CN106918458A - 一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统及加注方法 - Google Patents

一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统及加注方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统及加注方法。本发明系统包括煤油主容器、换热大循环管道、换热小循环管道、多个气动阀、多个手动阀、屏蔽泵以及换热器；通过各个元器件实现了1)换热小循环；2)换热大循环；3)煤油加注等工序，满足了发动机煤油入口试验温度可保持在30℃～‑30℃的要求，尤其是满足发动机在启动时加注的煤油温度要低于‑25℃的火箭发动机试验的要求。

Description

一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统及加注方法
技术领域
本发明属于航天发动机试验技术领域，具体涉及一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统及加注方法。
背景技术
我国火箭发动机采用液氧/煤油为推进剂。为适应运载火箭各发射场具体情况，一般发动机煤油入口试验的温度范围为25℃-25℃；为了适应新一代液氧/煤油发动机的需求，提高发动机的适应能力，需要进行煤油温度为30℃～-30℃的考核试验，尤其是要求发动机在启动时的煤油温度要低于-25℃。目前的试验平台是不能够满足目前发动机试验要求的。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种能够满足发动机煤油入口试验温度为30℃～-30℃的要求，尤其是满足了发动机在启动时加注的煤油温度要低于-25℃的火箭发动机试验用煤油高低温换热系统及加注方法。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统，其改进之处是：包括煤油主容器、换热大循环管道以及换热小循环管道；
换热大循环管道一端与煤油主容器入口连通，另一端与煤油主容器出口连通；换热大循环管道上自煤油主容器出口至煤油主容器入口依次安装有第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀、屏蔽泵、换热器、流量计、第一手动阀以及第六气动阀；
第三气动阀与第四气动阀之间设置有一连接管道与发动机连通；
换热小循环管道并联安装在换热大循环管道上，换热小循环管道在换热大循环管道上的入口节点位于煤油主容器出口和第一气动阀之间；换热小循环管道在换热大循环管道上的出口节点位于第五气动阀与屏蔽泵之间；
换热小循环管道自入口节点至出口节点上依次安装第二手动阀、第七气动阀、流量计以及第八气动阀。
优选的，上述系统还包括用于发动机预启动的煤油预启动容器；煤油预启动容器通过预启动管道连接在换热大循环管道上，预启动管道与换热大循环管道的连接节点位于第二气动阀和第三气动阀之间；预启动管道上安装第九气动阀。
优选的，上述第一气动阀、第二气动阀以及第三气动阀上均并联有预备气动阀。
优选的，上述第一手动阀与第六气动阀之间安装过滤器；第三气动阀与第四气动阀之间安装过滤器。
通过对上述换热系统结构的描述，现结合其结构对采用该系统进行煤油加注方法进行介绍，包括以下步骤：
1)换热小循环；
打开第二手动阀、第八气动阀、第九气动阀、第一手动阀、第六气动阀，关闭第一气动阀；屏蔽泵和换热器均开始工作，煤油主容器中的煤油进行换热小循环，煤油主容器中的温度始终维持要求的温度值范围内；
2)换热大循环
打开第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀，关闭第一气动阀；屏蔽泵和换热器均开始工作，整个换热大循环管道中的煤油进行换热大循环，换热大循环管道中的温度始终维持在要求的温度值范围内；
3)煤油加注；
打开第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀，关闭第一手动阀以及第四气动阀；将煤油主容器中的煤油加注至发动机中。
本发明的优点在于：
1、本发明能够满足发动机煤油入口试验温度为30℃～-30℃，尤其满足了发动机在启动时加注的煤油温度要低于-25℃的试验要求。
2、本发明采用了煤油预启动容器，确保了发动机试验过程中发动机能快速反应。
3、本发明的第一气动阀、第二气动阀以及第三气动阀上均并联有并联有预备气动阀，为了确保阀门检修时，系统能够正常运行。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为换热大循环预冷系统示意图；
图3为换热小循环预冷系统示意图。
附图标记如下：
1-煤油主容器、2-换热大循环管道 3-换热小循环管道、4-第一气动阀、5-第二气动阀、6-第三气动阀、7-第四气动阀、8-第五气动阀、9-屏蔽泵、10-换热器、11-流量计、12-第一手动阀、13-第六气动阀、14-连接管道、15-发动机、16-第二手动阀、17-第七气动阀、18-第八气动阀、19-煤油预启动容器、20-预启动管道、21-第九气动阀、22-预备气动阀、23-过滤器。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统，包括煤油主容器1、换热大循环管道2以及换热小循环管道3；
换热大循环管道2一端与煤油主容器1入口连通，另一端与煤油主容器1出口连通；换热大循环管道2上自煤油主容器1出口至煤油主容器1入口依次安装有第一气动阀4、第二气动阀5、第三气动阀6、第四气动阀7、第五气动阀8、屏蔽泵9、换热器10、流量计11、第一手动阀12以及第六气动阀13；
第三气动阀6与第四气动阀7之间设置有一连接管道14与发动机15连通；
换热小循环管道3并联安装在换热大循环管道2上，换热小循环管道3在换热大循环管道2上的入口节点位于煤油主容器1出口和第一气动阀4之间；换热小循环管道3在换热大循环管道2上的出口节点位于第五气动阀8与屏蔽泵9之间；
换热小循环管道3自入口节点至出口节点上依次安装第二手动阀16、第七气动阀17、过滤器23以及第八气动阀18。
另外，为了确保发动机启动时能够快速反应，该系统还包括用于发动机预启动的煤油预启动容器19；煤油预启动容器19通过预启动管道20连接在换热大循环管道2上，预启动管道20与换热大循环管道2的连接节点位于第二气动阀5和第三气动阀6之间；预启动管道20上安装第九气动阀21。
为了确保阀门检修系统能够正常运行，第一气动阀4、第二气动阀5以及第三气动阀6上均并联有预备气动阀22。
该系统优选的方案还有：第一手动阀12与第六气动阀13之间安装过滤器23；第三气动阀6与第四气动阀7之间安装过滤器23。
由此可以看出该系统实际上是有两条循环线路，分大、小两个循环。小循环由煤油主容器1底部，经过第一手动阀16、第七气动阀17、过滤器23、第八气动阀18、屏蔽泵9、换热器10，从容器顶部流回主容器1。
大循环煤油主容器1底部，发动机前弯管处流出，第一气动阀4、第二气动阀5、第三气动阀6、第四气动阀7、第五气动阀8、屏蔽泵9、换热器10、流量计11、第一手动阀12以及第六气动阀13从容器顶部流回煤油主容器1。为满足低温煤油过冷流量调试以及确保试车当天发动机入口煤油温度能够降到试车要求值，
为了确保整个换热系统的保温性能，在所有煤油管道包括其管路附件都包有1层海绵保温层再加玻璃丝绵，以减少煤油管路系统对流和辐射的冷量损失。
如图1、图2和图3所示，基于上述换热系统，现对利用该系统进行发动机煤油加注的方法进行描述：
1)换热小循环；
打开第二手动阀16、第八气动阀18、第九气动阀21、第一手动阀12、第六气动阀13，关闭第一气动阀4；屏蔽泵9和换热器10均开始工作，煤油主容器1中的煤油进行换热小循环，煤油主容器1中的温度始终维持要求的温度值范围内；
2)换热大循环
打开第一气动阀4、第二气动阀5、第三气动阀6、第四气动阀7、第五气动阀8，关闭第二手动阀16；屏蔽泵9和换热器10均开始工作，整个换热大循环管道2中的煤油进行换热大循环，换热大循环管道2中的温度始终维持在要求的温度值范围内；
3)煤油加注；
打开第一气动阀4、第二气动阀5、第三气动阀6，关闭第一手动阀12以及第四气动阀7；将煤油主容器1中的煤油加注至发动机15中。
以下是在试验过程中的具体操作步骤：
1、气密性检查
依次对换热大循环管道以及换热小循环管道进行气密检查。气密试验压力为0.4MPa(表压)，保压5分钟，压力表无压降，系统密封可靠。煤油主容器加注煤油前对其进行了包括各换热管路、各个气动阀、手动阀及换热器的整体气密检查，检查压力为0.4MPa(表压)，保压5分钟，压力表无压降，主容器密封可靠。
2、屏蔽泵试运行
CN50-200型屏蔽泵扬程为80米，流量为45m3/h。屏蔽泵各启动20分钟，流量调节阀控制煤油流量约为13.0Kg/s，电机电流约26A附近，屏蔽泵运行正常。
3系统加注及循环调试
对煤油主容器进行煤油加注，在煤油加注过程中，打开加注吹气手动开关V1对加注煤油吹氮，整个过程持续1h系统吹入氮气约为100kg。加注后分别启动屏蔽泵，进行小循环，循环4h，循环过程中，利用V4进行鼓氮。循环过程中，流量、压力数据平稳，同时得出在煤油流量在13.0dm3/s时，换热器的流阻约为0.05MPa。
整个过程流量、压力及鼓氮量见表1。
表1流量、压力数据记录表
4)煤油小循环调试
A小循环降温调试
首先启动屏蔽泵，开始煤油循环，煤油循环流量为13.0dm3/s。然后进行换热器液氮加注，对煤油降温，煤油降温过程中，同时进行鼓氮，并通过放气，鼓氮压力为1.6MPa、流量约为0.02kg/s左右。经过5小时后，煤油主容器内温度由环境温度14.2℃，降低为-27℃。
在煤油换热过程中，煤油循环流量稳定，始终维持在12.0～13dm3/s左右当温度降到-27℃后，排除煤油换热系统的煤油，分别对煤油屏蔽泵入口及出口过滤器拆除进行检查，发现过滤器外表良好，无结冰现象。同时，及时对煤油进行取样化验，结果煤油中的水分含量为3.6ppm。
这说明，通过在加注过程及换热过程进行煤油鼓氮，可以完全消除水分结冰对煤油的影响。
B主容器煤油静置升温
对煤油主容器煤油进行了温度监测。煤油经过14h的静置回温后，煤油主容器煤油温度升为15.5℃。平均升高速率0.82℃/h。
C煤油主容器煤油小循环过冷
由于煤油温升较大，在开始换冷前，煤油已经达到-14℃，通过小循环换冷的方式对煤油继续进行换热，使其温度达到一定值，再进行煤油管道充填。
4)主管道加注冷煤油及大循环换热
煤油小循环结束后，进行抽真空，抽真空结束后，进行煤油主管路充填，对煤油换热主管道进行充填，充填完毕后，启动屏蔽泵，进行大循环换热，到容器内温度达到-25℃时大循环结束。
由约0～1500s，为主管路加注，1500s～6500s为大循环换热。给主管道加注冷煤油前，主管道内温度为13.5℃。加注-22℃煤油后，主管道温度为-15℃，观察10～20分钟后，主管道煤油温度升高到-13℃。由调试数据可以看出，在大循环过程中，煤油主管路温度最终能达到试车要求。

Claims (5)

1.一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统，其特征在于：包括煤油主容器(1)、换热大循环管道(2)以及换热小循环管道(3)；
换热大循环管道(2)一端与煤油主容器(1)入口连通，另一端与煤油主容器(1)出口连通；换热大循环管道(2)上自煤油主容器(1)出口至煤油主容器(1)入口依次安装有第一气动阀(4)、第二气动阀(5)、第三气动阀(6)、第四气动阀(7)、第五气动阀(8)、屏蔽泵(9)、换热器(10)、流量计(11)、第一手动阀(12)以及第六气动阀(13)；
第三气动阀(6)与第四气动阀(7)之间设置有一连接管道(14)与发动机(15)连通；
换热小循环管道(3)并联安装在换热大循环管道(2)上，换热小循环管道(3)在换热大循环管道(2)上的入口节点位于煤油主容器(1)出口和第一气动阀(4)之间；换热小循环管道(3)在换热大循环管道(2)上的出口节点位于第五气动阀(8)与屏蔽泵(9)之间；
换热小循环管道(3)自入口节点至出口节点上依次安装第二手动阀(16)、第七气动阀(17)、流量计(11)以及第八气动阀(18)。
2.根据权利要求1所述的一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统，其特征在于：还包括用于发动机预启动的煤油预启动容器(19)；煤油预启动容器(19)通过预启动管道(20)连接在换热大循环管道(2)上，预启动管道(20)与换热大循环管道(2)的连接节点位于第二气动阀(5)和第三气动阀(6)之间；预启动管道(20)上安装第九气动阀(21)。
3.根据权利要求2所述的一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统，其特征在于：所述第一气动阀(4)、第二气动阀(5)以及第三气动阀(6)上均并联有预备气动阀(22)。
4.根据权利要求3所述的一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统，其特征在于：所述第一手动阀(12)与第六气动阀(13)之间安装过滤器(23)；第三气动阀(6)与第四气动阀(7)之间安装过滤器(23)。
5.基于权利要求4所述要求一种火箭发动机试验用煤油高低温换热系统的煤油加注方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)换热小循环；
打开第二手动阀(16)、第八气动阀(18)、第九气动阀(21)、第一手动阀(12)、第六气动阀(13)，关闭第一气动阀(4)；屏蔽泵(9)和换热器(10)均开始工作，煤油主容器(1)中的煤油进行换热小循环，煤油主容器(1)中的温度始终维持要求的温度值范围内；
2)换热大循环
打开第一气动阀(4)、第二气动阀(5)、第三气动阀(6)、第四气动阀(7)、第五气动阀(8)，关闭第二手动阀(16)；屏蔽泵(9)和换热器(10)均开始工作，整个换热大循环管道(2)中的煤油进行换热大循环，换热大循环管道(2)中的温度始终维持在要求的温度值范围内；
3)煤油加注；
打开第一气动阀(4)、第二气动阀(5)、第三气动阀(6)，关闭第一手动阀(12)以及第四气动阀(7)；将煤油主容器(1)中的煤油加注至发动机(15)中。
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