CN101706368A - 常温下高饱和蒸气压液体多功能试验操纵台设计 - Google Patents

常温下高饱和蒸气压液体多功能试验操纵台设计 Download PDF

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李君海
邓代英
李茂�
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Abstract

针对常温下高饱和蒸气压液体充灌的困难，设计了此多功能试验操纵台。在不使用离心泵的条件下利用压力差，实现了把常温下高饱和蒸气压液体充灌至贮箱功能，避免因离心泵气蚀可能导致的危险。此外，还可通过操纵台对贮箱液体进行温度调节和贮箱增压，从而为火箭发动机地面热试车提供稳定的，满足压力、温度、流量要求的液体推进剂，并能在试验完成后对推进剂进行回收。该设计不使用离心泵，将多种功能集成，能简化结构、增加安全性、降低成本，同样也适用于普通液体推进剂的操作。

Description

常温下高饱和蒸气压液体多功能试验操纵台设计
【技术领域】
本发明涉及针对氧化亚氮等常温下高饱和蒸汽压的液体进行充灌、冷却、增压、回收等操作的多功能试验操纵台之设计，属于火箭发动机地面试验领域。
【背景技术】
在液体火箭发动机和固液混合火箭发动机地面试验前，需进行液体推进剂的充灌、增压工作，针对特定的推进剂还需进行温度调控，保证发动机地面热试车时，推进剂以一定的流量、压力和温度进行稳定供应，在试验完成后还应对推进剂进行回收。
目前，所使用的大部分液体推进剂在常温下有着较低的饱和蒸气压(＜0.1MPa)，对此类液体推进剂进行充灌、冷却、增压的方法和设备已经比较成熟，但是针对氧化亚氮等常温下高饱和蒸汽压(20度时，4.856MPa)的液体推进剂进行充灌等操作的方法和设备，此前在国内文献和实际使用中尚未发现，存在一定的困难。ZacharyThicksten，etc.在《Handling Consideration of Nitrous Oxide in Hybrid RocketMotor Testing》(AIAA 2008-4830)中介绍了针对氧化亚氮进行地面试验的操作方法，其中采用离心泵进行充灌，然后用单独的增压台对贮箱增压，整套系统因氧化亚氮饱和压力高，采用的设备多，较为复杂和昂贵，更重要的是因氧化亚氮的高饱和蒸气压使离心泵产生气蚀的概率显著增加，从而容易造成输送管路破裂和爆炸的危险。因此，针对此类常温下高饱和蒸气压液体设计出具有充灌、冷却和增压等多种功能的、相对简单的试验操纵台将有较大的经济性和安全性。
【发明内容】
本发明的目的是设计针对常温下高饱和蒸气压液体进行充灌、冷却、增压的多功能试验操纵台，需要解决常温下高饱和蒸气压液体充灌的困难，把高饱和蒸气压液体在不使用离心泵的条件下，利用压力差充灌至贮箱，然后通过操纵台进行液体温度调节和贮箱增压，为火箭发动机地面热试车提供稳定的推进剂供应，在试验完成后对推进剂进行回收。不使用离心泵并且将多种功能集成能简化结构、增加安全性、降低成本，该设计也同样适用于普通液体推进剂的操作。
多功能试验操纵台的装置包括安全阀、减压器、电磁阀、单向阀、手动阀、过滤器、缓冲器、相关管路和接口，工作介质为增压用高压氮气及常温下高饱和蒸气压液体推进剂。增压系统管路由高压气体入口管依次连接过滤器、手动阀、减压器、单向阀、电磁阀至被增压贮箱，其中安全阀、高压放气手阀通过管路直接与贮箱相连；液体充灌系统及冷却系统由多个手动阀、相关连接管路组成，同时引入增压系统中增压气体完成充灌及冷却功能。首先，能将高压氮气由：15-25MPa减压至：0-15MPa范围内指定压力，提供稳定的增压气体；其次通过手动阀进行充灌、放气冷却和贮箱增压操作；再次通过安全阀和两位三通电磁阀调控，当贮箱压力大于安全压力限时能进行增压气体的排放，确保试验安全。
本发明的优点和积极效果在于：(1)解决常温下高饱和蒸气压液体充灌困难的问题，操纵台利用液体的高饱和蒸气压特点，结合增压气体，由压力差实现液体充灌，而不使用离心泵进行充灌，防止出现汽蚀，提高安全性；(2)充灌、冷却与增压功能集合，简化系统的结构，降低系统的成本；(3)通过简单的设备，完成发动机地面热试车所需试验液体氧化剂的稳定供应.
【附图说明】
图1是多功能试验操纵台系统图
图2是操纵台充灌及回收原理图
【具体实施方式】
下面结合附图用实施例来进一步说明本发明。
多功能试验操纵台系统如图1所示，字母I表示入口，O表示出口，E表示出入皆可，DN表示管路内径，F表示手阀，JL表示微调手阀，HC表示缓冲器，DX表示单向阀，ST表示三通电磁阀，NZ表示阻尼装置，A表示安全阀，P表示指针式压力表，BP表示电子压力测量装置。
操纵台的主要工作原理如下：15-30MPa的高压气体由I1入口经DN15(内径15mm)管路进入，后流向过滤器(G1)、手阀(F1)，由减压器(J1)减压至0-15MPa范围内指定压力，再通过单向阀(DX1)、手阀(F6)、两位三通电磁阀(ST1)由DN20管路进入贮箱进行增压。同时，通过对手阀F8、F9、F10、F11、F14的操作，可完成对常温下高饱和蒸气压液体的充灌、试验后液体氧化剂的回收。手阀F7可以实现两种功能：1、对贮箱的高压进行放气卸压；2、通过放出液体推进剂蒸气，对液体推进剂温度进行调节。
以下介绍操纵台的各主要部分的原理及操作细节：
减压器J1之前的系统属于操纵台的高压部分，主要由DN15和DN4的管路组成，一方面高压氮气从高压氮气进口进入系统管路，通过过滤器G1后流经主阀F1，通过DN15的管路连接至减压器高压端；另一方面主阀F1后引出了一段DN4的管路经过手阀F3和调节阀JL1连接到了减压器的控制端，用来调节减压器下游压力。
BP1为压力传感器，用于操作间人员监控高压氮气的压力。压力表P1用于现场操作人员即时的读取管路压力，如果高压部分超过了操作台的设计压力或者压力偏高，可通过手阀F2将其泄放掉，以保证高压气路的安全。实验时通过调节调节阀JL1就可以改变减压器控制端的压力，从而达到控制减压器下游压力变化的目的。缓冲器HC1主要是防止JL1后端压力变化过快对减压器产生过大的冲击而设置的。压力表P2主要用于监测手阀F3至减压器段的压力，过高的压力可以通过手阀F4手动泄放至大气中。
减压器J1之后的部分为增压台低压部分，它主要由DN20和DN4的管路组成。一方面，经过减压器减压后的低压氮气经过单向阀DX1、手阀F6、电磁阀ST1进入氧化亚氮贮箱，实现对贮箱的增压；另一方面，在单向阀DX1后面引出了一路DN4的管路经过手阀F9，通过对手阀F8、F10、F11的打开和关闭实现对贮存氧化亚氮的标准钢瓶增压和氧化亚氮的充灌。
单向阀DX1的设置主要是在出现减压器下游压力高于上游压力的情况时，氧化亚氮和氮气将无法通过单向阀流回减压器.手阀F6是作为下游增压管路的一个总开关，它将控制是否将下游压力传送至氧化亚氮贮箱.电磁阀ST1是远程控制打开关闭管路，以实现必要时系统的远程操控：当工作正常时，经过减压器的低压管路与贮箱连通，对贮箱进行增压，当工作异常时，即远程监视压力传感器BP2，发现压力高于设计压力时，控制电磁阀ST1工作，使贮箱与大气连通，进行压力卸放.手阀F5、F7均通向氧化亚氮泄放管路，是在管路出现局部高压时及时泄放掉管路多余气体，以保证操作台及操作人员的安全.安全阀A1也是从安全角度考虑，当贮箱压力超过一定值时，它将自动打开泄放多余气体，以保证贮箱及管路的安全.
手阀F7的另外一个功能是在充灌完成后，通过排放贮箱气体使贮箱压力降低，由于液体有较高的饱和蒸气压，因此贮箱压力将很快小于液体饱和压力，导致液体蒸发，降低自身压力至指定温度，达到温度调整的目的。
如图2所示，是操纵台进行充灌和回收的原理图，图中字母标识含义与图1相同。管路1连接试验用大贮箱，管路2连接存放液体推进剂的标准钢瓶，充灌就是把标准钢瓶内的液体推进剂转移至大贮箱用于进行发动机试验。初始状态下，关闭手阀F9、F10，打开F8。由于液体氧化剂在常温下有较高的饱和蒸气压，例如液体氧化亚氮(20度时，4.856MPa)，贮箱初始压力则为大气压力0.1MPa，因此钢瓶内液体由于压力差，沿管路经过手阀F8，流向大贮箱。当钢瓶压力与大贮箱压力平衡时，关闭手阀F8、F10，打开手阀F9，利用操纵台上的氮气对钢瓶进行增压。同时，视贮箱压力大小通过手阀F7，适当对贮箱进行卸压，之后由压力表P4，P5观察两者压力情况，关闭手阀F9，打开手阀F10进行第二次充灌，当钢瓶压力与大贮箱压力平衡时重复以上操作，最后通过称量标准钢瓶的重量判断充灌是否完成。需要对试验管路中液体进行回收时，关闭手阀F8、F9、F11，打开手阀F10，F14即可。
从增压台的原理可以看出，整个增压台中只有一部分阀门管路参与了压力的调节和传送，而还有很大一部分阀门及管路都是从安全的角度考虑，为了保证系统安全而专门设置的。因为对于一个火箭发动机地面实验系统来说，除了要满足发动机总体提出的实验要求外，实验安全是非常重要的。

Claims (7)

1.常温下高饱和蒸气压液体多功能试验操纵台。包括安全阀、减压器、电磁阀、单向阀、手动阀、过滤器、缓冲器、相关管路和接口。增压系统管路由高压气体入口管依次连接过滤器、手动阀、减压器、单向阀、电磁阀至被增压贮箱，其中安全阀、高压放气手阀通过管路直接与贮箱相连；液体充灌系统及冷却系统由多个手动阀、相关连接管路组成，同时引入增压系统中增压气体完成充灌及冷却功能。
2.如权利要求1所述的多功能试验操纵台，其特征在于：由一个操纵台实现对高饱和蒸气压液体的充灌、冷却、增压及回收。
3.根据权利要求1所述的常温下高饱和蒸气压液体多功能试验操纵台，其特征在于：工作介质为增压用高压氮气及常温下高饱和蒸气压液体。
4.根据权利要求1所述的常温下高饱和蒸气压液体多功能试验操纵台，其特征在于：不使用离心泵，利用操纵台的增压性能，通过调节不同容器的压力差实现充灌。
5.如权利要求1所述的多功能试验操纵台，用于常温下高饱和蒸气压液体。
6.如权利要求5所述的多功能试验操纵台，用于火箭发动机地面试验中氧化亚氮推进剂的充灌、增压及回收。
7.如权利要求5所述的多功能试验操纵台，用于火箭发动机地面试验中普通液体推进剂的充灌、增压及回收。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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