活塞泵增压系统动态特性研究

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1、 活塞泵增压系统动态特性研究肖明杰，毛根旺（西北工业大学 陕西 西安 710100）摘 要：介绍了活塞泵增压系统的组成及工作原理，基于AMESim仿真平台，建立了活塞泵增压系统的动态仿真模型，并通过活塞泵增压系统试验数据与仿真结果的对比，对所建立的动态模型进行了验证。仿真及试验结果表明：活塞泵增压系统原理可行、启动可靠、工作稳定；仿真结果与试验结果基本吻合，说明模型假设合理、方法可行、结果正确。关键词：活塞泵；增压系统；动态特性；数值仿真Dynamic charachteristics study of a Piston Pump Pressurization SystemXiao Ming-

2、jie， MAO Gen-wang(Northwestern Polytechnical University Xian 710100，China)Abstract：The structure and Principle of a piston pump pressurization system are introduced. Based on the AMESim simulation platform, the dynamic model of the piston pump pressurization system is established. Through comparison

3、 of the test data and simulation results of the system, the dynamic model of the piston pump pressurization system is validated. the result of simulation and test shows that the system principle is feasible and start-up .is reliable and working is steady. Its also shows that the simulation model is

4、reasonable and method is feasible and result is right.Key words：piston pump; pressurization system; dynamic characteristic; numerical simulation作者简介：肖明杰（1968年-），男，研究员，西北工业大学在读博士研究生，研究方向为发动机设计；Email: mingjiexiao11通讯地址：西安市15号信箱11分箱3室，邮编710100；电话：029-85207418；137725329220 引言活塞泵增压系统是一种新型增压系统，该系统通过燃气驱动活塞

5、泵实现了系统的自增压，替代了挤压系统中高压气瓶等高压组件，使用安全性好。活塞泵增压系统中贮箱所需压力较低，该增压系统可对大量推进剂增压而增压系统质量不会显著增加，同时，由于燃气增压效率更高，增压所需的增压介质少，采用该增压系统能够显著减轻系统重量和安装空间。因此，活塞泵增压系统能够适应未来轨姿控动力系统高性能、轻质化和小型化的要求，具有广阔的应用前景。上世纪90年代以来，国外开展了大量研究工作，美、俄等航天强国均进行了活塞泵增压系统组件及系统级试验研究，取得了显著成果，并成功应用于RD-860发动机。国内对活塞泵增压系统的研究起步相对较晚，尚缺乏系统的研究和深入的分析。本文在理论建模的基础上，

6、通过仿真和试验的方法对活塞泵增压系统的动态特性进行了初步研究，重点分析了该系统的起动特性和工作特性。1 增压系统组成及工作原理活塞泵增压系统由活塞泵、蓄压器、液体压力控制器和燃气发生器等组件组成。活塞泵增压系统示意图图见图1。图1 活塞泵增压系统示意图Fig.1 Schematic diagram of piston pump pressurization system该系统工作原理为：在贮箱初始背压的驱动下，贮箱中的推进剂经由活塞泵流出，通过燃气发生器催化分解产生高温燃气，由于气腔活塞面积大于液腔活塞面积，在气腔燃气压力的作用下，活塞克服液腔液压阻力和摩擦力开始运动，活塞挤压液腔中的推进剂使

7、其压力升高，直至达到液体压力调节器设定的压力后，活塞泵后推进剂压力稳定，为下游发动机提供额定压力的推进剂。2 仿真模型采用商业软件AMESim搭建主要组件及系统的模型进行仿真，其中燃气发生器的模型采用AMESet二次开发，其它组件采用AMESim模型库中的主要元件搭建，最终建立试验系统的仿真模型，在AMESim平台上进行计算。2.1 燃气发生器燃气发生器将无水肼催化分解为高温高压燃气，用于驱动活塞泵为推进剂增压。根据无水肼催化分解的数学模型，采用AMESet进行二次开发，基于集总参数法建立了燃气发生器的AMESim的模型。根据燃烧室的能量守恒方程和质量守恒方程，以及燃气的状态方程，可以得到：

8、（1） （2）式中为燃烧室的压力；与分别为燃烧生成燃气与滞止燃气的热值。由于燃气发生器的喷管为收缩型喷管，燃气发生器出口燃气的流量可由流量公式计算： （3）2.2 活塞泵活塞泵是活塞泵增压系统核心组件之一，主要用于为推进剂增压。活塞泵主要由液缸、气缸、单向阀、换向阀、两位三通阀及导管连接件等组成。活塞泵通过差动增压原理，由燃气发生器产生的高温高压燃气驱动活塞运动，挤压液缸内的推进剂，使其压力升高，实现系统增压。由单向阀控制液缸进液和排液，两位三通阀控制气缸进气与排气，换向阀通过控制两位三通阀实现活塞泵换向过程的机械液压控制。采用AMESim软件中机械库、液压库和气动库的基本元件搭建了活塞泵的仿

9、真模型。2.3 液体压力调节器液体调节器是系统压力控制和维持压力稳定的重要组件之一，其作用是控制系统压力，使活塞泵泵出口推进剂压力保持在系统所要求的范围内。只要入口不超过液体调节器的额定入口压力，液体调节器始终处于开启状态，系统下游的压力和驱动往复泵的燃气压力就不断升高。当燃气往复泵出口压力达到额定压力时，液体调节器处于关闭状态，系统的压力不再提高。此时没有推进剂进入燃气发生器，系统处于保压状态。当泵后压力低于给定压力时，液体压力调节器自动打开使系统继续处于增压状态。采用AMESim软件中机械库和液压库的基本元件搭建了液体压力调节器的仿真模型，如图2所示。2.4 蓄压器蓄压器是维持系统压力稳定