液氢和液氧低温推进剂加注系统中的管路瞬变特性研究

引言

低温火箭的发动机液体推进剂输送系统是火箭低温推进剂在加注过程中非常重要的一个环节，由于低温推进剂的特殊性质，在进行工艺操作时会引起一系列不稳定的过程。常见的低温管路系统中的不稳定过程包括管路预冷过程、系统不稳定操作、间歇泉现象以及低温气液两相流不稳定现象等，这些不稳定过程严重影响了低温液体在管路内的运送安全。当由于某种原因引起管路中的流速突然变化时，会引起输送管路内压力产生急剧变化，即发生水击现象。水击现象是一种压力瞬变过程，是管路中不稳定流动过程所引起的一种特殊现象。发生水击现象时，管路内的压力值可数倍甚至数十倍于正常系统工作压力，将给加注系统造成结构振动、变形和破坏、推进剂泄漏、推进剂品质变化等，甚至危及运行人员的人身安全。水击引起的事故在国内外都曾有发生，如：美国土星-5 液氧加注系统☪由于水击导致了管路突然断裂、接头损坏;俄罗斯低温加注系统也曾出现由于水ก击而导致的气动阀门固定杆断裂、壳体破裂、波纹管变形和容器封头损坏等事故;国内在液氢加注过程中也曾发生过水击造成管路法兰连接处漏液现象。因此，对低温推进剂输送管路系统开展不稳定过程的研究，掌握发生不稳定过程时的瞬态水力特性，对保障低温推进剂火箭地面加注系统的安全性有着积极的意义。

1 加注管路流动分析及模型建立

低温推进剂加注管路系统主要用于向低温液体火箭加注液氢、液氧低温推进剂。一般来说，整个加注系统主要包括加注贮罐、增压汽化器、加注阀门、真空管路、火箭贮箱和流量计仪表等设备。低温推进剂在加注前，都需要先对加注管路系统充分预冷，然后进行加注操作，此时低温推进剂在管路内的流动状态为单相流动。

1.1 模型建立

根据低温推进剂加注管路系统特点，可将加注系统简化，主要由低温推进剂加注贮罐、管路、阀门和火箭推进剂贮箱等几部分组成，如图 1 所示。低温推进剂的加注方式一般有挤压加注和泵式加注两种，在常规情况下常采用挤压加注方式。在火箭加注过程中，火箭贮箱保持环境压力，对低温推进剂加注贮罐进行增压，然后通过压力将推进剂挤压到火箭贮箱中，由此可知，加注贮罐和火箭贮箱均可看作为恒定压力源。

1.2 参数设置

计算中，通过阀门控制元件设置阀门关闭速率，分析了不同关闭速率下系统所引起的水力特性。根据低温推进剂的加注特性，针对液氢、液氧加注管路分别设置了不同的起点压力，液氢管路为0.28 MPa，液氧管路为 0.95 MPa，而终点压力均为0.1 MPa。计算的时间分析步长为 0.01s。将上述相关参数带入波速计算公式，可得液氢管路内的压力波波速为 1124.4 m/s，液氧管路内的压力波波速为 877.5 m/s。

2 结果分析

液氢和液氧作为优良的低温推进剂组合，两者的密度相差十几倍，因此当系统出现不恰当操作时，两种推进剂管路将可能出现不同的瞬态流动特征。下文对液氢、液氧加注管路系统分别进行了瞬态分析。

当阀门完全关闭后，管内压力出现了振荡，其振幅随着时间的推移逐渐减小。这是因为当阀门完全关闭时，阀门处流体的流动受到阻止，流速变为零，在流体惯性力的作用下，流体所具有的动能转变为压力能，使阀门上游处的压力上升。此时，管壁在压力作用下将发生膨胀，流体受到压缩。当阀门处流体受到压缩时，阀门上游管路内的液流仍以稳定时的流速流向阀门，这使邻近阀门的流体填充了前面流体被压缩和管壁膨胀而增加的容积，其流速也从稳定流速降低为零，且随之又产生增压，流体继续受到压缩，❅管壁则产生膨胀。这样，其后邻近的液流相继重复上述过程而使流体受到压缩，停止流动，它们以增压波的形式上传，直到阀前管路入口为止。当压力波到达管道上游端时，管内的流体均处于静止状态，流体的动能为零，此时管壁处于膨胀状态，管道系统的弹性能将会转变为流体的动能，流体以相反方向向上游流动，产生减压波。此后，系统中的能量以增压波和减压波的形式在管内流体和管道壁面间进行能力交换，由于系统存在能量消耗，因此每次转换时能量均有所减小，表现为压力波的振高幅值逐渐减小，直到回归系统的原始压力。相应地，阀门后节点 3 处的压力变化与节点 2 处类似，只是节点 2 处在阀门关闭后出现了增压波，而节点 3 相应出现的是减压波，这是由于流体流动的方向不同。

2.2 液氧加注系统

在相同的阀门动作情况下，液氧管路系统中压力变化情况如图 5 和图 6 所示。从图中压力变化趋势可看出，液氧管路系统中的瞬态水击压力变化趋势与液氢管路系统相类似，在阀门关闭时，管内压力发生了振荡，且振幅也随着时间的推移逐渐减小，最后趋于系统工作压力。而从阀门关闭速率上看，阀门关闭越快，节点处压力最大幅值越大。液氧管路中若阀门在 1 s 内关闭时，节点 2 处所引起的最大压力峰值达到了 6.08 MPa，而阀门在 3 s 内关闭的压力峰值则达到了 5.39 MPa，压力峰值与管路系统的工作压力之差分别高达 5.13 MPa 及4.45 MPa，远大于液氢管路中压力最大值与工作压力之差。因此，在低温推进剂的实际加注过程中应更加重视在液氧加注管路中发生的水击现象，采取相应的保护措施。从计算时间上看，液氧管路系统内产生的压力波动在经过将近 200 s 后，压力才逐渐趋于系统工作压力，而液氢管路则为 100 s，这是由于管路内介质的不同，产生水击压力波后压力波的传播速度不同所造成的。

对于不同液体介质的管路系统，由于液氧密度大于液氢，液氧管路中的节点 2 和节点 3 处的压力波动系数均大于液氢管路，但变化趋势相一致。由此可知，当管路系统中阀门关闭时，阀门关闭时间的快慢是加注管路系统主要压力波动原因之一，且阀前管路内压力值大于阀后压力值。因此，在对阀门进行实际操作中应重视阀门开闭的速率，控制在适当时间内，避免过快地开闭阀门，且在管路设计中应加强阀前管路的强度或者在阀前增设泄压装置，以免产生过于激烈的压力波动而导致管路结构破坏，从而造成泄露。

3 结论

本文通过对低温推进剂加注管路系统中阀门关闭时的瞬态水力特性进行数值分析，计算结果表明阀门的关闭速率是影响管路系统压力波动的主要因素之一。快速关闭阀门，可造成管路内的水击压力值数倍甚至数十倍于系统正常工作压力;当阀门在较短时间内关闭时，阀前和阀后的压力波动系数相当，但随着阀门关闭时间的延缓，阀后压力迅速减小并趋于工作压力，而阀前压力最大值仍保持在较高♂的水平。由于液氧密度大于液氢，液氧管路中产生的水击压力则更大。从上述结果中可知，在实际操作中应当严格控制阀门关闭速率，切忌急开急关;在管路中适当位置设置安全阀，特别是在阀门上游处，保证在发生 ☺水击事故时能够迅速泄压，确保管路系统的安全性。