CN109238625A - 大流量高压氧气长时间供应系统 - Google Patents
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Abstract
大流量高压氧气长时间供应系统,包括N套充灌设备、M组存储设备和流量调节系统。每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器,每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀和一套供应阀,L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀;每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接,汽化器出口与M个充气阀连接;流量调节系统包括音速孔板、控制系统和减压阀;M套供应阀下游管路铺设至风洞加热器氧气管道入口;管路上依次设置有减压阀和音速孔板;控制系统与每组减压阀连接。本发明既满足了氧气流量可精确调节,又保证了高压氧气供应过程中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种大流量(大于20kg/s)高压(大于20MPa)氧气长时间供应系统,属于地面防热试验技术领域。
背景技术
高温燃气流超声速风洞是高超声速飞行器防热系统考核的重要设备之一,具有大功率、高热流等特点。燃气流超声速风洞试验系统主要包括能源供应系统、加热器、试验舱、扩压器、排气系统等。氧气煤油在加热器内燃烧产生高温高压燃气,通过超音速喷管形成满足需要的高温燃气,在试验舱内对模型进行考核,之后进过扩压器和排气系统排出。
氧气是强烈的氧化剂、助燃剂,随着压力、温度、浓度的升高,其助燃性也逐步提高。许多在大气中不可燃的材料会在富氧环境中燃烧,易燃材料会更容易点燃,且烧得更快。火灾会更迅速的蔓延,通常还会带有近似爆炸的效果。在空气中不起作用的火源在氧气系统中可以成为至关重要的起火因素。设计、建设氧气系统时需考虑氧气的危害性并减少事故的发生。
为保证煤油氧气稳定燃烧,高压氧气长时间可靠供应是风洞运行的先决条件。现有的氧气供应系统的流量很少有大于20kg/s的,也不能精确调节氧气流量,无法满足大流量长时间供应需要,且大流量供气过程中氧气的使用安全风险更高。燃气流超声速风洞工作时最高流量可达27.5kg/s,最长工作时间1000s,供应压力大于13MPa,这是目前氧气供应系统无法满足的。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供大流量高压氧气长时间供应系统,既满足了氧气流量可精确调节,又保证了高压氧气使用过程中的安全性。
本发明的技术解决方案是:大流量高压氧气长时间供应系统,包括N套充灌设备、M组存储设备和流量调节系统,每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器,每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀和一套供应阀,L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀;每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接,汽化器出口与M个充气阀连接;流量调节系统包括音速孔板、控制系统和减压阀;M套供应阀下游管路与风洞加热器氧气管道入口连接;管路上依次设置有减压阀和音速孔板;所述减压阀为多组并联形式,控制系统与每组减压阀连接,能够远程控制每组减压阀的出口压力。
每套供应阀包括一个主阀和一个旁通阀,所述主阀和旁通阀并联,旁通阀通径小于主阀通径。
所述主阀采用一体式直通型、“高进低出”结构,中腔为内压自密封结构,并采用双重防转机构。
所述音速孔板喉道截面积A*通过如下公式确定:
其中,为氧气供应流量,C=0.04248,R=259.8,T0为环境温度,P0为减压阀出口压力。
所述每组减压阀包括一个主减压阀、一个比例减压阀和一个电子压力控制器;控制系统通过电子压力控制器调节比例减压阀压力,通过比例减压阀控制主减压阀的出口压力,实现三级控制。
减压阀入口及出口分别设置阻火段。
在每个充气阀和对应的L个氧气储罐之间设置有第一放空阀,当储罐内的压力低于2MPa时,利用第一放空阀进行低压氧气排气操作;
M套供应阀和减压阀之间设置有第二放空阀,与第二放空阀连接的排气管道上设置有节流孔板,当供应系统压力为2-21MPa时,利用第二放空阀进行高压氧气排气操作。
所述节流孔板喉道截面积A*通过如下公式确定:
其中A为排气管道通径,C=0.04248,R=259.8,T0为环境温度,u为排气管道流速。
所述供应系统工作流程如下:
(1)风洞试验前,低温泵将来自液氧储罐的液氧充入汽化器产生氧气,然后通过充气管道充入多组氧气储罐,为长时间供应提供所需的氧气;
(2)试验时,控制系统对减压阀出口压力进行调节,在音速孔板的节流作用下,保证氧气的供应流量满足设计要求;
(3)氧气长时间供应过程中,针对氧气流量随氧气温度的降低而增加问题,利用控制系统对减压阀出口压力进行微调,保证氧气流量不变;
(4)试验结束后,对高压氧气进行排气;
所述步骤(3)中,控制系统对减压阀出口压力进行微调的依据为氧气长时间供应过程中减压阀出口氧气温度的变化,其中温度变化曲线通过调试过程获得,具体方法为:调试过程中,在所述供应系统氧气储罐中充入氮气,供应过程中全程记录减压阀出口处的温度,获得温度变化曲线。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明通过多组存储设备同时供应、三组减压阀同时工作,
实现大流量长时间供气。
(2)本发明氧气储罐、充气阀、供应阀的设计压力为25MPa,
实现高压氧气供应。
(3)本发明充气阀、供应阀的阀体、阀瓣采用蒙乃尔合金,减压阀入口及出口分别设置阻火段,以及系统建立过程中对清洁度的控制,都保证了高压氧气供应过程中的安全性。
(4)本发明控制系统通过三级控制,实现对减压阀出口处的压力调节,实现对大流量的调节,同时能够根据温度变化对减压阀出口压力进行微调,保证了长时间供应过程中氧气流量的稳定性,实现了氧气流量的精确调节。
附图说明
图1为本发明供应系统局部示意图;
图2为三级控制示意图。
具体实施方式
大流量高压氧气供应系统作为能源系统的重要组成部分,包括液氧管路和氧气管路,由液氧储罐、低温泵、汽化器、氧气储罐、减压阀、管路及其连接件等组成。氧气供应系统压力范围:13MPa~21Mpa,最大流量27.5kg/s,并需要实现流量可调节。
本发明的高压氧气供应系统,既满足了氧气流量可调,又保证了高压氧气供应过程中的安全性。
如图1所示,包括N套充灌设备、M组存储设备和流量调节系统,每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器,每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀、一套供应阀,L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀;每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接,汽化器出口与M个充气阀连接;流量调节系统包括音速孔板、控制系统以及多组并联的减压阀(如3组);M套供应阀的下游管路铺设至风洞加热器氧气管道入口;管路上依次设置有多组并联的减压阀和音速孔板;控制系统与每组减压阀连接,用于远程控制减压阀的出口压力。N、M、L均为大于等于1的自然数。
每套供应阀包括一个主阀和一个旁通阀,所述主阀和旁通阀并联,旁通阀通径小于主阀通径。旁通阀通径小于10mm。
主阀采用一体式直通型、“高进低出”结构,中腔为内压自密封结构,并采用双重防转机构。
音速孔板喉道截面积A*满足通过如下公式确定:
其中,为氧气供应流量,C=0.04248,R=259.8,T0为环境温度,P0为减压阀出口压力。
每组减压阀包括一个主减压阀、一个比例减压阀和一个电子压力控制器(ER3000);控制系统通过电子压力控制器调节比例减压阀压力,通过比例减压阀控制主减压阀的出口压力,实现三级控制。
减压阀入口及出口分别设置阻火段。
考虑氧气使用安全和排气时间,提出了高压氧气、低压氧气分别通过不同的管道进行排气的方法。如图1所示,在每个充气阀和对应的L个氧气储罐之间设置有第一放空阀,当储罐内的压力低于2MPa时,可用第一放空阀进行低压氧气排气操作;
M套供应阀和减压阀之间设置有第二放空阀,与第二放空阀连接的排气管道上设置有节流孔板,当供应系统压力为2-21MPa时,可用此放空阀进行高压氧气排气操作。
节流孔板喉道截面积A*满足如下公式:
其中A为排气管道通径,u为排气管道流速。对于高压管道,流速限值为4.5m/s,由此可得管道通径与孔板喉道面积比为42.5,直径比为6.5。
本发明氧气储罐、充气阀、供应阀的设计压力为25MPa。
本发明中各组存储设备包括的氧气储罐数目也可以不一样。不影响本发明功能的实现。
本发明中,M组存储设备可以同时工作,也可以部分工作。供应系统工作流程如下:
(1)风洞试验前,低温泵将来自液氧储罐的液氧充入汽化器产生氧气,然后通过充气管道充入多组氧气储罐,为长时间供应提供所需的氧气;每组氧气罐出口设置DN150高压氧气阀门,同时在系统建立过程中对各组成部件进行脱油脱脂、氮气吹扫,以保证阀门开启过程中的安全性。
(2)试验时,首先打开旁通阀,使上下游压力平衡,然后打开主阀,控制系统采用三级控制模式,对减压阀出口压力进行调节,在音速孔板的节流作用下,保证氧气的供应流量满足设计要求。
(3)氧气长时间供应过程中,针对氧气流量随氧气温度的降低而增加问题,利用控制系统对减压阀出口压力进行微调;控制系统对减压阀出口压力进行微调的依据为氧气长时间供应过程中减压阀出口氧气温度的变化,长时间供应过程中温度的变化曲线可通过调试过程获得,具体方法为:调试过程中,在所述供应系统氧气储罐中充入氮气,供应过程中全程记录减压阀出口处的温度。
(4)试验结束后,采用第二放空阀(与该放空阀连接的排气管道上设置有节流孔板)对高压氧气进行排气,保证氧气管道内的流速满足安全标准,采用充气阀和对应的L个氧气储罐之间的第一放空阀对低压氧气进行排气。
本发明氧气供应系统实现了氧气流量实时调节,能够保证氧气使用过程中的安全性。在国家重点建设项目高温燃气流风洞试验台的热试过程中,应用本发明供应系统进行高压氧气的贮存、使用,过程中的安全性得到了进一步的验证,氧气供应流量偏差小于3%。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:包括N套充灌设备、M组存储设备和流量调节系统,每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器,每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀和一套供应阀,L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀;每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接,汽化器出口与M个充气阀连接;流量调节系统包括音速孔板、控制系统和减压阀;M套供应阀下游管路与风洞加热器氧气管道入口连接;管路上依次设置有减压阀和音速孔板;所述减压阀为多组并联形式,控制系统与每组减压阀连接,能够远程控制每组减压阀的出口压力。
2.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:每套供应阀包括一个主阀和一个旁通阀,所述主阀和旁通阀并联,旁通阀通径小于主阀通径。
3.根据权利要求2所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:所述主阀采用一体式直通型、“高进低出”结构,中腔为内压自密封结构,并采用双重防转机构。
4.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:所述音速孔板喉道截面积A*通过如下公式确定:
其中,为氧气供应流量,C=0.04248,R=259.8,T0为环境温度,P0为减压阀出口压力。
5.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:所述每组减压阀包括一个主减压阀、一个比例减压阀和一个电子压力控制器;控制系统通过电子压力控制器调节比例减压阀压力,通过比例减压阀控制主减压阀的出口压力,实现三级控制。
6.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:减压阀入口及出口分别设置阻火段。
7.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:在每个充气阀和对应的L个氧气储罐之间设置有第一放空阀,当储罐内的压力低于2MPa时,利用第一放空阀进行低压氧气排气操作;
M套供应阀和减压阀之间设置有第二放空阀,与第二放空阀连接的排气管道上设置有节流孔板,当供应系统压力为2‐21MPa时,利用第二放空阀进行高压氧气排气操作。
8.根据权利要求7所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:所述节流孔板喉道截面积A*通过如下公式确定:
其中A为排气管道通径,C=0.04248,R=259.8,T0为环境温度,u为排气管道流速。
9.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:所述供应系统工作流程如下:
(1)风洞试验前,低温泵将来自液氧储罐的液氧充入汽化器产生氧气,然后通过充气管道充入多组氧气储罐,为长时间供应提供所需的氧气;
(2)试验时,控制系统对减压阀出口压力进行调节,在音速孔板的节流作用下,保证氧气的供应流量满足设计要求;
(3)氧气长时间供应过程中,针对氧气流量随氧气温度的降低而增加问题,利用控制系统对减压阀出口压力进行微调,保证氧气流量不变;
(4)试验结束后,对高压氧气进行排气。
10.根据权利要求9所述的大流量高压氧气长时间供应系统,其特征在于:所述步骤(3)中,控制系统对减压阀出口压力进行微调的依据为氧气长时间供应过程中减压阀出口氧气温度的变化,其中温度变化曲线通过调试过程获得,具体方法为:调试过程中,在所述供应系统氧气储罐中充入氮气,供应过程中全程记录减压阀出口处的温度,获得温度变化曲线。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190118 |