基于AMESim的往复活塞泵建模与分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北工业大学航天学院 作者:田野

  新型轨/姿控发动机采用往复活塞泵对推进剂进行增压输送,可提高空间液体火箭推进系统性能,减轻发动机质量。通过AMESim 软件建立轨/姿控发动机往复活塞泵模型,对该模型的建立过程进行了详细的阐述,并且进行了动态仿真。结果表明,受气体压缩性的影响,活塞的往复运动存在停顿现象,适当调整液缸内弹簧的弹性系数和液缸、气缸直径可以在保持流量不变的前提下有效提高输出流量的稳定性。

  轨/姿控推进系统广泛应用于各类航天器和导弹武器,其主要作用是为航天器飞行过程中变轨和姿态控制提供控制力和控制力矩。现有的挤压式推进剂输送方式需要采用高压贮箱和气瓶,已无法满足新型航天器安装空间小、质量轻的要求。美国的劳伦斯·利弗莫尔实验室,研究利用小型的往复活塞泵对推进剂进行增压输送,可获得高于入口10~15倍的压力,使得推进剂可低压存储,有效地减轻了系统质量。

  针对通过反复的样品试制和试验来分析轨/姿控推进系统是否达到设计要求的方法,提出基于AMESim仿真平台,建立轨/姿控推进系统用往复式活塞泵模型,并对往复泵工作过程进行数值仿真,得到往复泵出口流量特性及活塞运动过程对其性能的影响,可有效降低开发成本和缩短开发周期。

1、往复泵的工作原理与建模

  1.1、往复活塞泵的原理

  作为自增压式轨/姿控推进系统的关键组件,往复式活塞泵的原理及结构如图1所示。往复泵主要由A,B,C,D 4组对称分布的增压缸、换向阀、行程阀和管路组成,其中液缸内安装有弹簧组件。当系统向往复泵持续供应燃气时,若燃气推动活塞A,C向里运动,进入排液冲程,输出高压推进剂,此时行程阀C向换向阀B,D输入控制气,使气缸B,D排气,在泵入口推进剂自身压力下进行推进剂充填。

  当活塞C运动一段行程后,行程阀C切断控制气输出,换向阀B,D换位,气缸B,D充气,活塞B,D向里运动,同时行程阀B向换向阀A,C输入控制气,使气缸A,C排气,进入充液冲程。4个腔推进剂两两交替泄出和充填,实现连续稳定的推进剂供应。

往复泵原理及结构

图1 往复泵原理及结构

  1.2、往复活塞泵建模

  1.2.1、液、气缸的数学模型

  由往复泵工作原理可知,理论上液缸和气缸之间没有物质的交换,若考虑可压缩性,液、气缸均可按活塞缸建立数学模型,其中液缸腔体内置一弹簧。以下为流量压强方程及受力方程。a.流量压强方程。忽略活塞处密封的泄露,可以得到如下一组方程,液缸流入V 腔的流量为:

Qz=vA

  Qz为活塞腔的流量;v为活塞运动速度;A 为V腔活塞有效面积。气动分析中,经常将气流所通过的气动元件抽象成一个收缩喷嘴或节流小孔来计算。气缸流入流出V 腔的流量为:

基于AMESim的往复活塞泵建模与分析

  q为气体通过小孔的流量;S 为小孔有效截面积;T 为小孔上游气体的温度;pu为小孔上游的气体压强;pd为小孔下游的气体压强;R 为气体常数;k为绝热指数。

结束语

  分析往复式活塞泵原理及结构,利用AMESim软件建立往复泵模型,并模拟不同弹簧刚度对泵的性能的影响。由仿真结果可知,气体的压缩性是影响活塞协调运动的主要因素,通过向液缸设置弹簧并适当调整弹簧刚度能够有效地提高系统性能,增加输出流量的稳定性。若适当增加液缸、气缸的直径,可在提高流量稳定性的同时保持输出流量不变。

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