CN108061658A - 一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置 - Google Patents

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刘光培
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Abstract

本发明公开了一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，包括氧化剂供应系统、燃料供应系统和配气系统，所述氧化剂供应系统、燃料供应系统和配气系统的所有设备部件均集成安装于可移动的多个橇体内，发动机地面试验时，橇体间通过管路连接后组合使用。本发明通过将氧化剂系统、燃料系统和配气系统所有设备均安装于可移动的橇体内，不依赖固定场地，可实现公路运输。可在较大范围内调节燃料和氧化剂的流量，能够满足不同推力等级液体发动机的试车要求，具有结构紧凑、移动性好、通用性强的优点。

Description

一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置
技术领域
本发明属于液体发动机地面试验领域，具体涉及一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置。
背景技术
液体发动机试验是液体发动机研制工作的一个重要组成部分，试验数据作为依据用于修正数值仿真模型和发动机的改进设计。试验也是检验发动机生产工艺稳定性、确定发动机性能指标、评定发动机可靠性与寿命的方法。
液体发动机试验使用的推进剂(包括氧化剂和燃料)通常为易燃易爆的危险介质，且推进剂流量大、入口压力精度高、排放要求严格，为了满足要求，传统固定式液体发动机试车台配套有推进剂供应装置，是为发动机提供推进剂的全部设备的总称，分为氧化剂系统、燃料系统和配气系统，氧化剂和燃料系统管路及设备通常间隔一定的安全距离，以保障试验的安全性。氧化剂供应系统包括有氧化剂贮箱，燃料供应系统包括有燃料贮箱，利用高压气源通过多级减压和组合稳压装置分别给氧化剂贮箱和燃料贮箱增压，利用燃料和氧化剂供应管路输送燃料和氧化剂，在氧化剂贮箱、燃料贮箱与发动机之间压差的作用下氧化剂、燃料流入发动机燃烧室，混合反应燃烧，产生高温高压产物通过喷管喷出燃烧室产生推力，推进剂供应装置其设备占地面积大，需要依次经过选址、土建、施工、设备安装调试等过程，建造周期长，且造价高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，将氧化剂系统、燃料系统和配气系统所有设备均安装于可移动的橇体内，不依赖固定场地，具有结构紧凑、移动性好、通用性强的优点。
为了实现上述目的，本发明提供的一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，包括设置有氧化剂贮箱的氧化剂供应系统、设置有燃料贮箱的燃料供应系统和配气系统，利用高压气源通过多级减压和组合稳压装置分别给氧化剂贮箱和燃料贮箱增压，利用燃料和氧化剂供应管路输送燃料和氧化剂，在氧化剂贮箱、燃料贮箱与发动机之间压差的作用下氧化剂、燃料流入发动机，其特征在于：所述氧化剂供应系统、燃料供应系统和配气系统的所有设备部件均集成安装于可移动的多个橇体内，发动机地面试验时，橇体间通过管路连接后组合使用。
优选地，所述氧化剂贮箱和燃料贮箱的增压气体管路中安装缓冲罐和节流圈，高压气体依次流经减压器、缓冲罐、节流圈和氧化剂、燃料主阀后进入氧化剂贮箱和燃料贮箱。
优选地，所述燃料和氧化剂供应管路中安装变喉径汽蚀文氏管控制流量。
可选地，所述变喉径汽蚀文氏管通过法兰连接安装于燃料和氧化剂供应管路中，通过螺杆手动调节喉径大小。
可选地，所述燃料和氧化剂供应管路中安装音速喷嘴控制流量。
可选地，所述氧化剂、燃料可以是液氧/LNG、液氧/液氢、液氧/偏二甲肼、液氧/煤油、N2O4/偏二甲肼多种组合中的一种。
本发明通过将氧化剂系统、燃料系统和配气系统所有设备均安装于可移动的橇体内，不依赖固定场地，可实现公路运输。可在较大范围内调节燃料和氧化剂的流量，能够满足不同推力等级液体发动机的试车要求，具有结构紧凑、移动性好、通用性强的优点。
附图说明
图1为本发明的装置系统原理图；
图2为本发明的氧化剂供应系统和橇体装配示意图；
图3为本发明的燃料供应系统和橇体装配示意图。
图中：
101-氧化剂贮箱；102-加注阀A；103-液体手阀A；104-气动电磁阀A；105-质量流量计A；106-汽蚀文氏管A；107-气动电磁阀B；108-金属软管A；109-气动电磁阀C；110-压力传感器A；111-压力传感器B；112-手动泄压阀A；113-空气复热器A；114-液体过滤器A；115-绝热材料A。
201-燃料贮箱；202-加注阀B；203-液体手阀B；204-气动电磁阀D；205-质量流量计B；206-汽蚀文氏管B；207-气动电磁阀E；208-金属软管B；209-气动电磁阀F；210-压力传感器C；211-压力传感器D；212-手动泄压阀B；213-空气复热器B；214-液体过滤器B；215-绝热材料B。
301-气体手阀A；302-气体过滤器；303-气体手阀B；304-减压器A；305-缓冲罐A；306-节流圈A；307-气动电磁阀G；308-贮箱单向阀A；309-气体手阀C；310-减压器B；311-缓冲罐B；312-节流圈B；313-气动电磁阀H；314-贮箱单向阀B；315-气体手阀D；316-减压器C；317-仪表氮气储罐；318-气体手阀E；319-减压器D；320-增压气体管路；321-压力传感器E；322-压力传感器F；323-压力传感器G；324-压力传感器H；325-压力传感器I；326-吹除管路；327-气动电磁阀I；328-吹除单向阀A；329-气动电磁阀J；330-吹除单向阀B；401-发动机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例，如图1所示，本发明的装置系统原理图，图中右虚线框表示燃料供应系统2装配于一个橇体上组成了燃料供应系统橇(简称燃料橇)，图中左虚线框表示氧化剂供应系统1装配于另一个橇体上组成了氧化剂供应系统橇(简称氧化剂橇)，左、右虚线框交界部分的设备为配气系统3，即配气系统3的设备分散于氧化剂橇或燃料橇上。
氧化剂供应系统1和配气系统3部分单机设备(包括气体手阀A301、气体过滤器302、气体手阀B303、减压器A304、缓冲罐A305、节流圈A306、气动电磁阀G307、贮箱单向阀A308、气体手阀D315、减压器C316、仪表氮气储罐317、气体手阀E318、减压器D319、压力传感器E321、压力传感器F322、压力传感器H324、压力传感器I325、气动电磁阀I327、吹除单向阀A328)集成为氧化剂供应系统橇，其橇体结构见附图2所示。
燃料供应系统2和配气系统3部分单机设备(包括气体手阀C309、减压器B310、缓冲罐B311、节流圈B312、气动电磁阀H313、贮箱单向阀B314、压力传感器G323、气动电磁阀J329、吹除单向阀B330)集成为燃料供应系统橇，其橇体结构见附图3所示。
图1～3中缓冲罐A305和缓冲罐B311均为相同的缓冲罐，各自安装于氧化剂贮箱101和燃料贮箱201的增压气体管路中；节流圈A306和节流圈B312均为相同的节流圈，各自安装于氧化剂贮箱101和燃料贮箱201的增压气体管路中。高压气体依次流经减压器、缓冲罐、节流圈和氧化剂、燃料主阀后进入氧化剂贮箱101和燃料贮箱201。采用缓冲罐加节流圈组合的方式控制流量使得增压气体流量稳定，有效防止在大流量工况下的氧化剂贮箱101和燃料贮箱201压力超调问题，进而保证了进入发动机401头部的推进剂流量恒定。
氧化剂供应系统1主要作用为发动机401输送氧化剂介质。在使用前，首先对氧化剂贮箱101进行加注，由加注阀A102和手动泄压阀A112共同控制加注过程，A112的作用是在贮箱压力高于加注装置的压力时打开泄压，保证加注过程正常进行，A102可调节氧化剂的加注加速。在发动机401试车过程中，氧化剂介质经由液体过滤器A114、液体手阀A103、气动电磁阀A104、质量流量计A105、汽蚀文氏管A106、气动电磁阀B107和金属软管A108后进入发动机401头部。液体过滤器A114作用是防止多余物进入汽蚀文氏管A106和发动机401头部，造成流道堵塞；质量流量计A105用于监测氧化剂流量；汽蚀文氏管A106的作用是准确控制氧化剂的流量和阻隔下游压力波动传导至上游；气动电磁阀B107用于快速控制氧化剂介质的通断。发动机401试验结束后，先通过手动泄压阀A112卸掉氧化剂贮箱101内压力，然后通过气动电磁阀C109将管路内剩余的氧化剂排尽，氧化剂贮箱101和气动电磁阀C109排出的低温氧化剂经过空气复热器A113加热后集中处理，空气复热器A113用于对低温氧化剂气体进行加热，防止水蒸气由于降温凝结堵塞排气管口。在氧化剂贮箱101和汽蚀文氏管A106前的压力分别通过压力传感器A110、压力传感器B111进行监测。氧化剂供应系统1中与低温氧化剂接触的部件外壁包覆有绝热材料A115，用作低温推进剂的保冷。
燃料供应系统2组成与氧化剂供应系统1基本相同，具备燃料加注、供应及泄出功能。
燃料供应系统2包括燃料贮箱201、加注阀B202、液体手阀B203、气动电磁阀D204、质量流量计B205、汽蚀文氏管B206、气动电磁阀E207、金属软管B208、气动电磁阀F209、压力传感器C210、压力传感器D211、手动泄压阀门B212、空气复热器B213、液体过滤器B214以及绝热材料B215。燃料贮箱201出口连接液体过滤器B214入口，液体过滤器B214出口与液体手阀B203相连，液体手阀B203的另一端通过气动电磁阀D204连接质量流量计B205入口，质量流量计B205出口连接燃料汽蚀文氏管B206，汽蚀文氏管B206另一端通过气动电磁阀E207和金属软管B208连接发动机401头部。燃料贮箱201出口与液体手阀B203之间设置有加注阀B202，汽蚀文氏管B206和气动电磁阀E207之间设置有气动电磁阀F209。压力传感器C210设置在燃料贮箱201上方，压力传感器D211设置在质量流量计B205和汽蚀文氏管B206之间。试验结束后残液的通过泄压手动阀门B212和气动电磁阀F209流出后汇入至燃料排放总管经过空气复热器B213后排放到大气中。燃料供应系统1中与低温燃料接触的部件外壁包覆有绝热材料B215，用作低温推进剂的保冷。
图1～3中汽蚀文氏管A106和汽蚀文氏管B206均为相同的汽蚀文氏管，该汽蚀文氏管为变喉径汽蚀文氏管，用于高精度地控制进入发动机头部的推进剂流量，并且能够阻隔燃烧室压力震荡传导至供应管路；变喉径汽蚀文氏管通过法兰连接安装于燃料和氧化剂供应管路中，通过螺杆手动调节喉径大小。该变喉径汽蚀文氏管可用音速喷嘴代替。可根据发动机试验需要调节汽蚀文氏管或音速喷嘴的喉径，使得该套装置可以适应不同推力等级的发动机。
配气系统3在发动机401试验中向气动电磁阀提供启闭所需的仪表氮气、向推进剂贮箱(包括氧化剂贮箱和燃料贮箱)提供增压气体以及向发动机401提供吹除气体。气体手阀A301进口接高压氮气气源，出口与气体过滤器302连接，气体手阀A301控制高压气体来源，气体过滤器302保证气体的清洁度，压力传感器E321监测高压气源压强，当压力值小于6MPa时，需要更换气源。气体手阀D315控制仪表氮气来流，减压器C316将高压氮气降至5.0MPa，仪表氮气储罐317使气体得到充分的膨胀稳定，起稳压气压的作用。仪表氮气储罐317内的压力通过压力传感器H324进行监测。气体手阀B303控制氧化剂增压气体来流，氧化剂增压气体的压力通过减压器A304调节。气体手阀E318控制吹除气体来流，减压器D319将高压气体降至发动机401吹除所需的压力，吹除压力由压力传感器I325进行监测。气动电磁阀I327控制是否向发动机401氧化剂腔供应吹除气体，吹除单向阀A328保证单向导通性，防止管路中的氧化剂反向流入吹除管路中。气动电磁阀J329控制是否向发动机401燃料腔供应吹除气体，气体经吹除单向阀B330进入发动机401燃料腔。
发动机401试验时，氧化剂供应橇体与燃料供应橇体分开放置，燃料贮箱201所需的高压气体由高压氮气管路320接入，高压氮气管路320一端与气体过滤器302(位于氧化剂供应橇)连接，另一端与气体手阀C309(位于燃料供应橇)连接。燃料橇所需的吹除气体由吹除管路326接入，吹除管路326一端与减压器D319(位于氧化剂供应橇)连接，另一端与气动电磁阀J329(位于燃料供应橇)连接，即是橇体间通过管路连接后组合使用。
推进剂贮箱(包括氧化剂贮箱和燃料贮箱)增压应满足缓慢增压和使用过程压力恒定的原则。在减压器A304和氧化剂贮箱101之间设置有缓冲罐A305、节流圈A306、气动电磁阀G307和贮箱单向阀A308，通过采用缓冲罐A305和节流圈A306组合使用保证增压气流的稳定，缓冲罐A305可以使气体得到充分的膨胀稳定，起稳压气压的作用，节流圈A306尺寸需合理设计，孔径太小使得增压气体流量达不到贮箱中推进剂体积减小的速度，孔径太大使得气体流量过大造成贮箱压力超调。本装置使用的组合增压控制方式尤其适用于大流量推进剂供应，满足了贮箱迅速增压和推进剂恒定供应的要求。
本实施例中的装置由两个尺寸为5m(L)×2.8m(W)×2.8m(H)的橇体组成，橇体底座使用规格150mm×150mm的H型钢。系统所有部件均安装于橇体上，通过合理配重，保证橇体质心位于橇体中心位置。本装置的吊装和运输在空载状态下进行，吊装部位为橇体横梁上的四个轴式吊耳。在橇体底座安装4个万向轮，可实现该套装置在小范围的移动，试验时则锁紧制动。
本实施例中发动机401为双组元发动机，推力为量级为100kN，所用推进剂为液氧和液化天然气双组元推进剂，高压气源采用35MPa氮气。在试验中，成功采用该装置完成发动机地面试验，供给气压恒定，推进剂流量流量稳定，整个装置工作状况良好。
氧化剂、燃料双组元推进剂还可以是液氧/液氢、液氧/偏二甲肼、液氧/煤油、N2O4/偏二甲肼多种组合之一。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，包括设置有氧化剂贮箱(101)的氧化剂供应系统(1)、设置有燃料贮箱(201)的燃料供应系统(2)和配气系统(3)，利用高压气源通过多级减压和组合稳压装置分别给氧化剂贮箱(101)和燃料贮箱(201)增压，利用燃料和氧化剂供应管路输送燃料和氧化剂，在氧化剂贮箱(101)、燃料贮箱(201)与发动机之间压差的作用下氧化剂、燃料流入发动机，其特征在于：所述氧化剂供应系统(1)、燃料供应系统(2)和配气系统(3)的所有设备部件均集成安装于可移动的多个橇体(4)内，发动机地面试验时，橇体(4)间通过管路连接后组合使用。
2.根据权利要求1所述的用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，其特征在于：所述氧化剂贮箱(101)和燃料贮箱(201)的增压气体管路中安装缓冲罐和节流圈，高压气体依次流经减压器、缓冲罐、节流圈和氧化剂、燃料主阀后进入氧化剂贮箱(101)和燃料贮箱(201)。
3.根据权利要求1或2所述的用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，其特征在于：所述燃料和氧化剂供应管路中安装变喉径汽蚀文氏管控制流量。
4.根据权利要求3所述的用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，其特征在于：所述变喉径汽蚀文氏管通过法兰连接安装于燃料和氧化剂供应管路中，通过螺杆手动调节喉径大小。
5.根据权利要求1或2所述的用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，其特征在于：所述燃料和氧化剂供应管路中安装音速喷嘴控制流量。
6.根据权利要求1～5项中任一项所述的用于液体发动机地面试验的橇装推进剂供应装置，其特征在于：所述氧化剂、燃料可以是液氧/LNG、液氧/液氢、液氧/偏二甲肼、液氧/煤油、N2O4/偏二甲肼多种组合中的一种。
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