CN109342496A - 一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，属于真空输送管低温(液氢温区)绝热性能测试领域。本发明采用真实低温推进剂(液氢)进行测试，且待测真空输送管两端均与充满液氢的工装连接，与真空输送管在箭上的工作状态一致；氢气(液氢)具有易燃易爆的特点，然而在本发明提出的试验系统中液氢(液氢)与外界处于隔离状态，安全可靠；待测真空输送管下端连接冷屏，同时可对管路与工装连接的法兰进行绝热结构施工，最大程度减少了漏热影响；液氢加注导管带U型返水弯结构，避免液氢蒸汽由液氢加注导管中溢出。

Description

一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法

技术领域

本发明涉及一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，属于真空输送管低温(液氢温区)绝热性能测试领域。

背景技术

新一代运载火箭芯级液氢输送管均采用真空冷凝方案实现管路绝热。真空输送管主要由内管、外管两部分构成，同时包括补偿器、法兰等部件，以满足管路安装和补偿的需求。为了降低管壁热损耗、提高管路绝热性能，真空输送管内外管之间夹层须在使用前抽真空，并填充二氧化碳进行保护，形成双层真空管路结构。工作状态下，真空输送管内部充满液氢，外部为大气环境。

真空输送管的绝热性能直接影响发动机推进剂的品质：当输送管绝热性能欠佳时，液氢推进剂由贮箱经输送管运送至发动机的过程中会发生汽化，导致推进剂压力和燃烧过程的不稳定，进而影响发动机工作时的性能，甚至可能导致发射任务失利。因此，在真空液氢输送管的设计和研制过程中，必须对其绝热性能进行参数化描述与定量化研究。

直接测量真空输送管低温热力学参数较为困难，主要难点为：一、输送管真空腔是封闭结构，难以在真空腔内布置温度测点进行温度测量；二、真空输送管两端的法兰、补偿器等采用外绝热方案，上述部件的绝热性能与真空管部分存在显著差异，因而难以使用简单热力学模型描述整管绝热性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，针对现有管路低温绝热性能测试手段的不足，提供一种真空输送管低温(液氢温区)绝热性能测量试验技术手段，实现真空输送管在液氢温区下等效换热系数的定量表征。

本发明的技术解决方案是：一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，包括如下步骤：

S1，启动真空输送管低温绝热性能测量试验系统，关闭所述测量试验系统的所有阀门，对所述测量试验系统供电，准备液氢源；

S2，对液氢贮箱进行若干次氢气置换液氢贮箱内空气操作，直至所述液氢贮箱内的氢气纯度达到测量试验要求；然后对冷屏内空气进行吹除操作；

S3，依次向液氢加注槽和待测真空输送管中加注液氢，然后让液氢自然蒸发；待液氢加注槽和待测真空输送管内恢复常压时，重复此步骤，直至液氢加注槽和待测真空输送管中的氢气纯度达到测量试验要求；

S4，向液氢贮箱加注足量液氢，所述足量根据测量试验系统的容积确定；然后向待测真空输送管加注液氢；实时检测待测真空输送管的温度，待测真空输送管温度达到液氢温度后，停止加注；然后将冷屏加注满液氢；

S5，对所述待测真空输送管和液氢加注槽内加注液氢；当待测真空输送管加满且所述液氢加注槽内充入一定量液氢时停止加注；所述液氢加注槽的一定量液氢用于待测真空输送管内液氢存在蒸发时的补充，使待测真空输送管时刻处于充满状态；

S6，打开所述液氢加注槽上的流量阀，实时检测流量阀出口的氢气流量，获得一次待测真空输送管的绝热性能数据；

S7，重复S4～S6，获得多次待测真空输送管的绝热性能数据；计算所述多次待测真空输送管的绝热性能数据的平均值，得到所述待测真空输送管的绝热性能，测量试验结束。

进一步地，所述S2中氢气置换液氢贮箱内空气操作的包括如下步骤：

S21，打开加注阀和液氢贮箱阀门，向液氢贮箱内加注氢气，使液氢贮箱内压力高于液氢贮箱外；

S22，停止加注，让液氢自然蒸发；待液氢贮箱内外压力平衡时，再次向液氢贮箱内加注氢气；

S23，重复S21～S22；实时检测所述液氢贮箱内的氢气纯度，当所述液氢贮箱内的氢气纯度达到测量试验要求时，关闭加注阀和液氢贮箱阀门。

进一步地，所述S2中对冷屏内空气进行吹除操作包括如下步骤：

S31，打开氦气吹除阀、冷屏加注阀和冷屏调节阀，向冷屏内加注氦气，使冷屏内压力高于冷屏外；

S32，停止加注，待冷屏内外压力平衡时，再次向冷屏内加注氦气；

S33，重复S31～S32，实时检测所述冷屏内的氢气纯度，当所述冷屏内的氦气纯度达到测量试验要求时，关闭冷屏加注阀和冷屏调节阀。

进一步地，所述S3中向液氢加注槽中加注液氢包括如下步骤：

S41，打开导管加注阀，经过10s后关闭导管加注阀；

S42，打开真空排放阀，使蒸发的氢气从所述真空排放阀排放出去；当待液氢加注槽恢复常压时，关闭真空排放阀；

S43，重复S41～S42若干次。

进一步地，所述S3中向待测真空输送管中加注液氢包括如下步骤：

S51，打开导管加注阀，经过10s后关闭导管加注阀；

S52，打开旁流预冷阀，使蒸发的氢气从所述旁流预冷阀排放出去；当待测真空输送管恢复常压时，关闭旁流预冷阀；

S53，重复S51～S52若干次，当待测真空输送管中的氢气纯度达到测量试验要求时，关闭氦气吹除阀。

进一步地，所述S4中向液氢贮箱加注足量液氢包括如下步骤：打开加注阀和液氢贮箱阀门，往液氢贮箱加注足量液氢；液氢贮箱加注完成时，关闭加注阀。

进一步地，所述S4中向待测真空输送管加注液氢包括如下步骤：打开主切阀和旁流预冷阀，对待测真空输送管进行冷却；实时检测待测真空输送管的温度，待测真空输送管温度达到液氢温度30min后，关闭加注阀、旁流预冷阀。

进一步地，所述S4中将冷屏加注满液氢包括如下步骤：打开冷屏调节阀和冷屏加注阀，对冷屏进行液氢加注；将冷屏加注满后关闭冷屏加注阀。

进一步地，所述S5中对所述待测真空输送管和液氢加注槽内加注液氢包括如下步骤：打开真空排放阀和导管加注阀；当待测真空输送管加满且所述液氢加注槽内充入一定量液氢时关闭导管加注阀；同时实时监测待测真空输送管内腔压力，若所述内腔压力大于输送管压力阈值时，打开旁流预冷阀；当所述内腔压力降低为输送管压力阈值时，关闭旁流预冷阀。

进一步地，还包括测量试验结束后对测量试验系统的处理的如下步骤：打开旁流预冷阀，当待测真空输送管内的温度升高至液氢温度以上时，打开导管加注阀和氦气吹除阀，吹除待测真空输送管内氢气；待测真空输送管内温度达到200K以上时，关闭氦气吹除阀。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、试验边界条件真实。本发明系统采用真实低温推进剂(液氢)进行测试，且待测真空输送管(1)两端均与充满液氢的工装连接，与真空输送管在箭上的工作状态一致。

2、试验安全度高。氢气(液氢)具有易燃易爆的特点，然而在本发明提出的试验系统中液氢(液氢)与外界处于隔离状态，安全可靠。

3、有效避免了漏热、溢气因素的影响，试验结果更准确。待测真空输送管(1)下端连接冷屏(5)，同时可对管路与工装连接的法兰进行绝热结构施工，最大程度减少了漏热影响；液氢加注导管(4)带U型返水弯结构，避免液氢蒸汽由液氢加注导管(4)中溢出。

附图说明

图1为本发明所述真空输送管低温绝热性能测量系统示意图。

具体实施方式

一、真空输送管低温绝热性能参数化模型

考虑到真空管路低温绝热性能决定了管路内部与外部之间的热量交换速率，因此可采用热流量Q作为绝热性能的表征参数。热流量Q的定义为单位时间内由管路外部(常温)进入内部(液氢温度)的热量。该参量反映了管路整体的绝热性能，自然包括了法兰、补偿器等复杂结构处的热交换作用。

由于管路真空腔内难以布置温度测点，因而无法通过温度测试数据计算热流量Q。考虑到由管路外部进入其内部的热量会被管路内的液氢吸收，并使得液氢汽化，本专利提出了一种通过液氢蒸发率间接测量热流量Q的方法。具体而言，热流量Q可通过液氢蒸发率和汽化潜热γ按照下式计算得到：

其中液氢的汽化潜热γ是物理常数。

进而可计算真空输送管的等效换热系数

其中A为真空输送管外接触面积，ΔT为管路内外表面温度差。

二、真空输送管低温绝热性能测量试验系统和技术

为了实现上述参量的试验测量，本发明设计了真空输送管低温绝热性能测量试验系统，其结构如图1所示。图中：1为待测真空输送管；2为液氢加注槽；3为氢气收集导管；4为液氢加注导管；5为冷屏；6为流量计；7为水浴换热器；8为液氢贮箱；9为加注阀；10为液氢贮箱阀门；11为主切阀；12为氦气吹除阀；13为导管加注阀；14为冷屏加注阀；15为冷屏调节阀；16为真空排放阀；17为旁流预冷阀。

本发明通过如下技术方案实现真空输送管低温绝热性能测量：

待测真空输送管1上端连接液氢加注槽3。测量时将真空输送管1内部注满液氢，同时确保液氢加注槽3内有一定深度的液液氢。待测真空输送管1下端与冷屏5连接，确保管路边界处不会发生漏热。

试验时热量进入待测真空输送管1后使其内部液氢汽化，产生的氢气由氢气收集导管3排出，经过水浴换热器7后恢复至常温，由流量计6记录单位时间内排出氢气的体积，进而计算液氢蒸发率

与此同时，液氢由液氢加注槽3，经液氢加注导管4源源不断地进入待测真空输送管1内，确保管路时刻处于满液状态。液氢加注导管4末端设计为U型返水弯结构。该结构起液封的作用，可消除输液管溢气影响，确保由待测真空输送管1内部液氢汽化产生的氢气均由氢气收集导管3排出。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

本实施例使用图1所示的真空输送管低温绝热性能测量系统，对某型号运载火箭液氢输送管进行绝热性能测量。本实施例中待测真空输送管路外表面面积A＝1.02m2。具体试验操作步骤如下：

步骤S1：系统准备。启动测量系统，给流量计(6)，电磁阀9～17等供电，供操作气5MPa，对系统进行单元测试检查及流量计吹风检查。检查完毕后关闭所有阀门。

步骤S2：系统吹除和置换。进一步，步骤S2包含如下子步骤：

步骤S21：用氢气置换液氢贮箱8中的气体。

步骤S22：打开氦气吹除阀12。打开冷屏加注阀14和冷屏调节阀15。使用0.2MPa氦气对冷屏进行吹除，吹除时间3min。吹除完毕后关闭氦气吹除阀12、冷屏加注阀14和冷屏调节阀15。

步骤S23：打开导管加注阀13。10s后关闭导管加注阀13，打开真空排放阀16；气体排完后，关闭真空排放阀16。重复步骤S23共8次。

步骤S24：打开导管加注阀13。10s后关闭导管加注阀13，打开旁流预冷阀17，气体排完后，关闭旁流预冷阀17。重复步骤S24共7次。

步骤S3：管路加注预冷。进一步，步骤S3包含如下子步骤：

步骤S31：贮箱加注的同时，打开旁流预冷阀17，关闭真空排放阀16，对待测真空输送管1进行预冷，待测真空输送管1温度到达液氢温区30min后停止预冷。

本实施例温度测点布置于管路两侧端口内表面处，测点温度达到30K后保持30min后停止预冷。

步骤S32：打开冷屏调节阀15、主切阀11、冷屏加注阀14，对冷屏5进行加注。加注完成后关闭冷屏加注阀14。

步骤S33：打开真空排放阀16，打开导管加注阀13，对待测真空输送管1进行预冷和加注，待测真空输送管1加满后停止加注。预冷过程中监测待测真空输送管1内腔压力变化，保持内腔压力不大于0.2MPa。加注完成后关闭导管加注阀13。

本实施例加注过程中，待测管路内腔压力为0.2MPa。

步骤S4：液氢蒸发率测量。打开真空排放阀16，关闭旁流预冷阀17，打开流量阀18，观察流量计数据并记录。

步骤S5：再次进行管路预冷后，重复步骤S4进行多次试验。

本实施例共进行3次试验，收集氢气经过水浴换热器7后温度为304K，体积流量分别为2.75L/min、3.09L/min和4.08L/min，换算得到其质量流量分别为0.22g/min、0.25g/min和0.33g/min。考虑液氢汽化潜热为444.7J/g，计算热流量分别为1.63W、1.85W、2.45W。试验时管路内外表面温度差ΔT＝273K，使用热流量均值计算得到等效换热系数h＝0.0071W/(m2·K)。

步骤S6：试验后处理。打开旁流预冷阀17，关闭真空排放阀16，打开氦气吹除阀12，吹除出输送管内液氢。待导管内各温度测点均达到200K以上后停止吹除。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，启动真空输送管低温绝热性能测量试验系统，关闭所述测量试验系统的所有阀门，对所述测量试验系统供电，准备液氢源；

S2，对液氢贮箱(8)进行若干次氢气置换液氢贮箱(8)内空气操作，直至所述液氢贮箱(8)内的氢气纯度达到测量试验要求；然后对冷屏(5)内空气进行吹除操作；

S3，依次向液氢加注槽(2)和待测真空输送管(1)中加注液氢，然后让液氢自然蒸发；待液氢加注槽(2)和待测真空输送管(1)内恢复常压时，重复此步骤，直至液氢加注槽(2)和待测真空输送管(1)中的氢气纯度达到测量试验要求；

S4，向液氢贮箱(8)加注足量液氢，所述足量根据测量试验系统的容积确定；然后向待测真空输送管(1)加注液氢；实时检测待测真空输送管(1)的温度，待测真空输送管(1)温度达到液氢温度后，停止加注；然后将冷屏(5)加注满液氢；

S5，对所述待测真空输送管(1)和液氢加注槽(2)内加注液氢；当待测真空输送管(1)加满且所述液氢加注槽(2)内充入一定量液氢时停止加注；所述液氢加注槽(2)的一定量液氢用于待测真空输送管(1)内液氢存在蒸发时的补充，使待测真空输送管(1)时刻处于充满状态；

S6，打开所述液氢加注槽(2)上的流量阀(18)，实时检测流量阀(18)出口的氢气流量，获得一次待测真空输送管(1)的绝热性能数据；

S7，重复S4～S6，获得多次待测真空输送管(1)的绝热性能数据；计算所述多次待测真空输送管(1)的绝热性能数据的平均值，得到所述待测真空输送管(1)的绝热性能，测量试验结束。

2.根据权利要求1所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S2中氢气置换液氢贮箱(8)内空气操作的包括如下步骤：

S21，打开加注阀(9)和液氢贮箱阀门(10)，向液氢贮箱(8)内加注氢气，使液氢贮箱(8)内压力高于液氢贮箱(8)外；

S22，停止加注，让液氢自然蒸发；待液氢贮箱(8)内外压力平衡时，再次向液氢贮箱(8)内加注氢气；

S23，重复S21～S22；实时检测所述液氢贮箱(8)内的氢气纯度，当所述液氢贮箱(8)内的氢气纯度达到测量试验要求时，关闭加注阀(9)和液氢贮箱阀门(10)。

3.根据权利要求2所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S2中对冷屏(5)内空气进行吹除操作包括如下步骤：

S31，打开氦气吹除阀(12)、冷屏加注阀(14)和冷屏调节阀(15)，向冷屏(5)内加注氦气，使冷屏(5)内压力高于冷屏(5)外；

S32，停止加注，待冷屏(5)内外压力平衡时，再次向冷屏(5)内加注氦气；

S33，重复S31～S32，实时检测所述冷屏(5)内的氢气纯度，当所述冷屏(5)内的氦气纯度达到测量试验要求时，关闭冷屏加注阀(14)和冷屏调节阀(15)。

4.根据权利要求3所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S3中向液氢加注槽(2)中加注液氢包括如下步骤：

S41，打开导管加注阀(13)，经过10s后关闭导管加注阀(13)；

S42，打开真空排放阀(16)，使蒸发的氢气从所述真空排放阀(16)排放出去；当待液氢加注槽(2)恢复常压时，关闭真空排放阀(16)；

S43，重复S41～S42若干次。

5.根据权利要求4所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S3中向待测真空输送管(1)中加注液氢包括如下步骤：

S51，打开导管加注阀(13)，经过10s后关闭导管加注阀(13)；

S52，打开旁流预冷阀(17)，使蒸发的氢气从所述旁流预冷阀(17)排放出去；当待测真空输送管(1)恢复常压时，关闭旁流预冷阀(17)；

S53，重复S51～S52若干次，当待测真空输送管(1)中的氢气纯度达到测量试验要求时，关闭氦气吹除阀(12)。

6.根据权利要求5所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S4中向液氢贮箱(8)加注足量液氢包括如下步骤：打开加注阀(9)和液氢贮箱阀门(10)，往液氢贮箱(8)加注足量液氢；液氢贮箱(8)加注完成时，关闭加注阀(9)。

7.根据权利要求6所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S4中向待测真空输送管(1)加注液氢包括如下步骤：打开主切阀(11)和旁流预冷阀(17)，对待测真空输送管(1)进行冷却；实时检测待测真空输送管(1)的温度，待测真空输送管(1)温度达到液氢温度30min后，关闭加注阀(13)、旁流预冷阀(17)。

8.根据权利要求7所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S4中将冷屏(5)加注满液氢包括如下步骤：打开冷屏调节阀(15)和冷屏加注阀(14)，对冷屏(5)进行液氢加注；将冷屏(5)加注满后关闭冷屏加注阀(14)。

9.根据权利要求8所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，所述S5中对所述待测真空输送管(1)和液氢加注槽(2)内加注液氢包括如下步骤：打开真空排放阀(16)和导管加注阀(13)；当待测真空输送管(1)加满且所述液氢加注槽(2)内充入一定量液氢时关闭导管加注阀(13)；同时实时监测待测真空输送管(1)内腔压力，若所述内腔压力大于输送管压力阈值时，打开旁流预冷阀(17)；当所述内腔压力降低为输送管压力阈值时，关闭旁流预冷阀(17)。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种真空输送管低温绝热性能测量试验方法，其特征在于，还包括测量试验结束后对测量试验系统的处理的如下步骤：打开旁流预冷阀(17)，当待测真空输送管(1)内的温度升高至液氢温度以上时，打开导管加注阀(13)和氦气吹除阀(12)，吹除待测真空输送管(1)内氢气；待测真空输送管(1)内温度达到200K以上时，关闭氦气吹除阀(12)。