减压器增压过程中的振荡抑制措施

为解决大流量减压器在增压过程中出现的剧烈振荡问题,开展了仿真和试验研究.建立了减压器非稳态模型并开展数值计算,得到了减压器的振荡特性,该特性与试验结果基本一致.根据仿真结果提出了卸荷腔气体从入口管路引入的外置式卸荷方案.结果表明:该方案成功解决了振荡问题,减压器能够持续、稳定地增压.     

气动阀门自激振动机理及动态稳定性

基于弹簧振子的扰动响应特性,提出了气动阀门气固耦合自激振动的稳定性机理.以单向阀为例,根据小扰动原理,构建系统的气固耦合动力学模型及稳定性模型,通过求解线性方程组的特征根,得到了单向阀系统的稳定工作区间及参数影响特性,稳定性分析模型的有效性由单向阀气动试验验证.对于单向阀,存在压力-流量的临界稳定性曲线.工作压力一定时,当单向阀工作流量小于相应压力下的临界稳定流量,单向阀处于不稳定状态,一个微小的扰动都将会导致阀芯周期性振荡;反之,单向阀工作稳定,阀芯将处于稳定开度.增加单向阀阀芯阻尼、弹簧刚度及减小阀门进口直径在一定程度上将有助于提高单向阀的工作稳定性.     

减压器动态过程的数值仿真

针对贮箱增压过程和发动机工作过程中减压器的动态调节,建立了液体火箭发动机常用的反向卸荷式减压器的动态数学模型,采用四阶龙格-库塔方法进行了数值仿真,分析了减压器在启动增压过程中的动态特性,得到不同入口压力下减压器的出口压力与试验数据相一致的结论。表明所建立的数学模型准确,采用的仿真方法符合精度要求,对同类减压器的设计和系统分析具有一定的指导作用。      

考虑气穴影响的2D压力伺服阀稳定性

为研究双自由度（2D）压力伺服阀工作时的气穴现象对阀芯稳定性的影响，利用AMESim中的基本库和HCD库建立2D压力伺服阀各组件仿真模型。理论分析得出气穴现象会降低阀体中含气油液的有效体积弹性模量，得出考虑气穴影响的阀芯稳定性条件。仿真结果表明气穴现象会导致主阀芯到达稳定位置后出现振荡现象，影响主阀芯的穿越频率从21 Hz降低至6 Hz，限制主阀芯的频宽，适当增加主阀芯阻尼比能提高主阀芯工作稳定性。提出一种新型阻尼活塞结构，建立模型分析得出其能在不影响伺服阀频响、阀芯位移和抗污染能力情况下提高主阀芯阻尼比以提高阀芯工作稳定性，并且设计实验进行验证。实验结果表明，应用阻尼活塞将2D压力伺服阀压力输出波动从9%降低至2%，能够提高飞行器制动时刹车阀工作稳定性。     

减压器动态仿真的有限体积模型

通过对一维理想气体流动的有限元状态变量模型推导过程的拓展，获得了适用于变体积容腔的气体容积模型，并结合气体管道、气体阀门的有限元状态变量模型，通过对三者的组合运用发展了一种可仿真气体减压器动态工作过程的有限体积模型。采用此模型分别对某逆向卸荷膜片式减压器和某贮箱增压系统所用减压器进行了动态工作过程的仿真，前者仿真结果的稳态值与早期文献的实验数据和仿真结果相一致。表明有限体积模型的稳态精度合乎工程需要；后者的仿真获得了减压器各个腔室状态参数和阀芯开度的响应曲线，表明贮箱增压过程可以分为启动段、稳定段两个阶段，同时表明在理想气体绝热流动的假设下节流前后温度基本不变。数学模型和建模方法显示出良好的有效性和通用性。     

流量调节器管路系统自激振荡特性研究

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象。为了深入认识自激振荡产生机理,结合某稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94Hz,与发动机试验结果一致。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口能够抑制管路系统自激振荡。自激振荡产生机理是液动力随滑阀节流口型面振荡,并对管路系统形成正反馈作用,当流量调节器综合刚度系数<0时,管路系统就失稳产生振荡。某流量调节器的负载特性试验表明,随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差。仿真获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

减压器动态特性试验与仿真研究

针对自主研制的气体减压器，建立了减压器工作过程的数学模型；采用4阶龙格一库塔法，对气调式减压器进行了数值仿真，分析了减压器在充填、开启和关闭过程中的响应特性，并与试验作了对比，得到了减压器控制腔、出口腔和阻尼腔的压力响应曲线和阀芯的开度变化规律曲线，验证了仿真模型的正确性。     

火箭贮箱增压系统起动关闭过程压力冲击计算

为研究火箭贮箱增压系统起动、关闭瞬变过程中压力冲击的产生过程和传播规律,采用可应用于多种气体计算的拉格朗日坐标下的一维非定常气体运动方程有限差分格式求解管路流动,管路元件由反映其动态过程的常微分方程数值求解,气体摩擦损失使用准稳态公式计算.采用B-B(Beattie-Bridgeman)方程描述真实气体热力学关系.对某增压系统模型起动、关闭中包括压力冲击在内的动态过程进行了计算.计算表明:起动过程中,压力冲击变化大,压力振荡周期短、频率高、衰减迅速;关闭过程中,压力冲击变化小,压力振荡周期长、频率低、衰减缓慢.两种过程中都出现了高于气瓶增压压力的冲击压力峰值.数学模型和方法在火箭贮箱增压系统瞬变过程的计算中显示了较好的有效性.      

基于流固耦合方法模拟减压器动态特性

为了研究内部流场对减压器动态特性的影响,基于新离散几何守恒律和高精度界面流固耦合技术对其动态特性进行数值模拟,其中单自由度质量弹簧阻尼结构动力学模型采用Newmark法进行计算;三维非定常积分形式的ALE流体控制方程采用弹簧近似的动网格有限体积法进行求解。采用虚拟网格通气技术实现阀门内部运动部件接触/分离过程引起的计算区域拓扑变化。计算结果表明,在减压器正常工作状态下,出口压力存在振荡现象,其均值接近按照静态性能设计的理论值;进口压力增高,振幅减小;进口压力太低时,减压器无法实现出口压力的设计理论值。在正常工作状态的进口压力范围内,减压器存在颤振现象,出口压力远大于设计理论值。     

由喷嘴连接的燃烧室到供应系统压力振荡传递过程研究

为了研究在压力振荡由液体火箭发动机燃烧室传递到供应系统的过程中喷嘴所起的作用,从理论上分析了压力振荡由燃烧室到供应系统通过喷嘴的传递过程,推导了振荡传递过程的传递函数.讨论带有各种喷嘴的供应系统的动态特性,对供应系统管路长度、燃烧室压强、喷嘴种类、喷嘴压降及喷嘴结构尺寸对燃烧室压力振荡引起供应系统压力振荡的影响进行了计算,得到了喷嘴以及工况参数在传递过程中的影响规律.      

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

发动机泵后管路-汽蚀管系统水力激振试验

为了研究火箭发动机泵后管路-汽蚀管系统动力学特性,开展水力激振试验。在汽蚀管下游引入水力激振信号,测量供应管路和推力室头腔的脉动压力,建立描述系统动力学特性的传递函数。结果表明:该系统主要表现出1阶谐振特征,高阶谐振峰不明显。在谐振频率下,汽蚀管出口至氧主阀之间管路上脉动压力的幅值整体较高,脉动压力幅值沿流向逐步增大;经过氧主阀后,压力振荡幅值沿流向快速降低。发现了压力脉动通过此汽蚀管向上游传播的现象:即使汽蚀管处于汽蚀状态,仍存在部分压力脉动通过汽蚀管逆向传播至上游管路;而汽蚀管对整个管路仍然起到了明显的隔振效果。在过大的汽蚀裕度下,汽蚀管出口由声学闭端边界逐渐向声学开端边界转变。      

Theoretical and experimental investigation on novel 2D maglev servo proportional valve

This paper presents a novel two-dimensional maglev servo proportional cartridge valve (2D maglev valve), where a contactless maglev coupling is introduced between electro-mechanical converter and valve body to realize functions of force transmission, spool position feedback and linear-rotary motion conversion. Such configuration can effectively reduce cost of both valve manufacturing and electro-mechanical converter, while still maintain features of 2D valve such as null pilot leakage, high power-to- weight ratio and excellent anti-pollution capacity. Firstly, the characteristic equation of the valve is derived using linear theory, and the stability criterion is established for parameter determination. The influences of crucial structural parameters such as initial height of overlapping area, width of high-pressure and low-pressure holes, acting radius of magnetic force, pitch angle of maglev coupling, length of sensitive chamber and system pressure on the dynamic response are investigated based on AMESim numerical simulation. The prototype valve is then designed and manufactured and a special test rig is built. The no-load flow characteristic, load flow characteristic, leakage characteristic, amplitude and phase frequency characteristics and step response under different system pressures are measured. The experimental results are in a good agreement with the simulated analysis. As an over-damped system, the prototype valve has excellent working stability, which can reach a no-load flow rate of 105.9 L/min with hysteresis of 3.51%, amplitude bandwidth of 28.7 Hz and phase bandwidth of 42.8 Hz under 21 MPa. The research indicates that the 2D maglev valve can be a potential solution of flow rate control valve for flight control surface system of civil aircraft with high pressure and large flow rate application.     

液体火箭发动机试验台贮箱增压系统数值仿真

在不考虑传热传质的情况下建立了一种简化的贮箱模型, 并采用液体火箭发动机试验台气路系统通用模块化建模与仿真软件对容腔放气过程和某试验台贮箱增压系统在发动机点火工作段的增压过程进行了仿真, 计算结果与分析解和试验结果获得了较好的一致, 验证了软件的有效性和通用性.对两个系统的建模过程表明软件所采用的模块化建模与仿真方法适用于对复杂管网的建模, 在液体火箭发动机系统仿真上具有较好的应用前景.对贮箱增压系统的仿真表明, 合理设计PID控制参数并根据经验预置与额定流量相近的调节阀初始开度, 对于提高增压系统起动过程的平稳性有利.      

震荡磨削在伺服阀阀套内环槽工作边加工中的应用

滑阀副是通过阀芯、阀套重叠处阀口控制流体流动方向及流量大小的，阀套工作边棱边质量对伺服阀工作性能有决定性影响。阀套内环槽全开口工作边常常利用硬车后研磨的工艺方法加工，存在加工质量不稳定而返工的问题。分析了阀套工作边震荡磨削加工的磨削原理，采用震荡磨削开展了阀套内环槽全开口工作边的加工研究。基于正交实验设计，构建了震荡磨削实验，研究了震荡速率和轴向进刀速度对表面质量、毛刺高度和锐边完整性的影响。经数学分析表明，Z轴和X轴进给速度对表面粗糙度和毛刺高度的影响相对一致，va越大、vf越小，对应的表面粗糙度越低、毛刺越小。实验结果表明，震荡磨削是伺服阀全开口阀套工作边精密加工的一种可行方法，可以广泛应用于起阀口作用的内外环槽结构的加工中。     

直动式机载2D电液压力伺服阀特性

设计了一种直动式二维(Two Dimensional,2D)电液压力伺服阀,采用2D伺服活塞机构产生液压力来驱动主阀芯运动,输出需要的负载压力。设计的2D伺服活塞机构采用直线位移传感器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT)进行检测从而形成闭环位置反馈,精确控制2D活塞位移;主阀芯与2D伺服活塞通过弹簧连接,2D活塞在两侧压力差作用下运动,通过弹簧来对主阀芯施加作用,控制主阀阀口的开度,来精确控制输出的负载压力;为提高压力伺服阀的稳定性和可靠性,主阀阀芯根据挤压油膜缓冲理论进行了圆盘结构设计,以增大系统黏性阻尼。在建立该阀的数学模型的基础上,仿真分析了该阀的静动态特性,并通过设计样阀及实验研究,验证了该阀设计的可行性,实验结果表明:在系统压力28 MPa下,该阀的阶跃响应时间在30ms,其滞环3%,线性度2%,压力跟随特性和输出稳定性好;相较于传统直动式比例伺服压力阀,该阀的结构特点决定了其抗污染能力强,可靠性高,且质量和体积分别仅为同类伺服阀的1/5和1/7左右,非常适用于机载液压刹车系统。