CN104062123A - 一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置，用于模拟运载火箭发动机冷氦加温器的工作性能。包括高压氮气贮气罐、连接管路、减压阀、电磁阀、孔板、箭上换热管、工艺换热管、绝热层等设备。常温氮气经孔板限制流量后进入壳体入口，冲刷箭上换热管和工艺换热管外壁面并进行换热，冷氦气经箭上换热管和工艺换热管内部流动并与管道内壁面进行热交换，从而使冷氦气温度升高到一定值，然后氦气由工艺换热管出口去往用户管道；当需调整工艺换热管出口处氦气温度时，只需要调节减压阀的开度即可。本装置冷氦换热管道可以工作在液氢温区，入口温度可低于20K，氦气流量在XX～XXg/s时，出口温度在XX～XXK范围内。本装置可较好模拟箭上加温器，低温氦气出口温度范围可调，操作简便，冷氦换热管道外壁无结冰，工作可靠性高，成本投入少。

Description

一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置

技术领域

本发明涉及一种液氢温区低温氦气加温装置，主要用于氢氧火箭低温贮箱冷氦增压系统地面试验，可模拟发动机上冷氦换热管道工作性能，属于低温火箭贮箱增压输送系统试验技术。

背景技术

我国CZ-XX系列运载火箭X子级发动机采用液氢液氧作为推进剂，其液氧箱气枕压力采用冷氦压调器控制。由于冷氦压调器结构复杂、加工及全面检测难度大、存在一定的故障隐患，因而其难以适应该系列火箭高密度发射需求。随着低温高压冷氦电磁阀技术的日益成熟，研制了一套由电磁阀和孔板组合的冷氦增压系统，以取代冷氦压调器。为调整新增压系统相关参数并充分验证其可靠性，需要开展全面的研制及验证试验，因此，有效的模拟火箭发动机上冷氦加温器工作状态是该项目试验的关键技术之一。箭上加温器采用燃气发生器中形成的高温燃气对液氢温区氦气进行加温，燃气温度达XXXK，换热管道热流密度大。如果采用真实的燃气发生器及箭上换热管道进行地面试验，整个试验系统将十分复杂，试验操作难度、技术及安全风险也相当大，增压系统的研制周期将受到影响。国内尚未开展过在燃气发生器之外对冷氦加温换热器效果模拟的工作，没有成熟的经验可以借鉴。

发明内容

本发明解决的技术问题是：采用易于实现的办法，达到箭上冷氦加温器的效果，避免在地面试验中使用火箭燃气发生器，提高地面试验的可操作性，降低试验成本，并缩短冷氦增压系统产品研制周期。

本发明的技术方案是：一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置，由高压氮气贮气罐、连接管路、减压阀、电磁阀、孔板、发动机换热管、工艺换热管、壳体和绝热层组成，如图1所示。其中高压氮气贮气罐、连接管路、减压阀、电磁阀和孔板组成氮气源；发动机换热管和工艺换热管串联焊接，组成冷氦通道，壳体内部空间为氮气通道。

发动机换热管材质为XX，外径Xmm、壁厚Xmm、长度XXmm；工艺换热管材质为0Cr18Ni9，外径14mm、壁厚2mm、长度2300mm；两者串联焊接，发动机换热管端为冷氦通道入口，工艺换热管端为氦气通道出口。壳体内径为80mm，冷氦通道管路位于壳体内部，管道入口和出口伸出壳体外壁面20mm，分别与冷氦气源管道和用户管道连接；氮气由壳体一端进入，而从另一端直接排入大气。壳体外壁面为聚氨酯绝热层，绝热层厚度为40mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明使用常温氮气冲刷冷氦加温换热管道，降低了壳体通道内气体温度，系统得到大幅简化，不需燃烧装置即可使换热效果达到试验需求；降低了试验操作难度、缩短了准备周期、省去了试后换热器处理的过程，提高了增压系统试验的安全性和灵活性；且系统无部件工作于高温条件，加温换热装置可长期重复使用，降低了系统及试验成本。

(2)本发明使用减压阀和孔板调节壳体内氮气的流量，从而达到调整冷氦通道内流体温升的目的，提高了试验系统的可调节性，使试验装置可以在不同的环境温度条件下，实现不同试验任务要求的多种温升值，提高了系统的适应性，箭上换热管入口温度值可低于20K，氦气流量在XX～XXg/s时，出口温度在XX～XXK范围内可进行调节。

(3)本发明中使用氮气冲刷冷氦换热通道，当入口冷氦温度达20K或更低时，避免了水蒸气在换热通道外壁面凝结凝固，使通道的换热效果受试验进行的时间长短影响较小，工作性能稳定。

(4)本发明中壳体外包覆聚氨酯发泡绝热层，可避免系统工作过程中或之后人员直接接触壳体造成冻伤事故，提高了人员防护效果。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图中：1.高压氮气贮气罐、2.连接管路、3.减压阀、4.电磁阀、5.孔板、6.箭上换热管、7.工艺换热管、8.壳体、9.绝热层。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由高压氮气贮气罐1、连接管路2、减压阀3、电磁阀4、孔板5、箭上换热管7、工艺换热管8、绝热层9组成，其中高压氮气贮气罐1、连接管路2、减压阀3、电磁阀4和孔板5组成氮气源通道；发动机换热管6和工艺换热管7串联焊接，组成冷氦通道，壳体8内部空间为氮气通道。本发明工作时，首先调节减压阀3的开度，从而调节电磁阀4入口气源压力，然后打开电磁阀4，常温氮气经孔板限制流量后进入壳体8入口，冲刷设置于壳体8内部的箭上换热管6和工艺换热管7外壁面并进行换热，之后在箭上换热管6入口端通入液氢温区冷氦气，冷氦气经箭上换热管6和工艺换热管7内部流动并与管道内壁面进行热交换，从而使冷氦气温度升高到一定值，然后氦气由工艺换热管7出口去往用户管道；当需调整工艺换热管7出口处氦气温度时，只需要调节减压阀3的开度即可。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置，其特征在于：由高压氮气贮气罐(1)、连接管路(2)、减压阀(3)、电磁阀(4)、孔板(5)、箭上换热管(7)、工艺换热管(8)、绝热层(9)组成；其中高压氮气贮气罐(1)、连接管路(2)、减压阀(3)、电磁阀(4)和孔板(5)组成氮气源通道；发动机换热管(6)和工艺换热管(7)串联焊接，组成冷氦通道，壳体(8)内部空间为氮气通道；高压氮气由高压氮气贮气罐(1)提供，由连接管路(2)内通过，依次流经减压阀(3)、电磁阀(4)、孔板(5)、和壳体(8)；液氢温区冷氦气由箭上换热管(6)入口端进入，流经箭上换热管(6)和工艺换热管(7)，之后由工艺换热管(7)出口去往用户管道。

2.根据权利要求1所述的一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置，其特征在于：所述发动机换热管(6)和工艺换热管(7)串联焊接，其内部形成冷氦通道，工艺换热管(7)为直径14mm、壁厚2mm、长度2300m的不锈钢管。

3.根据权利要求1所述的一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置，其特征在于：所述壳体(8)内径为80mm，发动机换热管(6)和工艺换热管(7)串联焊接所形成冷氦通道位于壳体(8)内部，发动机换热管(6)入口和工艺换热管(7)出口伸出壳体外壁面20mm。

4.根据权利要求1所述的一种箭上液氢温区冷氦加温器模拟装置，其特征在于：所述壳体(8)外壁面为聚氨酯绝热层(9)，绝热层(9)厚度为40mm。