CN106382467B - 一种长距离液氧供应系统及其预冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离液氧供应系统，包括液氧容器、液氧收集器以及均与液氧容器相连的加注单元、输送单元、排空单元和增压单元；增压单元用于给液氧容器增压，它包括增压管路和依次设置在增压管路上的第一手动增压隔离阀、节流孔板组、增压电磁阀组和第二手动增压隔离阀；输送单元包括长度大于30m的主输送管路；沿液氧输送方向，主输送管路上依次设置有主隔离阀、主路过滤器、第一涡轮流量计、第二涡轮流量计、入口过滤器、主路节流孔板和气动阀。本发明解决了现有液氧供应系统无法满足长距离输送液氧的需求；基于该系统，本发明公开了相应的预冷方法，具有预冷速度快、冷却均匀的优点。

Description

一种长距离液氧供应系统及其预冷方法

技术领域

本发明属于冲压发动机直连试验领域，具体涉及一种用于冲压发动机高空模拟试验中的液氧供应系统及其预冷方法。本发明所述长距离液氧供应系统是指液氧输送主管路大于30m的供应系统。

背景技术

在冲压发动机高空模拟试验中，液氧供应系统主要是为空气来流加热装置提供一定流量和压力的液氧作为燃烧的氧化剂。现有的液氧供应系统只能短距离(一般为10～20米)供应液氧，不能满足新型冲压发动机高空模拟试验需求。

在进行高空模拟来流试验之前，需将液氧供应系统的液氧管路预冷到-170℃，预冷到位后，要求每10min液氧管路温度上升不超过1℃。因此液氧输送管路预冷一直是液氧供应系统能够安全稳定运行的关键点和难点，其难点在于管路的冷却速度及管路冷却的均匀性。现有液氧供应系统在地面试验中仅采用自流式排放预冷，液氧流经输送管路与火箭发动机涡轮泵腔，对管路和涡轮泵体进行预冷后从预冷排放口排出，消耗液氧量较大。对于长距离液氧供应系统，因其系统输送管路长，现有自流式排放预冷根本无法满足其管路的冷却要求。液氧输送管路若无法预冷到规定温度或冷却不均，整个液氧供应系统将无法稳定运行，严重影响试验进度与结果。

发明内容

为了解决现有液氧供应系统无法满足长距离输送液氧的需求和现有预冷方法无法满足该长距离液氧供应系统的预冷要求的问题，本发明提供了一种长距离液氧供应系统及其预冷方法。

本发明的技术解决方案是：

一种长距离液氧供应系统，包括液氧容器、液氧收集器以及均与液氧容器相连的加注单元、输送单元和排空单元；加注单元用于向液氧容器中加注液氧；排空单元用于排空液氧容器中的液氧；输送单元用于输送液氧；液氧收集器用于收集输送单元中的液氧；其特殊之处在于：

所述液氧供应系统还包括与液氧容器相连的增压单元；增压单元用于给液氧容器增压，它包括增压管路和依次设置在增压管路上的第一手动增压隔离阀、节流孔板组、增压电磁阀组和第二手动增压隔离阀；节流孔板组包括并连的多个孔径不同的节流孔板；增压电磁阀组包括并连的多个增压电磁阀；节流孔板和与其相串连的增压电磁阀组合产生不同压力的增压气。

所述输送单元包括长度大于30m的主输送管路；沿液氧输送方向，主输送管路上依次设置有主隔离阀、主路过滤器、第一涡轮流量计、第二涡轮流量计、入口过滤器、主路节流孔板和气动阀；

在主隔离阀和主路过滤器之间通过第一支管路安装有第一放气阀，在主路过滤器和第一涡轮流量计之间通过第二支管路安装有第二放气阀，在第二涡轮流量计和入口过滤器之间通过第三支管路安装有第三放气阀，在入口过滤器和主路节流孔板之间通过第四支管路依次安装有强排限流孔板和预冷强排阀，在主路节流孔板和气动阀之间分别通过第五支管路和第六支管路安装有第四放气阀和第五放气阀；

第一支管路、第二支管路、第三支管路、第四支管路和第六支管路的另一端互相连通并与液氧收集器相连；第四支管路的另一端与气动阀后端主输送管路相连通。

基于上述基本技术方案，本发明还作出如下优化和限定：

上述主输送管路上设置有多个压力传感器和温度传感器，以便在预冷过程中实时监测主输送管路的温度，以判断其是否冷透，即是否冷却至所要求的温度。

本发明所提供的长距离液氧供应系统，其主输送管路的长度为现有液氧供应系统的2～4倍，在预冷和运行时易发生冷变形，因此，在主输送管路上安装第一补偿器、第二补偿器和第三补偿器，以减小管路的收缩变形；其中，第一补偿器位于第一放气阀和主路过滤器之间，第二补偿器位于主路过滤器和第一涡轮流量计之间，第三补偿器位于入口过滤器和主路节流孔板之间。

上述主输送管路的管路走向在第二涡轮流量计和入口过滤器之间发生90度折转，以进一步减小管路的冷变形。

上述液氧供应系统还包括套装在气动阀后端主输送管路外的预冷装置；所述预冷装置为中空的圆柱结构，其内侧壁上沿周向均匀设置有多个支撑板，预冷装置通过所述支撑板与主输送管路外壁配合安装；装配后，预冷装置的外壳与主输送管路配合形成预冷介质通道；预冷装置的外侧壁上设置有预冷介质进口和预冷介质出口。

上述主输送管路的管径为DN50～DN200mm，长度等于50m。

上述液氧容器的容积为20m³，工作压力为15MPa。

上述液氧供应系统还包括吹除单元；吹除单元包括与气动阀后端主输送管路相连通的吹除管路和安装在吹除管路上的单向阀和吹除阀，其中吹除阀靠近所述主输送管路。

本发明同时提供了一种对上述长距离液氧供应系统进行预冷的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)用干燥氮气置换液氧输送单元的主输送管路；

2)给液氧容器增压0.3MPa，打开沿程第一放气阀～第五放气阀，使带压液氧充填输送单元的整个管路，使常温的管路快速降温冷却；

3)将液氧容器泄压，关闭预冷强排阀，间断打开第一放气阀～第五放气阀中的一个或多个阀门进行排气，直至输送单元的主输送管路冷却到所要求的温度后；

4)关闭第一放气阀～第五放气阀；

5)将液氧容器增压到高空模拟来流试验压力，打开预冷强排阀，将输送单元管路中的气氧和液氧混合介质快速排出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的液氧输送距离在30m以上，能满足新型冲压发动机高空模拟试验需求；本发明所提供的预冷方法能保证液氧按照加热装置工作所需的温度、压力和流量供应到加热装置入口，以确保加热装置的正常工作，为高空模拟试验提供稳定的来流。

2、本发明解决了现有预冷方式无法满足长距离液氧输送系统冷却要求的问题：采用带压大流量液氧充填输送单元的整个管路、小流量预冷主输送管路，同时利用安装在主输送管路外的预冷装置，极大地提高了主输送管路的的预冷速度(比现有常规预冷方法缩短预冷时间约30～60分钟，消耗液氧的量少1～2m³)，并保证了管路冷却的均匀性；通过主输送管路上的多个温度传感器来判断管路是否冷透，当管路冷透后，各个温度传感器的温度较接近；

3、采用管路柔性补偿和更改管路走向，有效减小液氧输送系统在预冷和运行时管路的冷变形。

附图说明

图1是本发明的长距离液氧供应系统的示意图；

图2是本发明的预冷装置的示意图；

图3是图2的A-A向剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的长距离液氧供应系统包括一台20m³、15MPa的液氧容器2，液氧收集器8，均与液氧容器2相连的加注单元1、增压单元4、输送单元3和排空单元5，与输送单元3相连的吹除单元6，预冷装置7。

1、加注单元

加注单元包括一条加注主管路106，沿加注方向依次设置在加注主管路上的手动加注隔离阀101、加注过滤器102、第一加注气动阀103和第三加注气动阀105，以及通过加注支管路107与加注主管路相连的第二加注气动阀104；加注支管路107的一端位于手动加注隔离阀101和加注过滤器102之间，另一端位于第一加注气动阀103和第三加注气动阀105之间。加注主管路106的下端为液氧加注口或泄出口，加注主管路的上端同时与液氧容器2和输送单元3相连。

2、增压单元

增压单元用于给液氧容器增压，它包括增压管路401和依次设置在增压管路上的第一手动增压隔离阀402、节流孔板组、增压电磁阀组和第二手动增压隔离阀405；节流孔板组包括并连的6个孔径不同的节流孔板403；增压电磁阀组包括7个并连的增压电磁阀404；6个节流孔板和与其相串连的增压电磁阀组合产生不同压力的增压气。

在第一手动增压隔离阀402和节流孔板组之间，增压电磁阀组和第二手动增压隔离阀405之间均设置有温度和压力传感器，便于控制压力。

3、输送单元

输送单元包括管径为DN50～DN200mm，长度等于50m的主输送管路301；主输送管路301的一端与液氧容器2相连，另一端与空气来流加热装置9相连(在加热装置入口处，主输送管路的管径为DN50mm)；沿液氧输送方向，主输送管路上依次设置有主隔离阀302、第一补偿器304、主路过滤器305、第二补偿器306、第一涡轮流量计308、第二涡轮流量计309、入口过滤器311、第三补偿器312、主路节流孔板313和气动阀315；主输送管路301的管路走向在第二涡轮流量计309和入口过滤器311之间发生90度折转，以减小管路的冷变形。

在主隔离阀302和第一补偿器304之间通过第一支管路安装有第一放气阀303，在第二补偿器306和第一涡轮流量计308之间通过第二支管路安装有第二放气阀307，在第二涡轮流量计309和入口过滤器311之间通过第三支管路安装有第三放气阀310，在入口过滤器311和第三补偿器312之间通过第四支管路依次安装有强排限流孔板317和预冷强排阀318，在主路节流孔板313和气动阀315之间分别通过第五支管路和第六支管路安装有第四放气阀314和第五放气阀316；

第一支管路、第二支管路、第三支管路、第四支管路和第六支管路的另一端均互相连通并与液氧收集器8相连；第四支管路的另一端与气动阀后端主输送管路相连通。

主输送管路上：在第一涡轮流量计308和第二涡轮流量计309之间，在第三补偿器312和主路节流孔板313之间，在主路节流孔板313和气动阀315之间，在气动阀和加热装置之间均设置有压力传感器和温度传感器，以实时监测管路温度，当各个温度传感器的温度接近时，说明管路已冷透。

支管路上：在第一支管路、第二支管路和第三支管路上均设置有压力传感器；在第六支管路上设置有压力传感器和温度传感器。

4、排空单元

排空单元包括排气管路501和设置在排气管路上的排气阀组；排气管路的一端与液氧容器相连，另一端为排气出口；排气阀组由三个并连的排气阀组成。

5、吹除单元

吹除单元包括与气动阀后端主输送管路相连通的吹除管路601和安装在吹除管路上的单向阀603和吹除阀602，其中吹除阀靠近所述主输送管路。

6、液氧收集器

液氧收集器8与输送单元相连，用于在输送单元排气和/或强排时收集输送单元管路中的液氧。

7、预冷装置

预冷装置套装在气动阀后端主输送管路外；如图2和图3所示，预冷装置为中空的圆柱结构，其内侧壁上沿周向均匀设置有3个支撑板702，预冷装置通过支撑板702与主输送管路301外壁配合安装；装配后，预冷装置的外壳701与主输送管路301配合形成预冷介质通道；预冷装置的外侧壁上设置有预冷介质进口和预冷介质出口。

预冷时，通过向预冷介质通道中充填液氧，能够快速冷却气动阀后端的主输送管路。为达到更好的预冷效果，预冷介质通道中液氧的流量与主输送管路中液氧的流向相反。

为达到上述长距离液氧供应系统的预冷要求，本发明同时提供了对其进行预冷的方案，包括以下步骤：

1、预冷前，用干燥氮气置换液氧输送单元的管路；

2、给液氧容器增压0.3MPa，打开第一放气阀～第五放气阀使带压大流量液氧(根据输送单元管路的容积和液氧容器压力确定充填流量)充填输送单元的整个管路，充填目的是使管路快速与液氧接触，将常温的管路快速降温冷却；

3、将液氧容器泄压，采用小流量(0.2～2kg/s)预冷，关闭预冷强排阀，间断(即打开一段时间，然后关闭一段时间，然后再打开一段时间)打开第一放气阀～第五放气阀中的一个或多个阀门进行排气，直至输送单元的主输送管路冷却到所要求的温度且管路冷透；

4、关闭第一放气阀～第五放气阀；

5、将液氧容器增压到试验压力，打开预冷强排阀，采用强排方式将输送单元的整个管路的气氧和液氧混合介质快速排出，液氧强排的流量由强排限流孔板确定，强排时间根据强排量(一般为6～8kg/s)和输送单元的管路容积确定，一般强排时间不少于理论计算时间。液氧通过强排后，输送单元主输送管路的温度维持在-172～-170℃，满足加热装置的工作需求。

Claims (8)

1.一种长距离液氧供应系统，包括液氧容器、液氧收集器以及均与液氧容器相连的加注单元、输送单元和排空单元；加注单元用于向液氧容器中加注液氧；排空单元用于排空液氧容器中的液氧；输送单元用于输送液氧；液氧收集器用于收集输送单元中的液氧；其特征在于：

所述液氧供应系统还包括与液氧容器相连的增压单元；增压单元用于给液氧容器增压，它包括增压管路和依次设置在增压管路上的第一手动增压隔离阀、节流孔板组、增压电磁阀组和第二手动增压隔离阀；节流孔板组包括并连的多个孔径不同的节流孔板；增压电磁阀组包括并连的多个增压电磁阀；

所述输送单元包括长度大于30m的主输送管路；沿液氧输送方向，主输送管路上依次设置有主隔离阀、主路过滤器、第一涡轮流量计、第二涡轮流量计、入口过滤器、主路节流孔板和气动阀；

在主隔离阀和主路过滤器之间通过第一支管路安装有第一放气阀，在主路过滤器和第一涡轮流量计之间通过第二支管路安装有第二放气阀，在第二涡轮流量计和入口过滤器之间通过第三支管路安装有第三放气阀，在入口过滤器和主路节流孔板之间通过第四支管路依次安装有强排限流孔板和预冷强排阀，在主路节流孔板和气动阀之间分别通过第五支管路和第六支管路安装有第四放气阀和第五放气阀；

第一支管路、第二支管路、第三支管路、第四支管路和第六支管路的另一端互相连通并与液氧收集器相连；第四支管路的另一端与气动阀后端主输送管路相连通；

所述液氧供应系统还包括套装在气动阀后端主输送管路外的预冷装置；所述预冷装置为中空的圆柱结构，其内侧壁上沿周向均匀设置有多个支撑板，预冷装置通过所述支撑板与主输送管路外壁配合安装；装配后，预冷装置的外壳与主输送管路配合形成预冷介质通道；预冷装置的外侧壁上设置有预冷介质进口和预冷介质出口。

2.根据权利要求1所述的长距离液氧供应系统，其特征在于：在主输送管路上设置有多个压力传感器和温度传感器。

3.根据权利要求2所述的长距离液氧供应系统，其特征在于：在主输送管路上安装有第一补偿器、第二补偿器和第三补偿器；第一补偿器位于第一放气阀和主路过滤器之间，第二补偿器位于主路过滤器和第一涡轮流量计之间，第三补偿器位于入口过滤器和主路节流孔板之间。

4.根据权利要求3所述的长距离液氧供应系统，其特征在于：所述主输送管路的管路走向在第二涡轮流量计和入口过滤器之间发生90度折转。

5.根据权利要求4所述的长距离液氧供应系统，其特征在于：所述主输送管路的管径为DN50～DN200mm，长度等于50m。

6.根据权利要求5所述的长距离液氧供应系统，其特征在于：所述液氧容器的容积为20m³，工作压力为15MPa。

7.根据权利要求1至6任一所述的长距离液氧供应系统，其特征在于：所述液氧供应系统还包括吹除单元；吹除单元包括与气动阀后端主输送管路相连通的吹除管路和安装在吹除管路上的单向阀和吹除阀，其中吹除阀靠近所述主输送管路。

8.对权利要求7所述的长距离液氧供应系统进行预冷的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)用干燥氮气置换液氧输送单元的主输送管路；

2)给液氧容器增压0.3MPa，打开沿程第一放气阀～第五放气阀，使带压液氧充填输送单元的整个管路，使常温的管路快速降温冷却；

3)将液氧容器泄压，关闭预冷强排阀，间断打开第一放气阀～第五放气阀中的一个或多个阀门进行排气，直至输送单元的主输送管路冷却到所要求的温度；

4)关闭第一放气阀～第五放气阀；

5)将液氧容器增压到高空模拟来流试验压力，打开预冷强排阀，将输送单元管路中的气氧和液氧混合介质快速排出。