CN103217990A - 一种控制推进剂贮箱压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制推进剂贮箱压力的方法，包括以下步骤：1】搭建增压系统；2】启动控制中心，根据用户需要的泵入口压力曲线实现对泵入口压力的控制：泵入口压力曲线包括依次连接的前稳段、升压段、过载段和放气段：依次实现前稳段控制、升压段的控制、过载段的控制、放气段的控制、后稳段的控制。本发明为了能够精确控制泵入口压力在任务书要求的时间内实现前稳段至过载段的稳定，本发明通过对影响推进剂增压系统升压时间的减压器出口压力、推进剂流量、调整计算流量系数等因素的研究，解决了发动机试验泵入口压力与时间的对应要求问题，分析计算优化了孔板出口增压系数，总结出了一种精确的控制方法。

Description

一种控制推进剂贮箱压力的方法

技术领域

本发明涉及一种控制推进剂贮箱压力的方法。

背景技术

发动机试验需要确保氧化剂和燃料泵入口压力满足试车任务书要求。在试车过程中，泵入口压力主要由推进剂贮箱压力来保证，对推进剂贮箱压力的控制精度决定了泵入口压力控制精度。泵入口压力与推进剂贮箱压力之间的关系由公式（1）决定。

P_oy=P_oyq+△P_y－0.01425×(H₀+H_sh)   （1）

其中：

P_oy—某时刻推进剂贮箱压力值，MPa；

P_oyq—对应时刻泵入口压力值，MPa；

△P_y—对应时刻流阻值，MPa；

H₀—容器液位0米时对应的管路落差，一级发动机试车时取10.3m，二级发动机试车时取11.6m；

H_sh—对应时刻容器液位，m。

实际试车过程中，通过控制推进剂贮箱压力，保证在任务书要求的时间内完成泵入口压力从前稳段升压至过载段的整个过程稳定。现有的从前稳段到过载段的整个过程，升压中增压阀门完全靠程序自动控制，若调整计算出现偏差则有可能不能满足试验任务书要求。

发明内容

为了能够精确控制泵入口压力在任务书要求的时间内实现前稳段至过载段的稳定，本发明提供一种控制推进剂贮箱压力的方法。

本发明的技术解决方案：

一种控制推进剂贮箱压力的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】搭建增压系统，所述增压系统包括增压气体减压器，放气气动阀A10，压力变送器，并联的第一控制组件、第二控制组件以及第三控制组件，所述第一控制组件包括串联的气动阀A8和孔板，所述第二控制组件包括串联的气动阀A9和孔板，所述第三控制组件包括串联的气动阀A9a和孔板，所述气动阀A8、气动阀A9、气动阀A9a的控制端均与控制中心连接，其输入端均通过减压器与气源连接，所述孔板的输出端与贮箱连接；其中与气动阀A9a串联的孔板固定，与气动阀A8、气动阀A9串联的孔板尺寸需根据计算结果确定，气动阀A8直径大于气动阀A9、气动阀A9a的直径，压力变送器用于采集贮箱内压力，放气气动阀A10的控制端均与控制中心连接，其输入端与贮箱连接，输出端通大气；

2】启动控制中心，根据用户需要的泵入口压力曲线实现对泵入口压力的控制：所述泵入口压力曲线包括依次连接的前稳段、升压段、过载段和放气段：

2.1】打开气动阀A9a，实现泵入口压力的前稳段控制：

2.1.1】根据气体流量公式计算出前稳段所需的气体质量流量G_B ^A9a：

${G_B}^{A9a}=\frac{Q_y^{0^{\′\′}-t1}}{\mathrm{RT}}(P_{\mathrm{oy}}^{t1}\×{10}^3+\frac{9.81\×{\mathrm{\ρ}}_y\×{V_d}^{0^{\′\′}}}{\mathrm{is}})$

其中：

G_B ^A9a-前稳段所需的气体质量流量，即流经气动阀A9a的增压气体质量流量，kg/s；

-贮箱内前稳段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数，氮气气体常数为296.9；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t1-前稳段结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^0″-前稳段开始时推进剂贮箱气垫量，m³;

t1-前稳段结束时时间，s；

ρ_y-推进剂密度；

i-使用贮箱个数；

s-贮箱截面积；

2.1.2】根据增压气体流量计算减压器出口压力

减压器出口压力计算公式：

G_B ^A9a=f_A9a·P_ey÷α_A9a

其中：

α_A9a-增压系数，α_A9a=1/（0.408·C），无量纲；

f_A9a—与气动阀A9a串联的孔板截面积，mm²；

P_ey—减压器出口压力，MPa；

2.1.3】将减压器压力值调整至计算出的压力P_ey：

将减压器压力值调整至计算出的压力P_ey以后，实现泵入口压力前稳段的控制；

2.2】打开气动阀A8，实现泵入口压力的升压段的控制：

2.2.1】根据气体流量公式计算出升压段所需的气体质量流量G_B ^A9a+A8：

${G_B}^{A9a+A8}=\frac{Q_y^{t1-t2}}{\mathrm{RT}}{P}_{\mathrm{oy}}^{{t2}^{\′\′}}\×{10}^3+\frac{(p_{\mathrm{oy}}^{t2}-P_{\mathrm{oy}}^{t1})\×{V_d}^{t1}\×{10}^6}{\mathrm{RT}(t_2-t_1)})$

其中：

G_B ^A9a+A8-升压段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A8和A9a的增压气体质量流量，kg/s；

Q_y ^t1-t2-贮箱内推进剂升压段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t1-开始升压时贮箱压力，MPa；

P_oy ^t2"-升压结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^t1-开始升压时贮箱气垫量，m³；

t1-开始升压时时间，s；

t2-升压完毕时时间，s；

2.2.2】根据升压段所需的增压气体质量流量和下述公式计算与气动阀A8串联的孔板的实际尺寸：

G_B ^A9a+A8=f_A8·P_ey÷α_A8+f_A9a·P_ey÷α_A9a=f_A8+A9a·P_ey÷α_A8+A9a

其中：

α_A8+A9a-增压系数，α_A8+A9a=1/（0.408·C），无量纲；

G_B ^A9a+A8-升压段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A8和A9a的增压气体质量流量，kg/s；

f_A8+A9a-与气动阀A9a和气动阀A8串联的孔板截面积和，mm²；

P_ey-减压器出口压力，MPa；

f_A8—与气动阀A8串联的孔板截面积，mm²；

f_A9a—与气动阀A9a串联的孔板截面积，mm²；

α_A8—与气动阀A8串联的孔板的增压系数；

α_A9a—与气动阀A9a串联的孔板增压系数；

根据计算得出的孔板截面积计算出孔板孔径；

2.2.3】根据计算出的孔径更换孔板：

按照得出的孔板尺寸选取匹配孔板，并安装入增压系统，此时系统实现升压段控制；

2.3】关闭气动阀A8，打开气动阀A9，实现泵入口压力的过载段的控制；

2.3.1】根据气体流量公式计算出过载段所需的气体质量流量G_B ^A9a+A9

${G_B}^{A9a+A9}=\frac{Q_y^{{t2-t3}^{\′\′}}}{\mathrm{RT}}(P_{\mathrm{oy}}^{{t3}^{\′\′}}\×{10}^3+\frac{9.81\×{\mathrm{\ρ}}_y\×{V_d}^{{t2}^{\′\′}}}{\mathrm{is}})$

其中：

G_B ^A9a+A9-过载段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A9和A9a的增压气体质量流量，kg/s；

-贮箱内推进剂过载段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数；

T-增压气体温度，取283K；

-过载段结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^t2"-过载段开始时贮箱气垫量，m³；

ρ_y-贮箱内推进剂密度；

i-使用容器个数；

s-容器截面积；

2.3.2】根据过载段所需的增压气体质量流量、下述两个公式计算与气动阀A9串联的孔板的实际尺寸：

$f_{A9}=5.1006\×\frac{{G_B}^{A9}}{P_{\mathrm{ey}}}$

G_B ^A9=G_B ^A9a+A9－G_B ^A9a

其中：

G_B ^A9—升压段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A9的增压气体质量流量，kg/s；

f_A9—与气动阀A9串联的孔板截面积，mm²；

P_ey—减压器出口压力，MPa；

根据计算得出的孔板截面积计算出孔板孔径；

2.3.3】根据计算出的孔径更换孔板：

按照得出的孔板尺寸选取匹配孔板，并安装入增压系统，此时系统实现过载段控制；

2.4】关闭气动阀A9、气动阀A9a，同时打开放气阀A10，实现泵入口压力放气段的控制：

放气时当压力变送器采集到压力值达到用户需求时，关闭放气阀A10，实现放气段控制；

2.5】维持系统当前状态，实现后稳段的控制。

本发明所具有的优点：

1、本发明通过对影响推进剂增压系统升压时间的减压器出口压力、推进剂流量、调整计算流量系数等因素的研究，解决了发动机试验泵入口压力与时间的对应要求问题，分析计算优化了孔板出口增压系数，总结出了一种精确的控制方法。

2、本发明可操作行强，控制精度高，应用范围广。

3、本发明建立的增压系统结构简单，仅仅依靠几个阀门相互组合即可实现高可靠性的控制。

附图说明

图1为本发明增压系统的结构示意图；

图2为一种实施例泵入口压力曲线图；

图3贮箱压力与泵入口压力曲线图；其中P_oyq为泵入口压力曲线，P_xy为贮箱压力。

具体实施方式

如图1所示，为推进剂增压系统，增压系统包括增压气体减压器，放气气动阀A10，压力变送器，依次并联的第一控制组件、第二控制组件以及第三控制组件，第一控制组件包括串联的气动阀A8和孔板，第二控制组件包括串联的气动阀A9和孔板，第三控制组件包括串联的气动阀A9a和孔板，气动阀A8、气动阀A9、气动阀A9a的控制端均与控制中心连接，其输入端均通过减压器与气源连接，孔板的输出端与贮箱连接；其中与气动阀A9a串联的孔板固定，与气动阀A8、气动阀A9串联的孔板尺寸需根据计算结果待定，气动阀A8直径大于气动阀A9、气动阀A9a的直径，压力变送器用于采集贮箱内压力，放气气动阀A10的控制端均与控制中心连接，其输入端与贮箱连接，输出端通大气。

实施例：

一种控制推进剂贮箱压力的方法，包括以下步骤：

1】连接推进剂增压系统；

2】启动控制中心，根据用户（任务书）需要的泵入口压力曲线实现对泵入口压力的控制：泵入口压力曲线包括依次连接的前稳段、升压段、过载段和放气段：如图2所示，任务书要求：0～150秒入口压力稳定在a+0.05MPa，我们称这段时间为前稳段；150～210秒入口压力从aMPa提升到bMPa，我们称这段时间为升压段；210秒～600秒入口压力保持在bMPa，我们称这段时间为过载段；600秒以后主机关机，需要将入口压力降至cMPa，放气时间为试车台自定，本段时间我们称之为放气段；后游机在cMPa压力下工作至1100秒关机，本段时间我们称之为后稳段。

2.1】打开气动阀A9a，实现泵入口压力的前稳段控制：

2.1.1】根据气体流量公式（2）计算出前稳段所需的气体质量流量G_B ^A9a：

${G_B}^{A9a}=\frac{Q_y^{0^{\′\′}-t1}}{\mathrm{RT}}(P_{\mathrm{oy}}^{t1}\×{10}^3+\frac{9.81\×{\mathrm{\ρ}}_y\×{V_d}^{0^{\′\′}}}{\mathrm{is}})---\left(2\right)$

其中：

G_B ^A9a-前稳段所需的气体质量流量（流经气动阀A9a的增压气体质量流量），kg/s；

-贮箱内前稳段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数（氮气气体常数为296.9）；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t1-前稳段结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^0″-前稳段开始时推进剂贮箱气垫量，m³;

t1-前稳段结束时时间，s；

ρ_y-推进剂密度；

i-使用贮箱个数（3个）；

s-贮箱截面积（已知）。

2.1.2】根据增压气体流量计算减压器出口压力

减压器出口压力计算公式：

G_B ^A9a=f_A9a·P_ey÷α_A9a   （3）

其中：

α_A9a-增压系数，α_A9a=1/（0.408·C），无量纲；

f_A9a—与气动阀A9a串联的孔板截面积，mm²；

P_ey—减压器出口压力，MPa；

2.1.3】将减压器压力值调整至计算出的压力P_ey：

将减压器压力值调整至计算出的压力P_ey以后，实现泵入口压力前稳段的控制；

2.2】打开气动阀A8，实现泵入口压力的升压段的控制；

2.2.1】根据气体流量公式（4）计算出升压段所需的气体质量流量G_B ^A9a+A8：

${G_B}^{A9a+A8}=\frac{Q_y^{t1-t2}}{\mathrm{RT}}{P}_{\mathrm{oy}}^{{t2}^{\′\′}}\×{10}^3+\frac{(p_{\mathrm{oy}}^{t2}-P_{\mathrm{oy}}^{t1})\×{V_d}^{t1}\×{10}^6}{\mathrm{RT}(t_2-t_1)})---\left(4\right)$

其中：

G_B ^A9a+A8-升压段所需的增压气体质量流量（流经气动阀A8和A9a的增压气体质量流量），kg/s；

Q_y ^t1-t2-贮箱内推进剂升压段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t1-开始升压时贮箱压力，MPa；

P_oy ^t2"-升压结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^t1-开始升压时贮箱气垫量，m³；

t1-开始升压时时间（前稳段结束时间），s；

t2-升压完毕时时间，s；

2.2.2根据升压段所需的增压气体质量流量和公式5计算与气动阀A8串联的孔板的实际尺寸：

G_B ^A9a+A8=f_A8·P_ey÷α_A8+f_A9a·P_ey÷α_A9a=f_A8+A9a·P_ey÷α_A8+A9a   （5）

其中：

α_A8+A9a-增压系数，α_A8+A9a=1/（0.408·C），无量纲；

G_B ^A9a+A8-升压段所需的增压气体质量流量（流经气动阀A8和A9a的增压气体质量流量），kg/s；

f_A8+A9a-与气动阀A9a和气动阀A8串联的孔板截面积和，mm²；

P_ey-减压器出口压力，MPa；

f_A8—与气动阀A8串联的孔板截面积，mm²；

f_A9a—与气动阀A9a串联的孔板截面积，mm²；

α_A8—与气动阀A8串联的孔板的增压系数；

α_A9a—与气动阀A9a串联的孔板增压系数；

根据计算得出的孔板截面积计算出孔板孔径；

2.2.3】根据计算出的孔径更换孔板：

按照得出的孔板尺寸选取匹配孔板，并安装入增压系统，此时系统实现升压段控制；

2.3】关闭气动阀A8，打开气动阀A9，实现泵入口压力的过载段的控制。

2.3.1】根据气体流量公式（6）计算出过载段所需的气体质量流量G_B ^A9a+A9

${G_B}^{A9a+A9}=\frac{Q_y^{{t2-t3}^{\′\′}}}{\mathrm{RT}}(P_{\mathrm{oy}}^{{t3}^{\′\′}}\×{10}^3+\frac{9.81\×{\mathrm{\ρ}}_y\×{V_d}^{{t2}^{\′\′}}}{i\·s})---\left(6\right)$

其中：

G_B ^A9a+A9-过载段所需的增压气体质量流量（流经气动阀A9和A9a的增压气体质量流量），kg/s；

Q_y ^t2-t3-贮箱内推进剂过载段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t3-过载段结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^t2-过载段开始时贮箱气垫量，m³；

ρ_y-贮箱内推进剂密度；

i-使用容器个数；

s-容器截面积；

2.3.2】根据过载段所需的增压气体质量流量、公式（7）和公式（8）计算与气动阀A9串联的孔板的实际尺寸：

$f_{A9}=5.1006\×\frac{{G_B}^{A9}}{P_{\mathrm{ey}}}---\left(7\right)$

G_B ^A9=G_B ^A9a+A9－G_B ^A9a   （8）

其中：

G_B ^A9—升压段所需的增压气体质量流量（流经气动阀A9的增压气体质量流量），kg/s；

f_A9—与气动阀A9串联的孔板截面积，mm²；

P_ey—减压器出口压力，MPa；

根据计算得出的孔板截面积计算出孔板孔径；

2.3.3】根据计算出的孔径更换孔板：

按照得出的孔板尺寸选取匹配孔板，并安装入增压系统，此时系统实现过载段控制；

2.4】关闭气动阀A9、气动阀A9a，同时打开放气阀A10，实现泵入口压力放气段的控制：

放气时当压力变送器采集到压力值达到用户需求时，关闭放气阀A10，实现放气段控制；

2.5】维持系统当前状态，实现后稳段的控制。

Claims (1)

1.一种控制推进剂贮箱压力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】搭建增压系统，所述增压系统包括增压气体减压器，放气气动阀A10，压力变送器，并联的第一控制组件、第二控制组件以及第三控制组件，所述第一控制组件包括串联的气动阀A8和孔板，所述第二控制组件包括串联的气动阀A9和孔板，所述第三控制组件包括串联的气动阀A9a和孔板，所述气动阀A8、气动阀A9、气动阀A9a的控制端均与控制中心连接，其输入端均通过减压器与气源连接，所述孔板的输出端与贮箱连接；其中与气动阀A9a串联的孔板固定，与气动阀A8、气动阀A9串联的孔板尺寸需根据计算结果确定，气动阀A8直径大于气动阀A9、气动阀A9a的直径，压力变送器用于采集贮箱内压力，放气气动阀A10的控制端均与控制中心连接，其输入端与贮箱连接，输出端通大气；

2】启动控制中心，根据用户需要的泵入口压力曲线实现对泵入口压力的控制：所述泵入口压力曲线包括依次连接的前稳段、升压段、过载段和放气段：

2.1】打开气动阀A9a，实现泵入口压力的前稳段控制：

2.1.1】根据气体流量公式计算出前稳段所需的气体质量流量G_B ^A9a：

${G_B}^{A9a}=\frac{Q_y^{0^{\′\′}-t1}}{\mathrm{RT}}(P_{\mathrm{oy}}^{t1}\×{10}^3+\frac{9.81\×{\mathrm{\ρ}}_y\×{V_d}^{0^{\′\′}}}{\mathrm{is}})$

其中：

G_B ^A9a-前稳段所需的气体质量流量，即流经气动阀A9a的增压气体质量流量，kg/s；

-贮箱内前稳段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数，氮气气体常数为296.9；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t1-前稳段结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^0″-前稳段开始时推进剂贮箱气垫量，m³;

t1-前稳段结束时时间，s；

ρ_y-推进剂密度；

i-使用贮箱个数；

s-贮箱截面积；

2.1.2】根据增压气体流量计算减压器出口压力

减压器出口压力计算公式：

G_B ^A9a=f_A9a·P_ey÷α_A9a

其中：

α_A9a-增压系数，α_A9a=1/（0.408·C），无量纲；

f_A9a—与气动阀A9a串联的孔板截面积，mm²；

P_ey—减压器出口压力，MPa；

2.1.3】将减压器压力值调整至计算出的压力P_ey：

将减压器压力值调整至计算出的压力P_ey以后，实现泵入口压力前稳段的控制；

2.2】打开气动阀A8，实现泵入口压力的升压段的控制：

2.2.1】根据气体流量公式计算出升压段所需的气体质量流量G_B ^A9a+A8：

${G_B}^{A9a+A8}=\frac{Q_y^{t1-t2}}{\mathrm{RT}}{P}_{\mathrm{oy}}^{{t2}^{\′\′}}\×{10}^3+\frac{(p_{\mathrm{oy}}^{t2}-P_{\mathrm{oy}}^{t1})\×{V_d}^{t1}\×{10}^6}{\mathrm{RT}(t_2-t_1)})$

其中：

G_B ^A9a+A8-升压段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A8和A9a的增压气体质量流量，kg/s；

Q_y ^t1-t2-贮箱内推进剂升压段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数；

T-增压气体温度，取283K；

P_oy ^t1-开始升压时贮箱压力，MPa；

P_oy ^t2"-升压结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^t1-开始升压时贮箱气垫量，m³；

t1-开始升压时时间，s；

t2-升压完毕时时间，s；

2.2.2】根据升压段所需的增压气体质量流量和下述公式计算与气动阀A8串联的孔板的实际尺寸：

G_B ^A9a+A8=f_A8·P_ey÷α_A8+f_A9a·P_ey÷α_A9a=f_A8+A9a·P_ey÷α_A8+A9a

其中：

α_A8+A9a-增压系数，α_A8+A9a=1/（0.408·C），无量纲；

G_B ^A9a+A8-升压段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A8和A9a的增压气体质量流量，kg/s；

f_A8+A9a-与气动阀A9a和气动阀A8串联的孔板截面积和，mm²；

P_ey-减压器出口压力，MPa；

f_A8—与气动阀A8串联的孔板截面积，mm²；

f_A9a—与气动阀A9a串联的孔板截面积，mm²；

α_A8—与气动阀A8串联的孔板的增压系数；

α_A9a—与气动阀A9a串联的孔板增压系数；

根据计算得出的孔板截面积计算出孔板孔径；

2.2.3】根据计算出的孔径更换孔板：

按照得出的孔板尺寸选取匹配孔板，并安装入增压系统，此时系统实现升压段控制；

2.3】关闭气动阀A8，打开气动阀A9，实现泵入口压力的过载段的控制；

2.3.1】根据气体流量公式计算出过载段所需的气体质量流量G_B ^A9a+A9

${G_B}^{A9a+A9}=\frac{Q_y^{{t2-t3}^{\′\′}}}{\mathrm{RT}}(P_{\mathrm{oy}}^{{t3}^{\′\′}}\×{10}^3+\frac{9.81\×{\mathrm{\ρ}}_y\×{V_d}^{{t2}^{\′\′}}}{\mathrm{is}})$

其中：

G_B ^A9a+A9-过载段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A9和A9a的增压气体质量流量，kg/s；

-贮箱内推进剂过载段的平均体积流量，L/s；

R-增压气体常数；

T-增压气体温度，取283K；

-过载段结束时贮箱压力，MPa；

V_d ^t2"-过载段开始时贮箱气垫量，m³；

ρ_y-贮箱内推进剂密度；

i-使用容器个数；

s-容器截面积；

2.3.2】根据过载段所需的增压气体质量流量、下述两个公式计算与气动阀A9串联的孔板的实际尺寸：

$f_{A9}=5.1006\×\frac{{G_B}^{A9}}{P_{\mathrm{ey}}}$

G_B ^A9=G_B ^A9a+A9－G_B ^A9a

其中：

G_B ^A9—升压段所需的增压气体质量流量，即流经气动阀A9的增压气体质量流量，kg/s；

f_A9—与气动阀A9串联的孔板截面积，mm²；

P_ey—减压器出口压力，MPa；

根据计算得出的孔板截面积计算出孔板孔径；

2.3.3】根据计算出的孔径更换孔板：

按照得出的孔板尺寸选取匹配孔板，并安装入增压系统，此时系统实现过载段控制；

2.4】关闭气动阀A9、气动阀A9a，同时打开放气阀A10，实现泵入口压力放气段的控制：

放气时当压力变送器采集到压力值达到用户需求时，关闭放气阀A10，实现放气段控制；

2.5】维持系统当前状态，实现后稳段的控制。

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