CN107741385B - 液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统及方法，该系统作为液体火箭发动机试验振动粘度计的现场校准、试验测量之用，系统由凝胶介质加载装置、模拟液供应容器、模拟液回收容器、恒温舱、振动粘度计及相关管路附件等部分组成。凝胶介质加载装置包括罐体，罐体垂直放置，罐体的上端安装有NPT转接头，NPT转接头用于安装被测试振动粘度计；罐体的下端设置有锥度变径段，锥度变径段的大端与罐体连接，锥度变径段的小端设置有入口焊接直通接头；罐体的侧壁靠近上端部位设置有出口焊接直通接头。本发明能够实现液体火箭发动机的现场测量与校准，消除了实验室测量的介质物理特性、温度、粘度与现场的差异，提高了液体火箭发动机凝胶推进剂粘度测量的准确性。

Description

液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统及方法

技术领域

本发明涉及航天发动机试验，具体地说涉及液体火箭发动机试验中凝胶推进剂粘度校准测量系统及方法。

背景技术

液体火箭发动机多使用粘度计进行粘度测量。计量部门标校粘度计使用的介质与试验现场试车时使用的介质物理特性、温度、粘度均不同，校验的粘度计的使用环境尤其是温度存在差异，这些因素均会影响粘度测量的准确性，造成液体火箭发动机凝胶推进剂粘度测量的技术难题。

现有的发动机试验凝胶推进剂供应系统往往是试验台现场的封闭式供应系统，根据凝胶发动机点火工况的不同需要对凝胶推进剂进行供应压力的调节，同时试验现场随气温的变化对推进剂的温度影响也较大。

目前，对于粘度计的校准通常通过实验室校准，现有实验室使用的粘度计校准装置的结构如附图1，粘度计的实验室校准主要存在以下问题：

1、实验室使用的粘度计校准装置是直接采用标准粘度液在常温和常压下对振动式粘度计直接校准，对于温度和压力的变化引起粘度液的粘度变化造成的粘度计校准不确定度无法给出精确的数据。

2、整个校准装置没有采取良好的隔振与紧固措施，振动式粘度计本身微振造成的测量不确定度也无法很好的消除。

发明内容

为了克服现有实验室振动式粘度计测量装置精度低的技术问题，本发明提供一种液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统及方法。

本发明的技术解决方案如下：

液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统，其特殊之处在于：包括凝胶介质加载装置1、模拟液供应容器2、模拟液回收容器3、质量流量计6、观测管路5、主回收管路7、回收流道8及恒温舱4；

所述凝胶介质加载装置1上安装有被测试振动式粘度计21；

所述模拟液供应容器2的出口与凝胶介质加载装置1的入口连接，所述凝胶介质加载装置1与质量流量计6、观测管路5、回收流道8依次串联，回收流道8的出口与模拟液回收容器3的入口连接；

所述模拟液供应容器2的出口处还设置有第一阀门26；

所述质量流量计6与观测管路5之间还设置有第二阀门30；

所述观测管路5与回收流道8之间还设置有第三阀门28；

模拟液回收容器3的入口处还设置有第四阀门27；

所述质量流量计6的出口通过主回收管路7与回收流道8连接，所述主回收管路7与回收流道8之间还设置有第五阀门29；

所述凝胶介质加载装置1、模拟液供应容器2、质量流量计6、观测管路5、主回收管路7、回收流道8、第一阀门26、第二阀门30、第三阀门28、第四阀门27及第五阀门29均置于恒温舱4中。

进一步地，为消除加载装置本身的结构及安装对振动式粘度计的测量产生影响，本发明的凝胶介质加载装置1包括罐体，所述罐体垂直放置，所述罐体的上端安装有NPT转接头22，所述NPT转接头22用于安装被测试振动式粘度计；

所述罐体的下端设置有锥度变径段19，所述锥度变径段19的大端与罐体连接，所述锥度变径段19的小端设置有入口接头；

所述罐体的侧壁靠近上端部位设置有出口接头；

所述罐体的侧壁上还设置有固定底座15，所述固定底座15用于与不动基础连接。

进一步地，为避免气泡对粘度的影响，本发明罐体靠近上端的位置设置有排气口17。

进一步地，为始终实时检测校准过程中模拟液的环境条件恒定情况，进而有利于提高粘度稳定性，所述罐体上还设置压力传感器接口及温度传感器接口。

进一步地，由于焊接直通密封性好，耐压性能较螺纹连接接头优良，为避免压力变化对粘度的影响，本发明的入口接头为入口焊接直通接头20，出口接头为出口焊接直通接头14。

利用本发明的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统进行校准测量的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)凝胶介质加载装置1安装、使用前，采用有机溶剂清洗校准加载装置的内筒，使用氮气/空气吹干；

2)振动式粘度计校准前，使用有机溶剂浸泡和清洗被校准粘度计，从粘度计探针根部开始向上擦拭探针，将振动式粘度计的探针垂直插入校准装置中，使其处于凝胶介质加载装置1的中心位置；

3)振动式粘度计探针在校准现场环境通电预热，在空气中进行零位调整，粘度计测量的电流为I₀；

4)采取正压加注的方式将凝胶模拟液注入凝胶介质加载装置1内，振动式粘度计全部被凝胶模拟液浸没并进行高点排气；

5)通过透明玻璃管目测凝胶模拟液内无杂质和气泡后，凝胶模拟液和探针在测量温度下恒温；

6)恒温舱4内的凝胶模拟液温度差在±1℃以内，系统主管道内的模拟液与凝胶介质加载装置1内模拟液温度差在±1℃以内；

7)待模拟液供应容器2内压力达到调试压力时，打开模拟液供应容器2单向阀,凝胶模拟液由模拟液供应容器2进入凝胶介质加载装置1，开始粘度校准数据测试；

8)待粘度计表头的示值稳定后，读取校准测量数据；

9)取实验室给定的凝胶模拟液粘度为标准值η，粘度计现场测量的电流I_c，按照公式换算粘度计的校准系数A、B:A＝-η/(I_c-I₀)，B＝η/(I_c-I₀)；

10)液体火箭发动机凝胶粘度测量过程中，粘度计测量的电流I依据校准测试系数A、B获得测量粘度值η:η＝A+B*I。

进一步地，为提高测量数据准确性，所述步骤8)粘度计示值稳定后，在恒定温度下重复记录两次数据，取两次记录数据的算术平均值作为模拟液的校准值，测试数据的重复性指标应符合±2.5％；

本发明与现有技术相比，所具有的优点：

1、本发明的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统及方法，能够实现液体火箭发动机的现场测量与校准，消除了实验室测量的介质物理特性、温度、粘度与现场的差异，提高了液体火箭发动机凝胶推进剂粘度测量的准确性。

2、本发明的凝胶介质加载装置改变了现有的实验室校准装置的结构，在粘度测量准确性的提高上具有显著的进步，具体体现在：

2.1、本发明安装振动式粘度计的NPT锥螺纹接头是与罐体固定连接的，相比于现有实验室的NPT锥螺纹接头通过支架支撑在罐体上方，具有很好的稳定性；

2.2、本发明的罐体是与不动基础固定连接的，固定底座可减小粘度计自身水平方向产生谐振，显著提高粘度测量精度；

2.3、本发明采用NPT锥螺纹接头，不仅起到连接安装的作用，而且能够有效确保振动式粘度计与罐体螺纹连接部位在较高供应压力情况下具有良好的密封性，避免压力对于粘度的影响；

2.4、本发明采用锥度变径入口加注方式，可有效避免装置内模拟液加载过程中气泡的产生，消除气泡对粘度的影响；

2.5、本发明装置的排液出口焊接直通设置在整个罐体的高处，有利于模拟液填充整个加载装置罐体，使得振动式粘度计的测量探头能够完全浸入模拟液，并有足够的深度，确保测量的准确性。

3、本发明的粘度现场校准测量系统采用恒温舱用于模拟液供应容器、供应管路内凝胶模拟液的温度调节，通过罐体上的排气口，以消除气泡对粘度的影响，有利于提高粘度准确性；

4、本发明装置结构简单，操作方便，且移动性好。

附图说明

图1为实验室用粘度计校准装置结构图；

图2所示为本发明所提供的液体火箭发动机试验凝胶粘度现场校准测量系统俯视图；

图3所示为本发明所提供的液体火箭发动机试验凝胶粘度现场校准测量系统主视图；

图4为本发明的介质加载装置的结构图；

图5为凝胶粘度现场校准测量系统与发动机试验系统连接示意图。

其中附图标记为：1-凝胶介质加载装置；2-模拟液供应容器；3-模拟液回收容器；4-恒温舱；5-观测管路；6-质量流量计；7-主回收管路；8-回收流道；10-凝胶推进剂供应容器；11-粘度校准测量系统；12-安装垫片；13-NPT转接段；14-出口焊接直通接头；15-固定底座；16-固定角钢支架；17-排气口；18-温度传感器；19-锥度变径段；20-入口焊接直通接头；21-振动式粘度计；22-NPT转接头；23-法兰座；24-支架；25-标准粘度液储罐、26-第一阀门、27-第四阀门、28-第三阀门、29-第五阀门、30-第二阀门。

具体实施方式

针对目前实验室粘度测量校准装置测量精度低的技术问题，本发明提出了对振动式粘度计21进行凝胶模拟液粘度现场校准的测量系统及方法以提高测量精度。该系统即能作为振动式粘度计校准时的校准系统，在振动式粘度计现场校准后，又可作为凝胶推进剂的现场测量装置。

如图2-3所示，本发明的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统包括凝胶介质加载装置1、模拟液供应容器2、模拟液回收容器3、质量流量计6、观测管路5、回收流道8及恒温舱4；凝胶介质加载装置1上安装有被测试振动式粘度计21；模拟液供应容器2的出口与凝胶介质加载装置1的入口连接，凝胶介质加载装置1与质量流量计6、观测管路5、回收流道8依次串联，回收流道8的出口与模拟液回收容器的入口连接；模拟液供应容器的出口处还设置有第一阀门26；质量流量计6与观测管路5之间还设置有第二阀门30；观测管路5与回收流道8之间还设置有第三阀门28；模拟液回收容器的入口处还设置有第四阀门27；质量流量计6的出口还通过主回收管路7与回收流道8连接，主回收管路7与回收流道8之间还设置有第五阀门29；凝胶介质加载装置1、模拟液供应容器2、质量流量计6、观测管路5、主回收管路7、回收流道8、第一阀门26、第二阀门30、第三阀门28、第四阀门27及第五阀门29均置于恒温舱4中。

在校准初期，第一阀门26、第二阀门30、第三阀门28、第五阀门29均打开、第四阀门27关闭，模拟液依次通过质量流量计6、观测管路5、回收流道8流至模拟液回收容器，通过观测管路5来目测模拟液内有无杂质和气泡。

在粘度测量时，第一阀门26、第二阀门30、第四阀门27均打开、第三阀门28、第五阀门关闭30，模拟液依次通过质量流量计6、主回收管路7、回收流道8流至模拟液回收容器。

恒温舱4用于模拟液供应容器、供应管路内凝胶模拟液的温度调节，保持校准过程中模拟液供应容器及相关管路附件温度的恒定及温度的切换；恒温舱4采用水冷式压缩机组作为冷源输出，采用电加热管作为热源输出，通过将整体装置放置在设定温区达到恒温。

模拟液供应容器用于振动式粘度计校准过程中模拟液的加载、恒温以及校准过程中的压力调节，主要包括压力稳定过程后一段时间内的凝胶模拟液的供应；模拟液供应容器的出口及其压力调节管路均设置有阀门，以减小气体增压过程中对校准测量的影响。

模拟液回收容器3用于振动粘度校准过程中一定时间内系统管路的凝胶推进剂的回收。

观测管路5采用透明玻璃管，透明玻璃管用于主要监视凝胶模拟液流体中的气泡以及局部含气率，利用图像逆光拍摄技术观察透明管道气液两相流的流动，沿安装架结构底部敷设并通过卡箍固定于安装架上。

质量流量计6、观测管路5、所有系统阀门和相关系统管路均直接或通过支架集成固定于移动装置平面上，方便凝胶推进剂加载装置1在不同工位校准时的移动安装。不同工位包括单、双阻元推力室地面试验工位以及单、双阻元推力室高模试验工位。

振动式粘度计21校准过程中，需要在一段时间内对凝胶模拟液粘度进行精确测量，而校准测量过程的技术难点在于凝胶模拟液的温度、压力、粘度计安装工艺和附带管路的排气等因素对粘度测量精度的影响。本发明的校准测量系统均考虑到了以上问题，以下面结合附图对本发明进行说明。

如图4所示，本发明的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准加载装置1由振动式粘度计21、安装垫片12、NPT转接段13、入口焊接直通接头20、出口焊接直通接头14、锥度变径段19、固定底座15、传感器连接口、罐体等构成；粘度计安装口采用1.5〞NPT锥螺纹接头，装置内壁面与粘度计探头之间的距离不小于20mm，凝胶液介质加载装置1在适当位置设置排气口17，加载装置外侧面设置安装固定工艺支架。

NPT转接段13用于振动式粘度计与罐体的连接、固定，采用1.5〞NPT锥螺纹接头，使用7805密封脂/F4密封带密封；NPT转接段13外侧为六角螺母，与粘度计表头下测的六角螺母对应；入口焊接直通接头20用于本发明与模拟液供应容器连接，凝胶模拟液从入口焊接直通接头20进入凝胶介质加载装置1，材料选用1Cr18Ni9Ti，采用10FY5785-89焊接直通接头，入口设置在罐体的最下端，出口设置在罐体的高处且方向水平；出口焊接直通接头14用于本发明与质量流量计6连接，材料选用1Cr18Ni9Ti，采用10FY5785-89焊接直通接头；锥度变径段19将粘度计的安装罐体段DN104mm变换为系统管路的DN10mm，材料选用1Cr18Ni9Ti；固定底座15通过罐体底部焊接支架上的4个M8的螺栓与试验系统的不动基础连接，减少由于粘度计测量过程中的振动产生的谐振。

罐体提供粘度计与校准装置之间的有效容积，主体部分采用一次加工成型管材，材料选用1Cr18Ni9Ti；罐体尺寸：φ94mm(D)×104mm(L)，主要用于安装、固定测量粘度计，增压能力不小于6.5MPa(表压)，罐体内壁面与粘度计探头之间的距离不小于20mm。

传感器连接口用于凝胶液介质加载装置1罐体上温度传感器18、压力传感器的安装，监测模拟液的温度、压力数据。

振动式粘度计选用扭转微振荡阻尼式原理，粘度计测量范围：0～25,000cP.g/cm³，尺寸：φ32mm(D)×127mm(L)，用于测量流入凝胶介质加载装置1的凝胶/模拟液粘度。

安装垫片12用于振动式粘度计与的固定、密封，采用材料选用1Cr18Ni9Ti。

凝胶介质加载装置1可有效减小凝胶模拟液的恒温、粘度计安装工艺和附带管路的排气等对粘度测量结果的影响，提高振动式粘度测量精度。

凝胶介质加载装置1进行粘度测试前的准备工作包括以下步骤：

1)凝胶介质加载装置1在焊前加工前进行脱脂净化处理，焊接前彻底清洁焊口，在焊口30mm处内外表面去除一切污垢、油脂；

2)对于难以用浸泡法入槽净化处理的使用擦洗法进行清洗；

3)凝胶介质加载装置1酸洗后、封存过程中所有裸露接口有效封堵；

应用本发明的凝胶模拟液粘度现场校准的测量系统进行粘度校准测量的方法，包括以下步骤：

1)凝胶介质加载装置1安装、使用前采用有机溶剂清洗校准凝胶介质加载装置1的内筒，使用氮气/空气吹干，防止加载装置中的多余物对粘度测量产生影响；

2)振动式粘度计21校准前使用有机溶剂浸泡和清洗被校准粘度计，从粘度计探针根部开始向上擦拭探针，防止探头表面附着物对粘度测量产生影响；切忌对探针外壳、针体造成机械损伤，将振动式粘度计的探针垂直插入校准装置中，使其处于凝胶介质加载装置1的中心位置，否则无法保证粘度计振动频率的稳定；

3)振动式粘度计21探针在校准现场环境通电预热，在空气中进行零位调整，粘度计测量的电流I₀；

4)采取正压加注的方式将凝胶模拟液注入凝胶介质加载装置1内，振动式粘度计21全部被凝胶模拟液浸没并进行高点排气；

5)通过透明玻璃管目测试样模拟液内无杂质和气泡后，凝胶模拟液和探针在测量温度下恒温；

6)恒温舱4内的凝胶模拟液温度差在±1℃以内，系统主管道内的模拟液与恒温加载的模拟液温度差在±1℃以内；

7)待模拟液供应容器内压力达到调试压力时，打开模拟液供应容器2单向阀,凝胶模拟液由模拟液供应容器进入凝胶介质加载装置1，开始粘度校准数据测试；

8)待粘度计表头的示值稳定后，读取校准测试数据；

9)粘度计示值稳定后，在恒定温度下重复记录两次数据，取两次记录数据的算术平均值作为模拟液的校准值，测试数据的重复性指标应符合±2.5％；

10)取实验室给定的凝胶模拟液粘度为标准值η，粘度计现场测试的电流I_c，按照公式换算粘度计的校准系数A、B:A＝-η/(I_c-I₀)，B＝η/(I_c-I₀)；

11)液体火箭发动机凝胶推进剂粘度测量过程中，粘度计测量的电流I依据校准测试系数A、B获得测量粘度值η:η＝A+B*I。

如图5所示，当振动式粘度计校准完成后，可将本发明的凝胶介质加载装置1的入口与发动机凝胶推进剂供应容器10连接，将观测管路5的出口与发动机连接。凝胶推进剂依次经凝胶介质加载装置、质量流量计6、观测管路5送入发动机，振动式粘度计在线测量发动机凝胶推进剂的粘度。粘度测量装置11采用LXI总线实现精确的数据采集，主要测量并记录校准测试过程中的振动式粘度计21的粘度数据，同时记录测量系统中分布的多个压力、温度、流量、密度数据；粘度测量系统对采集的数据进行记录，将这些原始数据进行物理量转换、线性计算等，并以二进制格式存储。

Claims (7)

1.液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统，其特征在于：包括凝胶介质加载装置(1)、模拟液供应容器(2)、模拟液回收容器(3)、质量流量计(6)、观测管路(5)、主回收管路(7)、回收流道(8)及恒温舱(4)；

所述凝胶介质加载装置(1)上安装有被测试振动式粘度计(21)；

所述模拟液供应容器(2)的出口与凝胶介质加载装置(1)的入口连接，所述凝胶介质加载装置(1)与质量流量计(6)、观测管路(5)、回收流道(8)依次串联，回收流道(8)的出口与模拟液回收容器(3)的入口连接；

所述模拟液供应容器(2)的出口处还设置有第一阀门(26)；

所述质量流量计(6)与观测管路(5)之间还设置有第二阀门(30)，所述观测管路(5)与回收流道(8)之间还设置有第三阀门(28)；

所述模拟液回收容器(3)的入口处设置有第四阀门(27)；

所述质量流量计(6)的出口通过主回收管路(7)与回收流道(8)连接，所述主回收管路(7)与回收流道(8)之间还设置有第五阀门(29)；

所述凝胶介质加载装置(1)、模拟液供应容器(2)、质量流量计(6)、观测管路(5)、主回收管路(7)、回收流道(8)、第一阀门(26)、第二阀门(30)、第三阀门(28)、第四阀门(27)及第五阀门(29)均置于恒温舱(4)中。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统，其特征在于：

所述凝胶介质加载装置(1)包括罐体，所述罐体垂直放置，所述罐体的上端安装有NPT转接头(22)，所述NPT转接头(22)用于安装被测试振动式粘度计(21)；

所述罐体的下端设置有锥度变径段(19)，所述锥度变径段(19)的大端与罐体连接，所述锥度变径段(19)的小端设置有入口接头；

所述罐体的侧壁靠近上端部位设置有出口接头；

所述罐体的外侧壁上还设置有固定底座(15)，所述固定底座(15)用于与不动基础连接。

3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统，其特征在于：

所述罐体靠近上端的位置设置有排气口(17)。

4.根据权利要求2所述的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统，其特征在于：

所述罐体上还设置压力传感器接口及温度传感器接口。

5.根据权利要求2所述的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统，其特征在于：

所述入口接头为入口焊接直通接头(20)，出口接头为出口焊接直通接头(14)。

6.利用权利要求1或2或3或4或5所述的液体火箭发动机凝胶粘度现场校准测量系统进行校准测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)凝胶介质加载装置(1)安装、使用前，采用有机溶剂清洗校准加载装置的内筒，使用氮气或空气吹干；

2)振动式粘度计(21)校准前，使用有机溶剂浸泡和清洗被校准粘度计，从粘度计探针根部开始向上擦拭探针，将振动式粘度计(21)的探针垂直插入校准装置中，使其处于凝胶介质加载装置(1)的中心位置；

3)振动式粘度计(21)探针在校准现场环境通电预热，在空气中进行零位调整，粘度计测量的电流为I₀；

4)采取正压加注的方式将凝胶模拟液注入凝胶介质加载装置(1)内，振动式粘度计(21)全部被凝胶模拟液浸没并进行高点排气；

5)观测管路(5)采用透明玻璃管，通过透明玻璃管目测凝胶模拟液内无杂质和气泡后，凝胶模拟液和探针在测量温度下恒温；

6)恒温舱(4)内的凝胶模拟液温度差在±1℃以内，系统主管道内的模拟液与凝胶介质加载装置(1)内模拟液温度差在±1℃以内；

7)待模拟液供应容器(2)内压力达到调试压力时，打开模拟液供应容器(2)的阀门,凝胶模拟液由模拟液供应容器(2)进入凝胶介质加载装置(1)，开始粘度校准数据测试；

8)待粘度计表头的示值稳定后，读取校准测量数据；

9)取实验室给定的凝胶模拟液粘度为标准值η，粘度计现场测量的电流I_c，按照公式换算粘度计的校准系数A、B:A＝-η/(I_c-I₀)，B＝η/(I_c-I₀)；

10)液体火箭发动机凝胶粘度测量过程中，粘度计测量的电流I依据校准测试系数A、B获得测量粘度值η:η＝A+B*I。

7.根据权利要求6所述的校准测量的方法，其特征在于：所述步骤8)粘度计示值稳定后，在恒定温度下重复记录两次数据，取两次记录数据的算术平均值作为模拟液的校准值，测试数据的重复性指标应符合±2.5％。