CN105650459B - 一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，包括液氧存储容器、液氧过冷器、液氧供应容器、液氧供应管道、液氧加注管道以及液氧排放管路，液氧存储容器通过液氧加注管道分别与液氧供应容器和液氧过冷器连接，液氧过冷器的出口通过液氧排放管路以及液氧泵前管路与发动机入口连通，液氧供应容器通过液氧供应管道与发动机入口连通，液氧排放管路与液氧泵前管路之间设置有液氧泵前预冷排放阀，液氧供应管道上设置于液氧泵前隔离阀，本发明保证了液氧入口温度最低达－191℃，并在发动机开车后持续一定的时间。

Description

一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统
技术领域
本发明涉及一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统。
背景技术
液氧/煤油发动机低液氧入口温度边界条件试车，要求发动机工作时，液氧入口温度最低达－191℃，并在发动机开车后持续一定的时间。常压下，液氧的饱和温度为－183℃，需通过一定的手段将液氧温度降至目标温度，通过传统的试车台液氧加注技术无法实现。
发明内容
为了保证液氧入口温度最低达－191℃，并在发动机开车后持续一定的时间，本发明提供一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统。
本发明的技术解决方案：
一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特殊之处在于：包括液氧存储容器、液氧过冷器、液氧供应容器、液氧供应管道、液氧加注管道以及液氧排放管路，所述液氧存储容器通过液氧加注管道分别与液氧供应容器和液氧过冷器连接，所述液氧过冷器的出口通过液氧排放管路以及液氧泵前管路与发动机入口连通，所述液氧供应容器通过液氧供应管道与发动机入口连通；
所述液氧加注管道上设置有加注隔离阀和过冷器液氧入口阀门AS1，液氧存储容器通过加注隔离阀向液氧供应容器加注普通液氧，液氧存储容器通过过冷器液氧入口阀门AS1向液氧过冷器加注普通液氧；
液氧排放管路与液氧泵前管路之间设置有液氧泵前预冷排放阀A3，液氧供应管道上设置于液氧泵前隔离阀A1。
上述液氧过冷器包括液氮贮箱、换冷组件、高液位检测传感器以及低液位检测传感器，所述换冷组件通过换冷芯支撑组件固定在液氮贮箱内，所述液氮贮箱上设置有液氮入口、液氮出口以及氮气排放口，
所述换冷组件包括换冷芯、液氧输入管以及液氧输出管，所述液氧输入管和液氧输出管均与换冷芯连通；
所述高液位检测传感器固定在液氮贮箱的高液位处，所述低液位检测传感器固定在液氮贮箱的低液位处。
上述换冷芯包括多层隔板和多层翅板，所述隔板与翅板间隔放置，所述隔板和翅板通过钎焊的形式固结，多层翅板中的位于奇数位置的翅板与外界液氮连通，位于偶数位置若干组翅板的一端通过法兰与液氧输入管连接，位于偶数位置若干组翅板的另一端通过法兰与液氧输出管连接，偶数位置的其余翅板边缘通过封条进行封堵。
上述换冷芯支撑组件包括A支板、B支板和支架，所述A支板和B支板焊接在液氮贮箱内壁，所述支架为梯形，焊接在换冷芯两边，支架分别与A支板、B支板固定连接。
上述液氮入口处设置有加注阀门，所述加注阀门应远离液氮贮箱。
上述换冷芯应放置在离液氮贮箱底部300mm以上的高度。
上述液氧输入管和液氧输出管之间固定有加固板。
上述隔板为41层，所述翅板为40层，所述翅板为表面冲小孔的波纹板。
上述液氧泵前管路外侧设置有无碱玻璃纤维隔热罩。
本发明所具有的优点：
通过使用本发明的系统，使试车台具备了液氧/煤油发动机低温液氧试验能力。试车台过冷液氧加注时间不足1小时，发动机开车前和开车后规定的时间内液氧入口温度能可靠保证低于-191℃。
附图说明
图1为本发明的过冷液氧供应系统的结果示意图；
图2、图3、图4、图5、图6为本发明的液氧过冷器的结构示意图；
图7为本发明换冷芯的结构示意图。
其中附图标记为：1-液氮贮箱，2-高液位检测传感器，3-低液位检测传感器，4-液氮入口，5-氮气排放口，6-液氧输出管，7-液氧输入管，8-加固板，9-管路支撑架，10-A支板，11-B支板，12-支架，13-排污口，21-加注隔离阀，22-液氧加注管道，23-液氧供应管道，24-液氧排放管路，25-液氧泵前管路，26-发动机，AS1-过冷器液氧入口阀门，A3-液氧泵前预冷排放阀，A1-液氧泵前隔离阀。
具体实施方式
该系统主要由低温液氧供应系统、液氧过冷系统构成。液氧过冷系统工艺流程如图1所示，包括液氧存储容器、液氧过冷器、液氧供应容器、液氧供应管道23、液氧加注管道22以及液氧排放管路24，液氧存储容器通过液氧加注管道22分别与液氧供应容器和液氧过冷器连接，液氧过冷器的出口通过液氧排放管路24以及液氧泵前管路25与发动机26入口连通，液氧供应容器通过液氧供应管道与发动机入口连通；
液氧加注管道上设置有加注隔离阀和过冷器液氧入口阀门AS1，液氧存储容器通过加注隔离阀21向液氧供应容器加注普通液氧，液氧存储容器通过过冷器液氧入口阀门AS1向液氧过冷器加注普通液氧；
液氧排放管路与液氧泵前管路之间设置有液氧泵前预冷排放阀A3，液氧供应管道上设置于液氧泵前隔离阀A1。
一套液氧过冷系统，该系统具备将普通液氧换冷为过冷液氧的能力，并通过对原发动机试车台液氧供应系统的能力拓展，使试车台能够承担发动机低液氧入口温度试车。其工作原理是：将本发明的液氧过冷系统串联在液氧排放管路与储存容器之间，低温液氧经发动机入口反向加注至试车台主容器。新研制的液氧过冷器，通过将铝制板翅式换热器浸泡在存有液氮贮箱的结构形式，实现了高效的液氧过冷系统获得方法。该系统具备10～60m3/h过冷液氧的补加注能力。常压下，液氧可以由-183℃降至-194℃以下，换冷1m3液氧消耗的液氮低于0.2m3。
过冷液氧补加注：
试车台液氧供应系统加注工艺方法：利用高、低温液氧存在密度差的原理，对试车台及加注流程进行优化，通过对主容器先加注一定量的－183℃普通液氧，后经发动机液氧供应管道反向补加注－194℃过冷液氧的方法，确保了液氧过冷试车开车前一段时间及开车后规定时间内液氧过冷的准确供应。
该技术可在过冷液氧补加注的同时进行试车台和发动机预冷，利用液氧过冷系统输出的最低温度的液氧对发动机和泵前管路进行预冷，降低了发动机低液氧入口温度的实现难度。补加注至主容器下层的过冷液氧密度大，短时间内与上层普通液氧换热有限，只需要加注部分过冷液氧即可满足试车条件，提高了试验准备效率。
过冷液氧高效率获得：
常压下，液氧饱和温度为－183℃。试车要求发动机入口温度低于－191℃，通过对液氧管路系统的换热计算，要求过冷系统需具备提供低于－193℃液氧的能力。
某液氧/煤油发动机过冷液氧试车，需提供不少于100s温度低于－191℃的液氧，考虑试车台损耗及液氧系统和周围环境的热交换，过冷系统需具备短时间加注48m3过冷液氧的能力。
如图2、图3、图4所示，一种低温液氧过冷器，包括液氮贮箱1、换冷组件、高液位检测传感器2以及低液位检测传感器3，换冷组件通过换冷芯支撑组件固定在液氮贮箱内，液氮贮箱上设置有液氮入口4、液氮出口以及氮气排放口5。换冷组件包括换冷芯、液氧输入管以及液氧输出管，液氧输入管7和液氧6输出管均与换冷芯连通；高液位检测传感器固定在液氮贮箱的高液位处，低液位检测传感器固定在液氮贮箱的低液位处。液氮入口处设置有加注阀门，加注阀门应远离液氮贮箱。液氮贮箱底部设置有排污口13。
图5、图6、图7所示，换冷芯包括多层隔板和多层翅板，隔板与翅板间隔放置，隔板和翅板通过钎焊的形式固结，多层翅板中的位于奇数位置的翅板与外界液氮连通，位于偶数位置若干组翅板的一端通过法兰与液氧输入管连接，位于偶数位置若干组翅板的另一端通过法兰与液氧输出管连接，偶数位置的其余翅板边缘通过封条进行封堵。换冷芯支撑组件包括A支板10、B支板11和支架12，A支板10，B支板11焊接在液氮贮箱内壁。换冷芯两边焊接两个梯形机构的支架12，支架12与A、B两个支板通过螺栓连接，实现过冷器芯与液氮贮箱的固定。
液氧过冷器工作原理是：利用常压下，液氮饱和温度低于液氧饱和温度的物理特性，用液氮将液氧通过换冷的方式快速降温至所需的温度。研制的液氧过冷器，由高洁净度的换冷芯配合一套液氮加注、贮存和氮气排放设施，实现了大量过冷液氧的高效获得。该设备具备10～60m3/h过冷液氧的补加注能力。常压下，液氧可以由－183℃降至－194℃以下，换冷1m3液氧消耗的液氮低于0.2m3。
换冷芯：
换冷芯本身要求换冷效率高，洁净度好，材料在低温环境下有足够的强度。可选择的换冷芯结构有：管壳式、平板式、螺旋板式、板翅式等。
本发明选用了板翅式，材料为铝。板翅式换冷芯单位体积换热面积大，换冷效率高，铝材式换冷芯用于液氮、液氧两种温差不大的低温液体，热应力对材料的强度影响不大。另外，铝制式板翅式换冷芯其主要制造手段为板材切割、翅板扰动孔的冲裁和翅板的冷冲成形、换冷芯的堆叠和钎焊等，整个制造过程通过严格的多余物控制方法，可实现换冷芯的高洁净度要求。
本发明换冷器采用的换冷芯体积为600mm×600mm×1500mm，其中液氧40层，液氮41层。液氧、液氮的换冷面积分别为277m2和319m2。
发动机试车用液氧颗粒物指标为低于1mg/L，换冷芯的多余物控制情况直接影响发动机工作可靠性，铝制板翅式换冷芯采用钎焊方式组焊，焊接完成后，若换冷芯存在多余物，则无法彻底清理干净。因此，需要在换冷芯制造过程中严格控制多余物，底部设置有排污孔。
换冷芯翅片和隔离铝板在组装前，对每块翅片进行检查，对翅片边缘进行手动去毛刺处理，对翅片扰动孔进行复查，确保扰动孔未粘连多余物。先后用清水、无水乙醇进行清洗，再用3MPa以上的纯净压缩氮气进行逐片吹扫。翅片和板材检查和组装时，检查人应佩戴干净的棉布手套。
液氮贮存装置：
液氮贮存装置主要功能包括：支撑换冷芯支撑组件，贮存液氮，控制液氮加注量，自身保冷，低温氮气排放。
换冷芯支撑组件包括A支板、B支板和支架，A支板，B支板焊接在液氮贮箱内壁。换冷芯两边焊接两个梯形机构的支架，支架与A、B两个支板通过螺栓连接，实现过冷器芯与液氮贮箱的固定。
设计的液氧过冷器采用液氮贮存容器与铝制板翅式换热器组合的结构，利用液氮作为冷媒介质，液氮容器和过冷器进、出口管路采用了聚氨酯保冷设计，过冷系统的换冷效率达80％以上。
在系统调试和试车过程中，发动机液氧入口最低温度低于－194.5℃；液氧换冷、补加注48m3过冷液氧耗时小于1小时；实际调试结果液氮消耗量少于10m3，过冷液氧供应能力满足任务书要求。
对液氧泵前管路“量身定做”无碱玻璃纤维隔热罩包覆层，方便拆装，在提升管道保冷效果的同时，解决了试车台常用的包覆绝热层厚重，管道接口气密性检查不方便的问题。
液氧过冷系统正式补加注前，通过公称通径为DN32~DN50的管道小流量加注和排放的方法对过冷系统进行预冷，可避免过冷器工作初期，热交换不稳定而引起的过冷器振动幅度大的问题，有效提高系统的工作可靠性。
通过该技术的使用，使试车台具备了液氧/煤油发动机低温液氧试验能力。试车台过冷液氧加注时间不足1小时，发动机开车前和开车后规定的时间内液氧入口温度能可靠保证低于-191℃，
目前，利用该技术改造的两个试车台，已圆满完成两种型号液氧/煤油发动机至少已承担了7次过冷液氧试车任务。

Claims (9)

1.一种液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：包括液氧存储容器、液氧过冷器、液氧供应容器、液氧供应管道、液氧加注管道以及液氧排放管路，所述液氧存储容器通过液氧加注管道分别与液氧供应容器和液氧过冷器连接，所述液氧过冷器的出口通过液氧排放管路以及液氧泵前管路与发动机入口连通，所述液氧供应容器通过液氧供应管道与发动机入口连通；
所述液氧加注管道上设置有加注隔离阀和过冷器液氧入口阀门，液氧存储容器通过加注隔离阀向液氧供应容器加注普通液氧，液氧存储容器通过过冷器液氧入口阀门向液氧过冷器加注普通液氧；
液氧排放管路与液氧泵前管路之间设置有液氧泵前预冷排放阀，液氧供应管道上设置于液氧泵前隔离阀。
2.根据权利要求1所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述液氧过冷器包括液氮贮箱、换冷组件、高液位检测传感器以及低液位检测传感器，所述换冷组件通过换冷芯支撑组件固定在液氮贮箱内，所述液氮贮箱上设置有液氮入口、液氮出口以及氮气排放口，
所述换冷组件包括换冷芯、液氧输入管以及液氧输出管，所述液氧输入管和液氧输出管均与换冷芯连通；
所述高液位检测传感器固定在液氮贮箱的高液位处，所述低液位检测传感器固定在液氮贮箱的低液位处。
3.根据权利要求2所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述换冷芯包括多层隔板和多层翅板，所述隔板与翅板间隔放置，所述隔板和翅板通过钎焊的形式固结，多层翅板中的位于奇数位置的翅板与外界液氮连通，位于偶数位置若干组翅板的一端通过法兰与液氧输入管连接，位于偶数位置若干组翅板的另一端通过法兰与液氧输出管连接，偶数位置的其余翅板边缘通过封条进行封堵。
4.根据权利要求2或3所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：
所述换冷芯支撑组件包括A支板、B支板和支架，所述A支板和B支板焊接在液氮贮箱内壁，所述支架为梯形，焊接在换冷芯两边，支架分别与A支板、B支板固定连接。
5.根据权利要求4所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述液氮入口处设置有加注阀门，所述加注阀门应远离液氮贮箱。
6.根据权利要求5所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述换冷芯应放置在离液氮贮箱底部300mm以上的高度。
7.根据权利要求6所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述液氧输入管和液氧输出管之间固定有加固板。
8.根据权利要求3所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述隔板为41层，所述翅板为40层，所述翅板为表面冲小孔的波纹板。
9.根据权利要求1所述的液氧/煤油发动机地面试车过冷液氧供应系统，其特征在于：所述液氧泵前管路外侧设置有无碱玻璃纤维隔热罩。
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