CN105627638B - 一种低温推进剂快速过冷装置 - Google Patents

Abstract

一种低温推进剂快速过冷装置，包括装有低温推进剂的贮罐组件，低温推进剂在贮罐组件形成气相、气液界面和液相，气相内设有挡板组件，挡板组件下方设有节流组件，挡板组件上方设有减压抽空组件，将减压抽空致冷和绝热节流致冷过程结合在一起，起到了低温推进剂快速过冷的效果，本发明可以将低温推进剂过冷时间大大减少，缩短每发任务准备周期，且可将过冷温度降至近三相点温度，甚至出现浆体液体，为大型运载火箭或重型运载火箭密集、高效的发射提供地面保障和技术支持。

Description

一种低温推进剂快速过冷装置

技术领域

本发明涉及低温推进剂过冷技术领域，具体涉及一种低温推进剂快速过冷装置。

背景技术

低温推进剂(如液氢、液氧、液态甲烷等)由于具有无毒、无污染、低成本、高比冲和大推力等优势，成为应用于大型运载火箭最广泛的一组推进剂，其比冲比常温推进剂高30％～40％。目前，低温推进剂应用时的热力学状态大部分都处于沸点温度附近，其热物理性能具有明显不足，尤其是液氢，其突出缺点是：密度和单位体积显冷量小。为了提高低温推进剂热力学性能，采用过冷的手段，来改善低温推进剂自身的不足，效果非常显著。

低温推进剂过冷方式主要包括换热过冷、抽空过冷和冷氦气鼓泡过冷。对于重型运载火箭来说，其低温推进剂过冷有两个特点：①过冷度大，接近三相点温区；②过冷量大，每发任务需要低温推进剂1000m³以上，国外最大充注量达到8000m³。因此，要想满足以上两个要求，从工程应用角度来说，抽空过冷是一种最可行的方式之一，但其不足之处就是抽空时间过长。因为低温推进剂抽空过冷的速率不仅与真空泵的抽速有关，还与其自身的热物性特点有关。当真空泵抽速加大时，会给系统带来两个致命的后果：①引起贮罐巨烈振动，由于抽速加大，使贮罐内气枕压力快速降低，贮罐内气液界面发生剧烈沸腾，如水在电壶中烧开的情形一样，导致大型贮罐发生强烈振动，轻则螺丝松动，部件掉落，重则引起共振，焊缝开裂，低温推进剂泄漏；②引起低温推进剂温度严重分层，尤其在三相点附近，由于抽速过快，会导致贮罐内气液界面处的液体凝固，而底部的液体过冷度其实并不大。

目前，随着航天事业的大力发展，运载火箭发射任务会大量增加，相应地每发任务准备的周期会大大缩短。低温推进剂过冷作为运载火箭地面加注系统的一个子系统，在每发任务准备期间，却占据了大量的准备时间，同时，低温推进剂过冷时，贮罐内会有热量漏入，过冷时间越长，漏入的热量会越多，相应地低温推进剂浪费就越大。因此，则急需一种快速过冷低温推进剂的方法和过冷器装置，来保障未来运载火箭密集发射时，每发任务准备周期缩短和低温推进剂高效利用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温推进剂快速过冷装置，将低温推进剂过冷时间大大减少，且将过冷温度降至近三相点温度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种低温推进剂快速过冷装置，包括装有低温推进剂的贮罐组件，低温推进剂在贮罐组件形成气相16、气液界面17和液相20，气相16内设有挡板组件，挡板组件下方设有节流组件，挡板组件上方设有减压抽空组件；

所述贮罐组件包括内罐18与外罐19，内罐18与外罐19通过一个以上并联的支撑杆21相连，管道vw穿过内罐18与外罐19，w端伸入低温推进剂液相20底部，v端和第五阀门15出口相连，第五阀门15入口和大气相通，内罐18与固定在外罐19上的第六阀门14、传感器13相连；

所诉挡板组件包括气相16内设置的挡板11，挡板11通过吊杆12连接在内罐18的内壁上；

所述的节流组件包括管道ab，管道ab的a端侵入低温推进剂液相20，管道b端与第一阀门4入口相连，第一阀门4出口与泵5入口通过管道cd相连，泵5出口与第二阀门7入口通过管道ef相连，第二阀门7出口通过管道gj和节流装置8入口相连，节流装置8入口通过管道ij和第三阀门6出口连接，阀门6入口与管道ah的h端相连，节流装置8出口与渐扩管9入口通过管道km相连，翅片10连接于管道km的外壁面上；

所述的减压抽空组件包括管道no，管道n端伸入低温推进剂气相16，管道o端与外罐19外的加热装置3入口相连，加热装置3出口与第四阀门2入口通过管道pq相连，阀门2出口与真空泵1入口通过管道rs相连，真空泵1出口与管道tu和大气相通。

所述低温推进剂为液氢、液氧或液态甲烷。

所述第一阀门4为低温截止阀，第三阀门6和第二阀门7为低温调节阀，第五阀门15为低温截止阀，第六阀门14为安全排放阀，第四阀门2为低真空电磁压差充气阀。

所述泵5为低温离心泵；真空泵1为旋片真空变频泵，其设置有水预冷系统，防止真空泵1损耗。

所述节流装置8为节流阀。

所述翅片10为铝合金制环形翅片。

所述管道ab、管道ah、管道cd、管道ef、管道gj、管道ij、管道vw为高真空多层绝热低温液体管道，管道km、管道no、管道pq、管道rs、管道tu为光滑不锈钢管道。

所述加热装置3为一个以上并联的加热网。

所述内罐18和外罐19材料为不锈钢。

所述传感器13为压力传感器。

本发明的有益效果：

本发明装置可以将低温推进剂(如液氢、液氧或液态甲烷等)过冷时间大大减少，缩短每发任务准备周期，且可将过冷温度降至三相点温度，甚至出现浆体液体，为大型运载火箭或重型运载火箭密集、高效的发射提供地面保障和技术支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，一种低温推进剂快速过冷装置，包括装有低温推进剂的贮罐组件，低温推进剂在贮罐组件形成气相16、气液界面17和液相20，气相16内设有挡板组件，挡板组件下方设有节流组件，挡板组件上方设有减压抽空组件；

所述贮罐组件包括内罐18与外罐19，内罐18与外罐19通过一个以上并联的支撑杆21相连，管道vw穿过内罐18与外罐19，w端伸入低温推进剂液相20底部，v端和第五阀门15出口相连，第五阀门15入口和大气相通，内罐18与固定在外罐19上的第六阀门14、传感器13相连，第五阀门15为低温截止阀，作用是控制低温推进剂的加注，管道vw为高真空多层绝热低温液体管道，第六阀门14为安全排放阀，传感器13为压力传感器，作用是采集压力信号，送入人工智能控制器内，通过PID算法控制真空泵1的抽速；

所诉挡板组件包括气相16内设置的挡板11，挡板11通过吊杆12连接在内罐18的内壁上，挡板11的作用是抵挡从渐扩管9中射出的低温气体或气液两相流体，防止被真空泵1直接抽走；

所述的节流组件包括管道ab，管道ab的a端侵入低温推进剂液相20，管道b端与第一阀门4入口相连，第一阀门4出口与泵5入口通过管道cd相连，泵5出口与第二阀门7入口通过管道ef相连，第二阀门7出口通过管道gj和节流装置8入口相连，节流装置8入口通过管道ij和第三阀门6出口连接，阀门6入口与管道ah的h端相连，节流装置8出口与渐扩管9入口通过管道km相连，翅片10连接于管道km的外壁面上；第一阀门4为低温截止阀，作用是控制液体进入泵5内；第三阀门6和第二阀门7为低温调节阀，调节进入节流装置8内的液体流量；泵5为低温离心泵，提供一定的压头，使节流后液体的温度尽量降低；泵5浸泡在低温池内，防止热量进入；节流装置8为节流阀，作用是通过压降，获得致冷量，从而带走低温推进剂液相20内的能量，使其温度降低；翅片10为铝合金制的环形翅片，作用是加强管道km的换热面积，同时减小低温推进剂液相20内的温度分层，使液相温度分布更加均匀；渐扩管9的作用是降低节流后流体出口的速度，防止温度较低的气体或气液两相流体被真空泵1直接抽走；管道ab、管道ah、管道cd、管道ef、管道gj、管道ij为高真空多层绝热低温液体管道，防止热量进入低温推进剂内；管道km为光滑不锈钢管道，作用是将节流后管内的冷量传递给低温推进剂液相20，使低温贮罐内低温推进剂温度降低；

所述的减压抽空组件包括管道no，管道n端伸入低温推进剂气相16，管道o端与外罐19外的加热装置3入口相连，加热装置3出口与第四阀门2入口通过管道pq相连，阀门2出口与真空泵1入口通过管道rs相连，真空泵1出口通过管道tu和大气相通，加热装置3为一个以上并联的加热网，使抽出的气体温度加热至常温，再流过真空泵1，防止真空泵1损坏；第四阀门2为低真空电磁压差充气阀，真空泵1为旋片真空变频泵，其设置有水预冷系统，防止真空泵1损耗。

所述低温推进剂为液氢、液氧或液态甲烷。

所述内罐18、外罐19材料为不锈钢。

所述节流组件视具体的低温推进剂、实际工况选择多套并联使用，增加节流制冷的冷量。

所述减压抽空组件视具体的低温推进剂、实际工况选择多套并联使用，增加气体排出量。

本发明的工作原理是：

内罐18、外罐19之间的隔热，视具体的低温推进剂、实际工况而选择堆积绝热、高真空绝热、真空粉末绝热或高真空多层绝热，防止外界热量侵入低温推进剂内，造成抽空负荷增加，过冷时间延长。

低温推进剂过冷之前，先打开阀门15，通过移动交通工具将温度处于沸点状态的低温推进剂加注于内罐18内；然后接通加热装置3，启动真空泵1，传感器13将压力信号反馈到人工智能控制器内，通过PID算法控制真空泵1抽速；由于真空泵1不断地往外抽气，使内罐18内气相16压力减小，对应的低温推进剂饱和温度降低，此时，原本气液界面17处热力平衡状态将被打破，气液界面17处开始气化，气化吸热使低温推进剂温度降低到此压力对应的饱和温度时，系统重新进入热力平衡状态，故控制低温贮罐内气相区压力就可实现低温推进剂致冷的目的，该过程叫做减压抽空致冷；与此同时，如果低温推进剂液相20靠自身重力能达到节流装置8需求压力，则关闭阀门4，打开阀门6，如果未能达到节流装置8前端的需求压力时，则需要打开阀门4，关闭阀门6，通过泵5提供压头，达到节流装置8的需求压力。忽略管道km上的压力损失，此时节流装置8压力为内罐18内的气相压力。根据焦耳-汤姆逊效应可知，连续流动的高压流体，在绝热且不对外作功的情况下通过节流阀急剧膨胀到低压时，会引起温度发生变化，故在此通过控制节流装置8两端的压力，使低温推进剂流过节流装置8时，进入致冷区，达到温度降低的目的，并通过管道km和翅片10换热将低温推进剂液相20的热量带走，此过程叫做绝热节流致冷；本发明将减压抽空致冷和绝热节流致冷过程结合在一起，起到了低温推进剂快速过冷的效果，同时通过控制真空泵1的抽速和翅片10的数量，达到了减弱贮罐振动和低温推进剂液相热分层的作用。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温推进剂快速过冷装置，包括装有低温推进剂的贮罐组件，低温推进剂在贮罐组件形成气相(16)、气液界面(17)和液相(20)，气相(16)内设有挡板组件，挡板组件下方设有节流组件，挡板组件上方设有减压抽空组件，其特征在于：

所述贮罐组件包括内罐(18)与外罐(19)，内罐(18)与外罐(19)通过一个以上并联的支撑杆(21)相连，管道vw穿过内罐(18)与外罐(19)，w端伸入低温推进剂液相(20)底部，v端和第五阀门(15)出口相连，第五阀门(15)入口和大气相通，内罐(18)与固定在外罐(19)上的第六阀门(14)、传感器(13)相连；

所述挡板组件包括气相(16)内设置的挡板(11)，挡板(11)通过吊杆(12)连接在内罐(18)的内壁上；

所述的节流组件包括管道ab，管道ab的a端侵入低温推进剂液相(20)，b端与第一阀门(4)入口相连，第一阀门(4)出口与泵(5)入口通过管道cd相连，泵(5)出口与第二阀门(7)入口通过管道ef相连，第二阀门(7)出口通过管道gj和节流装置(8)入口相连，节流装置(8)入口通过管道ij和第三阀门(6)出口连接，第三阀门(6)入口与管道ah的h端相连，节流装置(8)出口与渐扩管(9)入口通过管道km相连，翅片(10)连接于管道km的外壁面上；

所述的减压抽空组件包括管道no，管道n端伸入低温推进剂气相(16)，管道o端与外罐(19)外的加热装置(3)入口相连，加热装置(3)出口与第四阀门(2)入口通过管道pq相连，第四阀门(2)出口与真空泵(1)入口通过管道rs相连，真空泵(1)出口通过管道tu和大气相通。

2.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述低温推进剂为液氢、液氧或液态甲烷。

3.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述第一阀门(4)为低温截止阀，第三阀门(6)和第二阀门(7)为低温调节阀，第五阀门(15)为低温截止阀，第六阀门(14)为安全排放阀，第四阀门(2)为低真空电磁压差充气阀。

4.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述泵(5)为低温离心泵；真空泵(1)为旋片真空变频泵，其设置有水预冷系统，防止真空泵(1)损耗。

5.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述节流装置(8)为节流阀。

6.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述翅片(10)为铝合金制环形翅片。

7.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述管道ab、管道ah、管道cd、管道ef、管道gj、管道ij、管道vw为高真空多层绝热低温液体管道，管道km、管道no、管道pq、管道rs、管道tu为光滑不锈钢管道。

8.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述加热装置(3)为一个以上并联的加热网。

9.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述内罐(18)和外罐(19)材料为不锈钢。

10.根据权利要求1所述的一种低温推进剂快速过冷装置，其特征在于：所述传感器(13)为压力传感器。