CN107941307B

CN107941307B - 一种常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统及方法

Info

Publication number: CN107941307B
Application number: CN201711104464.7A
Authority: CN
Inventors: 潘思宇; 乔江晖; 陈海峰; 刘英元; 董冬; 彭飞; 白文义; 单琳; 姚羽佳; 耿直; 朱成亮
Original assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Current assignee: Xian Aerospace Propulsion Testing Technique Institute
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN107941307A

Abstract

本发明提出一种液体发动机推进剂流量现场校准系统及方法，能够使校准结果更加精确快捷，实现发动机试验中流量的高精度测量。该常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统，包括串联在主管路上并位于推进剂主容器与涡轮流量计之间的质量流量计，并配置有压力调节系统和推进剂回收管路，用于保证涡轮流量计的位置和状态与试车时一致，以质量流量计为标准，采用真实推进剂对涡轮流量计进行现场校准；推进剂回收管路与主管路串联，最终接至推进剂回收容器，推进剂回收容器用于储存排气过程和校准过程流过的推进剂。

Description

一种常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统及方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机试验领域，涉及一种液体发动机推进剂流量现场校准系统及方法。

背景技术

常规液体火箭发动机的推进剂为氧化剂与燃料的双组元液体介质，氧化剂与燃料接触会产生燃烧，具有较强的腐蚀性、剧毒性及危险性。

液体火箭发动机试验推进剂流量是考核发动机性能的关键参数，必须精准测量。

目前常规的流量测量方法是使用涡轮流量计进行，涡轮流量计具有响应速度快、使用方便等优点，其系数是在计量部门用水标定，精度满足0.5％的要求。安装到实际应用的管路上，由于流体物理性质(粘度和温度等)和管路的流场不同，会产生系统误差，降低测量精度；同时涡轮流量计为体积型流量传感器，还需通过测量推进剂的温度换算成密度，进行数据处理得到质量流量，增加了测量环节，不确定因素影响较多；另外涡轮流量计受叶轮摩擦损耗的影响，在长时间使用后，测量数据存在一定的变化，严重影响了热试车中发动机性能的判读。

质量流量计作为一种高精度的流量计，精度能够达到0.1％，广泛应用于流量测量领域，但目前并不适于对液体火箭发动机试验推进剂流量进行测量：基于质量流量计测量原理，大型火箭发动机试验时产生较大的振动与噪音会对质量流量计测量产生影响；同时质量流量计测量数据的响应速度较涡轮流量计偏慢，会影响发动机试验起动性能的判读。

发明内容

本发明提出一种液体发动机推进剂流量现场校准系统及方法，能够使校准结果更加精确快捷，实现发动机试验中流量的高精度测量。

本发明的解决方案如下：

该常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统，包括试车台原有的推进剂主容器和涡轮流量计；与现有技术相比，还包括串联在主管路上并位于所述推进剂主容器与涡轮流量计之间的质量流量计，并配置有压力调节系统和推进剂回收管路，用于保证涡轮流量计的位置和状态与试车时一致，以所述质量流量计为标准，采用真实推进剂对涡轮流量计进行现场校准；在主管路出口端的异径管路高点处设置有高点排气装置，用于排放管路中的多余气体；在质量流量计入口端的异径管路低点处设置有低点排液装置，用于在排气过程中将气排空使液体完全充满主管路；所述推进剂回收管路与主管路串联，最终接至推进剂回收容器，推进剂回收容器用于储存排气过程和校准过程流过的推进剂。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下重要优化：

该常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统还设置有稳流系统(串联设置于主管路中)，用于将管路中的液体流量稳定到一个固定的水平。

上述稳流系统具体可采用不同口径的孔板来实现。

采用上述常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统的校准方法，包括以下步骤：

(1)对各管路分别进行气密性检查，对高点排气装置和低点排液装置进行检查；

(2)将推进剂主容器压力放空，阀门常开，推进剂主容器处于通空状态；

(3)采用真实推进剂，给推进剂主容器增压到设定压力，放液时间为10秒，记录流量数据；

(4)分多档调试流量调整范围，每档调试2～3次，以质量流量计为标准对涡轮流量计进行现场校准，校准后进行数据处理，对数据进行分析；每次调试前和调试后均对各管路进行检查；

(5)校准结束后将化验合格的推进剂泄回库房，并进行结束工作。

在液体发动机推进剂流量现场校准系统的校准工作结束后，将其中的质量流量计替换为工艺管，即可通过校准后的涡轮流量计测得液体发动机推进剂流量。

本发明具有以下优点：

1、综合利用两种类型流量计的优势，以质量流量计为标准，通过试车台提供真实推进剂，对涡轮流量计进行现场校准，使校准结果更加精确快捷，实现了发动机试验中流量的高精度测量。

2、使用真实推进剂进行流量计的现场校准，比使用水校准的结果更加适用于常规大型液体发动机热试车。

3、实现了系统减振、增压及主管路流量稳流，校准所使用的推进剂流量更加准确。

4、使用现成的大型液体发动机试车台的加注主管路系统，稍加改造即可实现一套涡轮流量计现场校准系统，并使用真实推进剂进行现场校准，校准后推进剂经过处理可以继续参加发动机试验，节省了大量费用。

5、为了确保发动机试验流量数据的可靠性，氧化剂路和燃料路一般各安装两台涡轮流量计进行流量数据的采集，在校准时使用一台质量流量计同时校验两台涡轮流量计，相比实验室标准校验流程，节省了大量时间，并通过两台涡轮流量计的校验数据之间的对比，可以确认传感器的好坏，以提高可靠性。

6、填补了目前常规大型液体发动机推进剂流量现场校准系统与技术的空白。

附图说明

图1为本发明试车台推进剂流量现场校准系统原理示意图。

图2为本发明试车台推进剂流量现场校准系统结构框图。

图2中标号说明：

1-氧化剂路低点放液系统；

2-氧化剂路质量流量计(试车时拆除，替换为工艺管)；

3-氧化剂路1号涡轮流量计；

4-氧化剂路2号涡轮流量计；

5-氧化剂路稳流系统；

6-氧化剂路高点排气系统；

7-燃料路低点放液系统；

8-燃料路质量流量计(试车时拆除，替换为工艺管)；

9-燃料路1号涡轮流量计；

10-燃料路2号涡轮流量计；

11-燃料路稳流系统；

12-燃料路高点排气系统。

具体实施方式

试车台推进剂流量现场校准系统组成原理如图1所示。在主管路中增加安装质量流量计，配置推进剂回收管路，保证涡轮流量计的位置与状态与试车时一致的条件下，通过推进剂主容器的压力调节控制，进行真实推进剂的冷调校准。质量流量计的测量原理为流量计内测量管振动频率与流体质量流量的正比关系，考虑试车台流量测量状态延续性、一致性与大型发动机试车时振动、噪音的影响，在试车间隙期，根据试车的次数频率，定期使用质量流量计对涡轮流量计进行真实介质的冷调，消除影响精度的因素。

试车台推进剂流量现场校准系统主要包括质量流量计系统、排气放液系统、稳流系统、试车台压力调节系统、推进剂回收系统。其中：

质量流量计精度为0.1％，综合使用频率与成本控制的因素，每两年在国家计量部门进行校准，为试车台流量校准提供量值传递依据。在质量流量计校准合格后使用真实推进剂进行试车台冷调，现场校准涡轮流量计，消除测量系统误差，提高流量测量精度，为常规发动机性能判读提供依据。

配置排气放液系统，是由于系统部分管路发生变化，为了防止推进剂充填过程管路中存在的气体影响质量流量计的测量精度，需在主管路出口端的异径管路高点处设置高点排气装置，便于排放管路中的多余气体；同时在排气过程中，为了管路完全将气排空，使液体完全充满主管路，需在质量流量计入口端异径管路低点处设置低点排液装置，接入系统主管路的排液管路中，最后流入推进剂收集容器。质量流量计安装之后，与系统原有涡轮流量计串联，共同测量系统中推进剂的流量。

配置稳流系统，是由于大管路液体流动无法做到稳定流量，故需配备稳流系统，主要采用不同口径的孔板来实现，将管路中的液体流量稳定到一个固定的水平，以提高涡轮流量计和质量流量计校准过程中的精度。

试车台压力调节系统为通过调整推进剂主容器的压力，调节管路中推进剂的流量，根据预定的流量范围，满足不同流量下的试验。保证涡轮流量计的位置与状态与试车时保持一致，给试车台主容器加注真实推进剂，通过试车台压力调节控制，覆盖发动机试验额定工况的流量范围，使用真实推进剂对涡轮流量计进行冷调，研究试车台现场校准涡轮流量计的工艺方法。完成流量校准与试车数据的积累，进行型号发动机试车数据对比分析，消除系统误差，提高流量测量精度。

配置推进剂回收系统，是由于在流量计现场校准过程中，需要大量的推进剂，为了节省成本和保证发动机试验中推进剂参数达标，建立推进剂回收容器，专门用于储存排气过程和校准过程流过的推进剂，回收的推进剂经过专业部门检测，确认达标后再充填回主容器中，确保发动机试验中推进剂的各项参数合格。

基于以上液体发动机推进剂流量现场校准系统的校准流程如下：

(1)对主容器、主管路和泵前管路分别进行气密性检查，氧化剂系统气密性压力1.4MPa，燃料系统气密性压力1.0MPa。对工艺系统的高点放气开关、低点排液开关进行排气检查。

(2)校准前将收集容器压力放空，阀门常开，收集容器处于通空状态。

(3)燃料、氧化剂供应系统分开校准，一种推进剂校准完成后，再进行另一种推进剂校准，由于氧化剂与燃料混合将会燃烧，故不能同时进行。

(4)给容器增压到一定压力，放液时间为10秒，对数据进行分析。

(5)流量调整范围按照氧化剂、燃料系统各四档进行调试，每档调试2～3次，校准后进行数据处理。

(6)每次校准前和校准后对调试试验的推进剂供应管路进行检查，确认无泄漏。

(7)校准结束后将化验合格的推进剂泄回库房，并进行结束工作。

在校准结束后，对试验系统进行检查，检查推进剂是否泄漏、固定件和支架等固定情况，并对过滤器进行拆除、分解，用酒精进行清洗干净，吹除后复装入系统。

依据QJ1229-87《液体火箭发动机稳态参数测量不确定度估计方法》与QJ1794-89《液体火箭发动机稳态流量测量不确定度估计方法》在试车台进行了调试，对以上校准系统的测量不确定度进行评估，得出不确定度。

目前经过试车台精度鉴定，流量测量误差来源主要包括：流量计校验误差、数据获得误差(频率测量误差、密度测量误差)、数据处理误差。流量总的标准偏差S、总的系统误差B见公式1、公式2：

式中：S₁—流量计校验偏差；

S₂—数据获得偏差；

S₃—数据处理偏差；

B₁—流量计校验误差；

B₂—频率量测量误差；

B₃—密度测量误差；

B_处—数据处理误差。

从公式(1)、公式(2)中可以看出，通过试车台流量现场校准系统，可以减少B₁、B₂、B₃三项误差，以提高流量计的校验精度，消除校准介质不同与密度测量引起的误差，有效提高试车台流量测量精度。

Claims

1.一种常规大型液体发动机推进剂流量现场校准方法，其特征在于，在试车间隙期基于试车台原有的推进剂主容器和涡轮流量计构建现场校准系统；该系统还包括串联在主管路上并位于所述推进剂主容器与涡轮流量计之间的质量流量计，并配置有压力调节系统和推进剂回收管路，用于保证涡轮流量计的位置和状态与试车时一致，以所述质量流量计为标准，采用真实推进剂对涡轮流量计进行现场校准；

在主管路出口端的异径管路高点处设置有高点排气装置，用于排放管路中的多余气体；在质量流量计入口端的异径管路低点处设置有低点排液装置，用于在排气过程中将气排空使液体完全充满主管路；

所述推进剂回收管路与主管路串联，最终接至推进剂回收容器，推进剂回收容器用于储存排气过程和校准过程流过的推进剂；

该现场校准方法包括以下步骤：

(3)采用真实推进剂，给推进剂主容器增压到设定压力，放液，记录流量数据；

(4)分多档调试流量调整范围，以质量流量计为标准对涡轮流量计进行现场校准，校准后进行数据处理，对数据进行分析；每次调试前和调试后均对各管路进行检查；

2.根据权利要求1所述的常规大型液体发动机推进剂流量现场校准方法，其特征在于：还包括稳流系统，用于将管路中的液体流量稳定到一个固定的水平。

3.根据权利要求2所述的常规大型液体发动机推进剂流量现场校准方法，其特征在于：所述稳流系统采用不同口径的孔板来实现。

4.一种常规大型液体发动机推进剂流量测量方法，其特征在于：先按照权利要求1所述的现场校准方法对涡轮流量计进行校准，然后将其中的质量流量计替换为工艺管，通过校准后的涡轮流量计测得液体发动机推进剂流量。