推進劑加注過程中泵氣蝕問題的分析及改進

丁大江，陳傳寶，劉照智，王 飛，鄭 夏

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

航天液體推進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，應用也最為普遍。在泵式加注系統設計之初，需根據管路特性及流量要求進行水力計算，提出加注泵的額定工況點，進而指導加注泵選型，并由泵前管路阻力損失計算確定泵前是否需要增壓及增壓具體壓力值。

離心泵作為推進劑泵式加注系統的核心部件，用于將推進劑由地面儲罐輸送至箭上貯箱中，具有性能優、流量均勻、運轉可靠和維護方便等優點[1]，在航天領域中應用廣泛。推進劑泵式加注過程中有時會出現氣蝕現象，離心泵處會產生噪聲和振動，并伴有流量、揚程和效率的降低，致使泵的性能下降，嚴重時過流部件也會產生破損，進而造成推進劑加注中斷，影響加注進程。

1 氣蝕的產生及危害

1.1 氣蝕的產生[2]

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

這種液體汽化、凝結形成的高頻沖擊負荷，造成金屬材料機械剝落和電化學腐蝕的現象統稱為氣蝕。

1.2 氣蝕的危害[3,4]

當氣泡不太多、氣蝕不嚴重時，對泵的運行不會產生明顯的影響。但當氣泡大量產生、氣蝕持續發展時，就會帶來嚴重的后果。主要有以下幾方面：

a）產生振動和噪音。氣泡潰滅時，產生強烈的水擊，發出“劈劈啪啪”的聲音，并引起泵的振動，導致泵不能正常工作。

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

c）氣蝕得不到控制，離心泵持續振動，容易導致機封振動靜環破碎，或是隔離罩振動破損，進而介質外漏，產生嚴重的安全隱患，對于易燃介質可能發生著火爆炸事故。

d）氣蝕造成的振動影響軸承的使用壽命，會導致軸承架及軸承滾珠破損，軸承振動增大。嚴重情況下，軸承溫度持續升高，軸承箱著火。

e）泵性能突然下降。泵發生氣蝕時，介質連續性遭到破壞，泵的揚程、流量、效率都會顯著下降，導致泵不能連續正常工作。

2 推進劑泵式加注過程中泵氣蝕的計算分析[5]

加注系統搭建完成后，結合液路部分的水力計算，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不發生氣蝕。離心泵由儲罐中吸出推進劑的示意如圖1所示，其中0-0為儲罐液面，1-1為離心泵入口斷面。

圖1 離心泵抽吸推進劑的示意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劑所具有的超過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參數對氣蝕的影響，如儲罐內壓力、儲罐與離心泵高度差、泵前液路管路阻力損失、推進劑性質和溫度等，而與離心泵本身無關。

式中 P1為離心泵入口處壓力，Pa；Pvp為推進劑當前溫度下的飽和蒸汽壓，Pa；V1為離心泵入口處流速，m/s；ρ為推進劑當前溫度下的密度，kg/m3；g為當地重力加速度，m/s2。

必需氣蝕余量是指推進劑從離心泵吸入口處至離心泵葉輪進口處的流動損失，即泵入口動壓降，用NPSHr表示。一般情況下，NPSHr無法通過計算得出，均是離心泵制造廠家通過試驗測定。NPSHr標志著離心泵本身所具備的抵抗氣蝕性能的好壞，由離心泵設計和制造水平決定。

需要注意的是，NPSHr實質上是因推進劑流動而帶來的阻力損失，NPSHr的大小不僅與離心泵的結構有關系，而且與離心泵的流速有關系。在確定 NPSHr的取值時，必須對應指明離心泵的工作流量。

結合圖1，列出0-0、1-1截面的伯努利方程式：

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

將式（1）和式（2）進行整合，可得：

加注系統設計時為確保不發生氣蝕，系統的有效氣蝕余量 NPSHa應大于離心泵允許的必需氣蝕余量NPSHr，即：

可以看出，加注系統增壓壓力應滿足如下要求：

3 推進劑泵式加注過程中消除氣蝕的措施[6~9]

推進劑加注過程中離心泵氣蝕問題由離心泵本身的氣蝕性能和加注系統整體布局共同決定，其中離心泵本身氣蝕性能改進的相關研究已經很完善，在此不再贅述。以下主要結合推進劑加注系統的特點，從系統的角度對消除離心泵氣蝕問題的措施進行探討。

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；Li為第i段管長，m；Vi為第i段管中流速，m/s；di為第i段管內徑，m。

加注管路中局部阻力損失主要由閥門、彎頭、接頭、過濾器、流量計、軟管等產生：

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。

泵前管路系統中的總流阻損失為

根據式（8），結合加注系統的特點，可通過以下措施減少泵前管路阻力：

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

b）優化管路布局及走向，縮短泵前管路長度；

c）減少金屬軟管的使用，盡量使用沿程流阻相對較小的硬管代替金屬軟管；

d）降低系統加注流量。在滿足加注系統流量要求前提下，通過調節離心泵轉速或泵后閥門開度，適當減小推進劑加注流量；

e）適當增大吸入管路內徑。

3.2 降低推進劑的飽和蒸汽壓Pvp

同等條件下，推進劑的飽和蒸汽壓越大，離心泵產生氣蝕的風險也就越大。通常情況下，推進劑的溫度越高，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系如表1所示。

表1 四氧化二氮飽和蒸汽壓與溫度的對應關系Tab.1 Saturated Vapor Pressure of N2O4 at Different Temperature

通過采取水冷降溫、與溫度較低的同種推進劑進行攪拌等處理方式，降低推進劑的溫度，進而可降低推進劑的飽和蒸汽壓。同時，由于箭上發動機的工作特性對推進劑的溫度區間有一定要求，采取降溫措施時應進行綜合考慮。

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罐液面的距離。在系統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，氣蝕發生的風險也就越大。與此同時，加注過程中儲罐內推進劑的液面高度會隨著推進劑的流出而降低，即吸上高度會隨著加注的進行進一步增大。

因此，在系統設計時，應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罐液面，從而保證離心泵的正常運轉，降低氣蝕發生的風險。

3.4 增大儲罐內壓力P0

在上述措施均已采取，但氣蝕仍然發生時，則需考慮增大儲罐內壓力。理論上只要增大泵前壓力，氣蝕現象均可以消除，但由于推進劑加注系統的特殊性，需考慮箭上貯箱的承壓能力，故加注系統中氣相空間的壓力增大幅度有限，需結合整個加注系統的參數統籌考慮。

4 試驗研究

以某型火箭推進劑的加注系統為例，系統連接示意如圖2所示。開展加注試驗時，通過離心泵先將儲罐B中推進劑加注至箭上貯箱，待儲罐B中推進劑剩余量達到要求值時，切換至儲罐A，再將儲罐A中推進劑加注至箭上貯箱。儲罐A和儲罐B之間、儲罐A與離心泵之間，離心泵與箭上貯箱之間均設置有閥門和金屬軟管。加注系統設計流量為1800 L/min，氣相空間壓力為0.15 MPa。

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

加注過程中發現，隨著離心泵轉速的提高，系統加注流量始終無法達到1800 L/min的設計流量，效率急劇下降，且伴有周期性的振動和噪音，當儲罐B中推進劑加注完，切換至儲罐A時，加注流量雖仍未達到設計流量，但出現較大幅度提升，效率也有所增大，振動和噪音適當減弱，但并未消除。

由此判斷，該系統加注過程中發生了離心泵的氣蝕問題，且由儲罐B切換至儲罐A之后，由于泵前管路及附件減少，泵前流阻減小，氣蝕現象得到一定緩解，但并未消除。

為解決該氣蝕問題，結合第3節中的計算分析方法，首先對該加注系統進行水力計算復核，獲得不同壓力下，不發生氣蝕的最小儲罐壓力，如表2所示。

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

從表2可以看出，若要加注流量達到1800 L/min，且無氣蝕現象，則加注儲罐B中推進劑時，氣相空間壓力至少應達到0.245 MPa，加注儲罐A中推進劑時，氣相空間壓力至少應達到0.209 MPa。而實際加注時，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，故而氣蝕現象發生。

為消除氣蝕現象，結合第3章節中消除氣蝕的措施，對加注系統進行了改進設計。由于儲罐壓力受制于貯箱壓力要求無法再提高，離心泵的吸上高度受制于管路布局無法更改，且現場無推進劑調溫設施，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）優化泵前過濾器。

該加注系統采用Y型斜插式過濾器，搭配多層燒結式濾芯，用于對推進劑中的雜質進行過濾，進而保護離心泵，但同時也產生了較大的局部阻力。在不影響系統性能的前提下，通過適當降低過濾精度、減少濾芯燒結層數以及優化內部流道設計等方式，大幅降低該過濾器的局部阻力系數，進而減小泵前局部流阻損失。

b）減小加注流量。

優化泵前過濾器后的加注系統水力計算結果如表3所示。

從表 3中可以看出，基于儲罐氣相壓力不大于0.15 MPa的前提，加注儲罐B中推進劑時，加注流量可穩定在1600 L/min，加注儲罐A中推進劑時，加注流量可穩定在1800 L/min，即為確保不產生氣蝕，可改進為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 優化泵前過濾器后不同流量下不發生氣蝕的最小儲罐壓力Tab.3 Minimum Tank Pressure without Cavitation at Different Flow Rates after Optimizing the Pump Front Filter

進行上述改進后，重新開展加注試驗，該型火箭推進劑加注系統的氣蝕現象得到明顯消除，加注系統按照設置的階梯化加注流量控制方式，順利完成了推進劑的加注工作。

5 結 論

本文對航天推進劑加注過程中離心泵的氣蝕問題進行了理論計算和消除措施分析，明確應以NPSHa大于NPSHr為設計原則開展加注系統細化設計及設備選型。在此基礎上，針對某型火箭推進劑加注系統的氣蝕現象進行了處理和改進。試驗結果表明，理論計算和改進措施有效。