(wěn)定到額定工況并保持平穩(wěn)。

圖4 仿真與試車過程氫主閥打開壓力曲線比較

圖5為氫主閥關(guān)閉過程入口壓力曲線，在100.3 s時閥門關(guān)閉，此時由于入口流量還未降到零，因此閥門關(guān)閉瞬間出現(xiàn)了水擊現(xiàn)象。在試車數(shù)據(jù)分析時，將水擊開始上升拐點到開始下降拐點的時間差定義為閥門關(guān)閉時間。由圖5可以看出，試車數(shù)據(jù)和仿真得到的閥門關(guān)閉時間分別為70 ms和80 ms，兩者基本一致，因此認為該仿真分析方法可行。但通過壓力變化不易判斷閥門打開時間。閥門真實動作時間測量又較困難，因此需要通過仿真計算得到閥門真實動作時間。

圖5 仿真與試車過程氫主閥關(guān)閉壓力曲線比較

在仿真分析中，可認為質(zhì)量塊動作時間即為閥門動作時間，圖6為質(zhì)量塊位移曲線。從圖6a可以看出質(zhì)量塊從位移0 mm點運動到最大開度11 mm，動作了210 ms；從圖6b可以看出質(zhì)量塊從最大開度11 mm運動到位移0點，動作了120 ms。

a）閥門打開

b）閥門關(guān)閉

圖6 質(zhì)量塊位移曲線

Fig.6 Mass block displacement curve

通過仿真的方法可以得到閥門的打開時間和關(guān)閉時間，同時從仿真結(jié)果可以得知閥門真實關(guān)閉時間比通過讀取試車關(guān)機時氫主閥入口壓力的方法獲得的閥門關(guān)閉時間長。

對比常溫與低溫環(huán)境下（彈性元件剛度不同）閥門動作時間，從圖7中可以看出，閥門在低溫下打開時間變長，約增加2 ms，關(guān)閉時間幾乎不變。

圖7 不同溫度下質(zhì)量塊位移曲線

3 動態(tài)特性影響因素分析

從以上仿真結(jié)果分析可以看出，該仿真方法獲得的數(shù)據(jù)與試車數(shù)據(jù)基本吻合，能真實有效地反映閥門的開關(guān)動態(tài)特性，因此利用該仿真方法進一步分析，對影響閥門啟閉動作時間的參數(shù)進行優(yōu)化分析，從而為相關(guān)氣控菌閥的設計提供一定的參考依據(jù)。

針對影響閥門啟閉動作時間的參數(shù)進行分析，介質(zhì)壓力、控制氣壓力、密封面不平橫面積、波紋管有效面積、彈性元件位移/變形量、彈性元件剛度、運動副摩擦力等參數(shù)均是通過改變閥門動作時的作動力大小，使閥門動作時間發(fā)生變化，因此選取控制氣壓力這一參數(shù)，通過設置不同工況進行仿真分析，以獲取閥門作動力變化與閥門動作時間的關(guān)系。同時，控制腔容積對控制氣建壓速度存在影響，因此針對控制腔容積，設置不同工況進行仿真分析。

3.1 控制腔壓力影響

將閥門控制腔壓力分別設置為4.0 MPa、4.5 MPa、5 MPa、5.5 MPa和6.0 MPa，其余參數(shù)相同，仿真結(jié)果見圖8、圖9、圖10和表3。從仿真結(jié)果可以看出，隨著控制腔壓力增加，閥門打開和關(guān)閉時刻不變，打開時間與關(guān)閉時間均有減少的趨勢?？刂魄粔毫υ酱螅y門動作的主動力和動作速度也就越大，從而使得動作時間減少。

由式（1）、式（2）可得，控制腔壓力每增加0.5 MPa，閥門打開作動力增加約467 N，關(guān)閉作動力增加約980 N。由表3和圖10可知，閥門打開作動力每增加467 N，閥門打開時間平均減少約16.5 ms，隨著作動力增大，閥門打開時間減少趨勢變緩。閥門關(guān)閉作動力每增加 980 N，閥門關(guān)閉時間平均減少約4.75 ms，且隨著作動力增大，閥門關(guān)閉時間減少趨勢變緩。

圖8 不同控制腔壓力下閥門打開位移曲線

圖9 不同控制腔壓力下閥門關(guān)閉位移曲線

圖10 不同控制腔壓力下閥門動作時間曲線

表3 不同控制腔壓力的閥門動作時間

Tab.3 Valve operation time with different pressure of control chamber

控制腔壓力/MPa閥門打開時刻s閥門打開時間ms閥門關(guān)閉時刻s閥門關(guān)閉時間ms 4.010.01247100.3122 4.510.01223100.3116 5.010.01207100.3111 5.510.01192100.3107 6.010.01181100.3103

3.2 控制腔容積影響

將閥門控制腔容積分別設置為0.05 L、0.1 L、0.15 L、0.2 L和0.25 L，其余參數(shù)相同，仿真結(jié)果見圖11、 圖12、圖13和表4。從仿真結(jié)果可以看出，隨著控制腔容積增加，閥門開始打開時刻和開始關(guān)閉時刻逐漸往后延遲，該現(xiàn)象是由于控制腔容積增大，控制氣建壓變慢。同時閥門打開時間和關(guān)閉時間都有增加趨勢，基本呈線性增加。從圖13和表4中可以看出，控制腔容積每增加0.05 L，閥門打開時刻平均延遲約5.25 ms，關(guān)閉時刻平均延遲約1.5 ms，閥門打開時間平均增加約2.75 ms，關(guān)閉時間平均增加約2.25 ms。

圖11 不同控制腔容積下閥門打開位移曲線

圖12 不同控制腔容積下閥門關(guān)閉位移曲線

圖13 不同控制腔容積下閥門動作時間曲線

表4 不同控制腔容積的閥門動作時間

Tab.4 Valve operation time with different volume of control chamber

控制腔容積/L閥門打開時刻s閥門打開時間ms閥門關(guān)閉時刻s閥門關(guān)閉時間ms 0.0510.005203100.301106 0.110.01206100.302109 0.1510.015209100.304111 0.210.02212100.305113 0.2510.026214100.307115

4 結(jié) 論

本文基于AMESim仿真平臺，對某型低溫膨脹循環(huán)發(fā)動機氫主閥進行建模仿真，將仿真結(jié)果與試車數(shù)據(jù)進行對比分析。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試車數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，吻合較好，驗證了該仿真方法的可行性、合理性和準確性，實現(xiàn)了在設計階段對閥門開關(guān)動態(tài)特性進行準確的預測分析，從而為相關(guān)氣控菌閥的設計提供了一定的參考依據(jù)。此外，還對影響閥門啟閉動作時間的參數(shù)進行分析，主要得到以下結(jié)論：

a）隨著閥門開關(guān)作動力增加，閥門打開和關(guān)閉時刻不變，打開時間與關(guān)閉時間均有減少的趨勢。在本算例中，閥門打開作動力每增加467 N，閥門打開時間平均減少約16.5 ms，且隨著作動力增大，閥門打開時間減少趨勢變緩。閥門關(guān)閉作動力每增加980 N，閥門關(guān)閉時間平均減少約4.75 ms，且隨著作動力增大，閥門關(guān)閉時間減少趨勢變緩。

b）當控制腔容積增大，閥門開始打開時刻和開始關(guān)閉時刻逐漸往后延遲，該現(xiàn)象是由于控制腔容積增大，控制氣建壓變慢。同時閥門打開時間和關(guān)閉時間都增大，基本呈線性增加。通過計算得到控制腔容積每增加0.05 L，閥門打開時刻平均延遲約5.25 ms，關(guān)閉時刻平均延遲約1.5 ms，閥門打開時間平均增加約2.75 ms，關(guān)閉時間平均增加約2.25 ms。

[1] 石朝鋒, 薛立鵬, 張連萬, 等. 氣動閥門運動特性研究[J]. 導彈與航天運載技術(shù), 2018(1): 41-44.

SHI Zhaofeng, XUE Lipeng, ZHANG Lianwan, et al. Analysis of the kinetic characteristic of pneumatic valve[J]. Missiles and Space Vehicles, 2018(1): 41-44.

[2] 賈光政, 王蘢蘢, 耿進財, 等. 高壓氣動開關(guān)閥動態(tài)特性仿真分析[J]. 化工自動化及儀表, 2013, 40(5): 667-682.

JIA Guangzheng, WANG Longlong, GENG Jincai, et al. Simulation analysis of dynamic property of high pressure pneumatic switch valves[J]. Control and Instruments in Chemical Industry, 2013, 40(5): 667-682.

[3] 李金龍, 胡志勇, 郭艷坤. 基于AMESim的減壓閥建模與仿真分析[J]. 機械工程與自動化, 2017(4): 74-76.

LI Jinlong, HU Zhiyong, GUO Yankun. Modeling and simulation of pressure reducing valve based on AMESim[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2017(4): 74-76.

[4] 付永嶺, 祁曉野. AMESim系統(tǒng)建模和仿真——從入門到精通[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006.

FU Yongling, QI Xiaoye. System modeling and simulating on AMESim ——from beginner to master[M]. Beijing: Press of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2006.

[5] 余佑官, 龔國芳, 胡國良, 等. AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應用[J]. 液壓氣動與密封, 2015(3): 28-31.

YU Youguan, GONG Guofang, HU Guoliang, et al. Application of AMESim in the design and analysis of hydraulic system[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2015(3): 28-31.

[6] 施巖, 陸藝, 王學影, 等. 基于AMEsim的汽車制動閥動特性研究[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2014(8): 23-26.

SHI Yan, LU Yi, WANG Xueying, et al. Analysis of brake valve dynamic characteristics based on AMESim[J]. Instrument Technique and Sensor, 2014(8): 23-26.

[7] 萬宏強, 汪亮. 低溫環(huán)境下波紋管的軸向剛度計算[J]. 機械強度, 2009, 31(5): 787-790.

WAN Hongqiang, WANG Liang. Finite element calculation to bellows’ axial stiffness on cryogenic enviro nment[J]. Journal of Mechanical Strength, 2009, 31(5): 787-790.

The Simulation and Analysis of Hydrogen Main Valve of Cryogenic Liquid Rocket Engine

ZHONG Mengni, DU Lanjun, LI Wenkai

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076)

The valve of cryogenic liquid rocket engine mostly adopts air-controlled valve structure. The dynamic characteristic of valve has important influence on engine start-up and shut-down performance. Therefore, it is very important to obtain accurate valve dynamic characteristics at the design stage. Aimed at the hydrogen main valve of a cryogenic expander cycle rocket engine, the dynamic performance of the valve is simulated by using the simulation software AMESim, and the simulation results are compared with the test data. The results show that the simulation results are in good agreement with the test data, and valve opening time becomes longer at low temperature and valve closing time remains the same. The valve movement time shortens with the pressure of control chamber, and increases with the control chamber volume. Therefore, the simulation method proposed has high feasibility and accuracy, which can be used to optimize the dynamic performance parameters of all kinds of gas-controlled valve and to provide reference for the design of gas-controlled valve.

the cryogenic liquid rocket engine; hydrogen main valve; kinetic characteristic; optimization analysis

2097-1974(2023)02-0025-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230206

TH136

A

2022-11-29；

2023-03-23

鐘夢妮（1991-），女，工程師，主要研究方向為低溫液體火箭發(fā)動機閥門設計。

杜蘭君（1990-），女，工程師，主要研究方向為低溫液體火箭發(fā)動機閥門設計。

李文凱（1997-），男，助理工程師，主要研究方向為低溫液體火箭發(fā)動機閥門設計。