低溫閥門試驗系統(tǒng)改進(jìn)及流程優(yōu)化研究

張連萬 ，趙春宇 ，李文斌 ，呂寶西 ，陳二鋒

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.深低溫技術(shù)研究北京市重點實驗室，北京 100076）

0 引言

低溫運載火箭貯箱超壓排氣采用液氫保險活門和液氧安溢活門，以保護(hù)貯箱承壓安全，它們是增壓輸送系統(tǒng)的重要單機[1]。近期在閥門單機驗收試驗過程中出現(xiàn)了低溫性能試驗貯箱壓力超包絡(luò)的問題，造成批次合格率低、產(chǎn)品交付困難。

本文將對低溫性能試驗貯箱壓力超包絡(luò)的問題進(jìn)行機理研究，分析貯箱壓力超包絡(luò)的原因，提出試驗系統(tǒng)改進(jìn)和試驗流程優(yōu)化方案并進(jìn)行試驗驗證。

1 問題定位

1.1 試驗系統(tǒng)閥前各段初始溫度不匹配

液氫保險活門低溫變流量試驗工況數(shù)據(jù)如表1所列，由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，第一次低溫變流量試驗工況貯箱壓力偏高，后兩次試驗壓力較為穩(wěn)定。

表1 液氫保險活門低溫性能試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of cryogenic performance of LH2safety valve

活門低溫性能試驗系統(tǒng)原理如圖1所示。低溫試驗流程為：由氣源供給一定流量氫氣（由孔板及孔板前壓力控制），氫氣經(jīng)換熱器換熱降溫后進(jìn)入貯箱，貯箱與活門（活門浸泡于低溫介質(zhì)中）通過管路連接。當(dāng)貯箱壓力升高至活門打開壓力時，活門自動打開，此時貯箱壓力下降；當(dāng)貯箱壓力降低至活門關(guān)閉壓力時，活門自動關(guān)閉。試驗系統(tǒng)中設(shè)置2個壓力測點，分別為貯箱壓力p1和閥前管路壓力p2，其中貯箱壓力p1為液氫保險活門或液氧安溢活門低溫試驗判讀數(shù)據(jù)。

圖1 活門低溫性能試驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of valve cryogenic performance test system

使用AMESim軟件進(jìn)行試驗系統(tǒng)溫度、壓力仿真分析[2-4]，液氫保險活門低溫變流量試驗工況的分析結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，第一次仿真貯箱壓力峰值為0.378 MPa，后兩次貯箱壓力峰值分別為0.368 MPa、0.365 MPa，均低于第一次的壓力峰值，其中第三次為緩慢充氣模式。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，但活門開啟后貯箱壓力仿真結(jié)果比試驗結(jié)果略高，這可能是由于仿真模型中設(shè)置的閥口流量系數(shù)比實際產(chǎn)品的真實閥口流量系數(shù)偏低導(dǎo)致。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在第一次試驗過程中，由于預(yù)冷不充分，換熱器出口溫度和保險活門入口溫度均高于后兩次。對于貯箱增壓過程來說，在貯箱入口流量一定時，換熱器出口溫度越高，相當(dāng)于進(jìn)入貯箱的體積流量越大；對于貯箱排氣過程而言，從貯箱排出的氣體溫度是確定的，但由于貯箱和保險活門間的管路換熱，使得閥前的氣體溫度升高，液氫保險活門排氣的質(zhì)量流量減小，這兩方面共同作用的結(jié)果導(dǎo)致第一次試驗貯箱峰值壓力偏高。

圖2 貯箱壓力仿真與試驗結(jié)果曲線Fig.2 Simulation and Experimental results of tank pressure

1.2 試驗系統(tǒng)貯箱至閥門間管路壓力差偏大

若低溫性能試驗貯箱到活門入口管路壓力差偏大，閥門排氣不暢，會導(dǎo)致貯箱壓力偏高。在液氧安溢活門48 h停放試驗過程中，液氧安溢活門強制打開動作正常，小流量啟閉壓力一致性好，且滿足要求。在進(jìn)行低溫變流量試驗工況時，貯箱壓力p1隨著活門浸泡時間的增加而升高，但液氧安溢活門打開、關(guān)閉 功能正常，氣密性良好。試驗數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 液氧安溢活門48 h停放試驗數(shù)據(jù)Tab.2 48 h Parking test data of LOxsafety valve

出現(xiàn)此現(xiàn)象后再次進(jìn)行試驗，分別浸泡24 h和48 h后，在進(jìn)行第三次低溫變流量試驗工況時測量閥前管路壓力p2。24 h后貯箱壓力峰值為0.451 MPa，閥前管路壓力為0.371 MPa，管路壓力差為0.08 MPa；48 h后貯箱壓力峰值為0.440 MPa，閥前管路壓力為0.377 MPa，管路壓力差為0.063 MPa。由此可見，造成低溫變流量試驗工況貯箱壓力偏高的原因與試驗系統(tǒng)貯箱至活門間管路壓力差變大有關(guān)。

經(jīng)實測，試驗用常溫氫氣露點為201 K，對應(yīng)的水含量為1.914×10-6（體積比），計算不同浸泡時間氣體的含水量，具體如表3所列。

表3 水含量計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of water content

由表3可以看出，系統(tǒng)中凝結(jié)的水氣與浸泡時間直接相關(guān)，液氧安溢活門48 h試驗過程中全程開啟，浸泡過程中貯箱內(nèi)氫氣經(jīng)液氧安溢活門排出，氫氣流量約為1～2 g/s。常溫氫氣中的水氣經(jīng)換熱器降溫，不斷凝結(jié)成冰，在進(jìn)行低溫變流量試驗工況時隨氣體流動吹至貯箱后過濾器，過濾器精度14 μm。隨著浸泡時間增加，冰晶不斷在過濾器聚集，過濾器濾網(wǎng)被冰晶“堵住”，導(dǎo)致貯箱至活門間管路壓力差變大[5-6]。

為驗證上述分析，去掉試驗系統(tǒng)貯箱至閥前過濾器（共3個），消除試驗介質(zhì)中的水氣對系統(tǒng)壓力差的影響，再次進(jìn)行液氧安溢活門48 h停放試驗，期間分別在0.5 h、8 h、24 h、48 h對活門進(jìn)行了打開關(guān)閉性能檢查。試驗系統(tǒng)去掉貯箱至閥前過濾器后，浸泡0.5～48 h，液氧安溢活門開啟、強制打開以及低溫變流量試驗工況性能均正常，低溫變流量試驗工況貯箱壓力范圍為0.350～0.366 MPa，與試驗系統(tǒng)有過濾器時，低溫變流量試驗工況下，貯箱至活門間管路壓力差不斷變大的分析相吻合，比較閥前管路壓力與貯箱壓力數(shù)據(jù)，二者壓力差不大于0.01 MPa，遠(yuǎn)小于有過濾器時的壓力差0.08 MPa。

2 改進(jìn)措施

2.1 試驗前增加1次試驗系統(tǒng)預(yù)冷

通過表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在第一次試驗過程中，由于預(yù)冷不充分，換熱器出口溫度和保險活門入口溫度均高于后兩次。壓力峰值超包絡(luò)的主要原因在于預(yù)冷不充分，使得換熱器出口溫度和保險活門入口溫度高于正常值，前者使得進(jìn)入貯箱的氣體體積流量增大，后者使得貯箱排出的氣體體積流量減小，兩者共同作用有可能使得液氫保險活門全開也無法及時排出多余氣體，導(dǎo)致貯箱壓力超出以往包絡(luò)值。

故液氫保險活門在進(jìn)行低溫變流量試驗工況前，增加1次預(yù)冷，使閥前試驗系統(tǒng)換熱充分，該方法在48 h停放試驗中已驗證，能夠消除系統(tǒng)溫度不匹配帶來的不良影響[7-8]。

2.2 閥前管路壓力p2作為判讀數(shù)據(jù)

根據(jù)上節(jié)的分析結(jié)論，貯箱至閥前管路壓力差隨著試驗時間的延長呈增大趨勢。主要原因為氫氣中水氣不斷凝結(jié)，到達(dá)一定程度后，過濾器部分濾網(wǎng)被冰晶“堵住”，導(dǎo)致貯箱至活門間管路壓力差變大。該現(xiàn)象在液氫保險活門、液氧安溢活門試驗中均存在，當(dāng)同一天有較多試驗件時，后做試驗的產(chǎn)品貯箱壓力數(shù)據(jù)往往要高于先做試驗的產(chǎn)品。

因此，將閥前管路壓力p2作為閥門打開、關(guān)閉的判讀數(shù)據(jù)，但需排除閥門打開過程中氣體擾動對閥前管路壓力測量精度的影響。

由于兩種活門低溫變流量試驗工況流量相差不大，取最大流量計算管路壓力差。按照氫氣溫度130 K、液氧安溢活門低溫變流量試驗工況貯箱最大壓力0.392 MPa、氣體流量40 g/s計算活門至閥前管路壓力p2間壓力差。

介質(zhì)流速：

式中：qm為質(zhì)量流量，kg/s；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；A為管路截面積，m2。

介質(zhì)音速：

式中：λ為氣體比熱比，取1.53；R為氣體常數(shù)，氫氣取4124.68 J/（kg·K）；T為介質(zhì)溫度，取130 K。

馬赫數(shù)M=u/a=0.025＜0.3，故可以按照不可壓縮流體處理。動力黏度μ=5.06×10-5Pa·s。

利用ANASYS軟件建立試驗系統(tǒng)閥前管路流體仿真分析模型，仿真結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 閥前管路對稱平面壓力分布Fig.3 Pressure distribution in symmetrical plane of pipeline before valve

由仿真結(jié)果可以看出，活門打開過程中，活門至第一個焊接彎管間的管路壓力波動較為明顯，第一個彎管后管路壓力受管路阻力影響梯度變化，所以壓力測點設(shè)置在第一個彎管后或第二個彎管后（避免在彎管附近）可滿足測量要求。本系統(tǒng)的壓力測點p2位于第一個彎管后，活門打開時無氣體擾動，滿足測量精度要求。此外，活門至管路壓力測點p2之間的壓力損失為5.7×10-4MPa，與理論計算7.0×10-4MPa差距不大，仿真模型具有較好的精度，且該壓力差對液氫保險活門啟閉壓力判讀精度的影響可以忽略。

圖4 閥前管路對稱平面速度分布Fig.4 Velocity distribution in symmetric plane of pipeline be‐fore valve

圖5 閥前管路軸線壓力分布曲線Fig.5 Axial pressure distribution of pipeline before valve

3 試驗驗證

改進(jìn)措施一為低溫變流量試驗工況前增加一次試驗系統(tǒng)預(yù)冷。該措施在48 h停放驗證試驗中得到驗證，預(yù)冷后的貯箱峰值壓力較預(yù)冷前低，改進(jìn)效果明顯。

改進(jìn)措施二為將閥前管路壓力p2作為判讀數(shù)據(jù)。表4為最近5件液氧安溢活門低溫變流量試驗工況的試驗數(shù)據(jù)，第一件08#產(chǎn)品閥前管路壓力與貯箱壓力保持一致，隨著試驗時間增長，管路壓力差逐漸增大，但09#、011#～013#產(chǎn)品閥前管路壓力接近液氧安溢活門低溫開啟壓力，因而將閥前管路壓力p2作為判讀數(shù)據(jù)合理可行，本批產(chǎn)品低溫性能試驗合格率提升至80%以上。

表4 改進(jìn)后低溫試驗數(shù)據(jù)Tab.4 The cryogenic test data after improvement

4 結(jié)論

為提高液氫保險活門及液氧安溢活門交付合格率，針對低溫試驗系統(tǒng)提出了兩方面改進(jìn)措施：一是低溫變流量試驗工況前增加一次試驗系統(tǒng)預(yù)冷；二是將閥前管路壓力作為判讀數(shù)據(jù)。根據(jù)改進(jìn)方案開展了仿真分析和試驗驗證，結(jié)果表明，改進(jìn)方案合理、可行，改進(jìn)后可提高產(chǎn)品交付合格率。