CN109538941B - 卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统及增压方法，为了解决氦气在低压下快速增压的技术问题，本发明的增压系统包括一级增压泵、第一级驱动气管路、二级增压泵、第二级驱动气管路及旁路辅助增压管路；一级增压泵适用于低压力输入工况工作；第一级驱动气管路用于一级增压泵的驱动；二级增压泵适用于高压力输入工况工作；二级增压泵串联设置在一级增压泵的输出端；辅助增压管路包括第一辅助增压管路及第二辅助增压管路；第一辅助增压管路与一级增压泵并联设置；第二辅助增压管路的输入端与一级增压泵的输出端连接，输出端与二级增压泵的输出端连接。本发明增压系统及方法能够提高瓶装氦气的使用率及增压效率。

Description

卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统及方法

技术领域

本发明是一种应用于卫星姿控发动机介质供应系统中阀门氦气特性试验的增压系统及增压方法。

背景技术

卫星姿控发动机普遍采用冷气作动力，为了提高比冲，一般选用氦气作为介质，然而较之压缩空气和氮气，氦气的分子量很小，对阀门的动作特性、密封性都有着较严苛的要求，因此，必须进行氦气特性试验，验证阀门的性能。

随着氦气在航天器组件的气体特性和密封性等试验领域中广泛使用，对试验指标的要求也逐渐提高，目前试验压力已提高到45MPa。由于使用的氦气均为瓶装氦气，规格为14MPa/40L，因此，必须使用增压装置将低压氦气增压至高压，以满足试验要求。采用传统增压方法增压时，每当瓶装氦气的压力降至4MPa以下，系统的增压速率就大幅度下降，严重影响了试验的效率，需要更换氦气瓶，这样造成了氦气的浪费。

发明内容

为了解决氦气在低压下增压速率慢的技术问题，本发明提供一种卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统及增压方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明的一种卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，包括一级增压泵M1及第一级驱动气管路；所述第一级驱动气管路用于一级增压泵M1的驱动；其特殊之处在于：

所述一级增压泵M1适用于低压力输入工况工作；

还包括二级增压泵M2、第二级驱动气管路及旁路辅助增压管路；

所述二级增压泵M2适用于高压力输入工况工作；所述二级增压泵M2串联设置在一级增压泵M1的输出端；所述第二级驱动气管路用于驱动二级增压泵M2；

所述辅助增压管路包括第一辅助增压管路及第二辅助增压管路；

所述第一辅助增压管路与一级增压泵M1并联设置；所述第二辅助增压管路的输入端与一级增压泵M1的输出端连接，输出端与二级增压泵M2的输出端连接。

进一步地，还包括第一主动超压反馈保护回路，其包括第一气控阀门K3和第一高压气控开关K5，所述第一气控阀门K3为常闭式阀门，所述第一气控阀门K3与第一级驱动气管路串联，用于控制一级增压泵M1的驱动；

所述第一高压气控开关K5包括入口、出口及控制口，其控制口与一级增压泵M1的输出端连通，其出口与第一气控阀门K3的控制口连通，其入口输入低压控制气体。

进一步地，还包括第二主动超压反馈保护回路，其包括第二气控阀门K10和第二高压气控开关K12，所述第二气控阀门K10为常闭式阀门，所述第二气控阀门K10与第二级驱动气管路串联，用于控制二级增压泵M2的驱动；

所述第二高压气控开关K12包括入口、出口及控制口，所述第二高压气控开关K12的控制口与二级增压泵M2的输出端连通，所述第二高压气控开关K12的出口与第二气控阀门K10的控制口连通；所述第二高压气控开关K12的入口输入控制气体。

进一步地，第一辅助增压管路包括从输入端至输出端依次设置的压力表P3、两位两通气控截止阀K14、单向阀D2及压力表P4；

所述第二辅助增压管路的输入端与第一填充管压力表P4之后的管路连通；

所述第二辅助增压管路从输入端至输出端依次设置有两位两通气控截止阀K16、单向阀D3及压力表P5。

进一步地，所述第一级驱动气管路和第二级驱动气管路的结构相同；

所述第一级驱动气管路包括两位两通气控球阀K1、减压阀J1、电子减压器ER5000、两位两通电磁阀K2、压力表P1及两位两通气控球阀K4；

所述两位两通气控球阀K1、减压阀J1及两位两通气控球阀K4依次串联设置；

所述电子减压器ER5000与减压阀连接，用于减压阀J1的调节；

所述压力表P1设置在减压阀J1的输出端，用于减压阀J1的输出端压力测量；

所述两位两通电磁阀K2设置在减压阀J1的输出端，用于泄压。

进一步地，所述第一级驱动气管路还包括过滤器G1，所述过滤器G1与减压阀J1串联，且位于减压阀J1出口端。

进一步地，所述一级增压泵M1的输入端、一级增压泵M1的输出端及二级增压泵M2的输出端均设置有安全阀。

进一步地，还包括缓冲气瓶RQ1和缓冲气瓶RQ2，所述缓冲气瓶RQ1串联设置在一级增压泵M1的输出端与第一高压气控开关K5入口之间；

所述缓冲气瓶RQ2串联设置在二级增压泵M2的输出端与第二高压气控开关K12入口之间。

同时，本发明还提供了一种卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1）预增压

在初始增压时，通过旁路辅助增压管路将待增压氦气输送至一级增压泵M1的输出端，当一级增压泵M1输出端的压力与待增压氦气的输出压力平衡时，再将待增压氦气填充至一级增压泵M1的工作介质输入端；

2）一级增压

打开第一驱动气管路，待第一驱动气管路输出端压力稳定后，将驱动气填充至一级增压泵M1的驱动端，一级增压泵M1工作，对输入的氦气增压；

3）二级增压

3.1）当一级增压泵M1的出口压力达到稳定状态时，将一级增压泵M1增压后的氦气通过旁路辅助增压管路填充至二级增压泵M2的输出端；当一级增压泵M1出口与二级增压泵M2出口的压力达到平衡时，将一级增压泵M1增压后的氦气填充至二级增压泵M2的工作介质输入端；

3.2）打开第二驱动气管路，待第二驱动气管路出口端压力稳定后，将第二驱动气管路输出的驱动气填充至二级增压泵M2的驱动端，二级增压泵M2工作，对输入的氦气增压，使二级增压泵M2的出口压力达到稳定状态时，增压氦气输出至下游系统。

进一步地，在步骤2）的进行中还包括超压保护的步骤，具体为：

当一级增压泵M1输出端的压力达到一定值时，利用一级增压泵M1出口压力打开第一高压气控开关K5，低压控制气流经第一高压气控开关K5作用至第一气控阀门K3的控制口，第一气控阀门K3动作，由常闭状态切换至常开状态，切断一级增压泵M1驱动气源的供给，一级增压泵M1停止工作；

当一级增压泵M1输出端的压力降低到一定值以下时，第一高压气控开关K5关闭，切断了第一气控阀门K3的低压控制气，第一气控阀门K3由常开状态切换至常闭状态，一级增压泵M1驱动气源恢复供给，一级增压泵M1开始工作；

在步骤3）的进行中还包括超压保护的步骤，具体为：

当二级增压泵的出口压力P5超过一定值时，利用二级增压泵M2出口压力打开第二高压气控开关K12打开，低压控制气流经第二高压气控开关K12作用至第二气控阀门K10的控制口，第二气控阀门K10由常闭状态切换至常开状态，切断二级增压泵M2驱动气源的供给，二级增压泵M2停止工作；

当二级增压泵的出口压力P5降至一定值时，第二高压气控开关K12关闭，切断了第二气控阀门K10的低压控制气，第二气控阀门K10关闭，由常开状态切换至常闭状态，二级增压泵M2的驱动气源恢复供给，二级增压泵M2开始工作。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统及增压方法，通过将适用于低输入压力工况及适用于高压力工况的两台增压泵串联，使得增压系统即能适应低压输入工况，又能够满足高压输出的要求，该增压系统及方法有效解决了低压输入与流量输出之间的矛盾，能够提高瓶装氦气的使用率，且能保证较大的氦气增压输出流量。

2、本发明的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统及方法，通过设置旁路辅助增压管路及超压反馈保护回路，解决传统增压效率低、增压装置寿命短、瓶装氦气利用率低、高压安全防护不可靠的缺点，提高了瓶装氦气利用率，降低了试验成本，提高试验效率。

附图说明

图1是本发明低压氦气大流量增压系统的原理图；

图2是本发明实施例低压氦气大流量增压系统的结构图；

图3是本发明实施例低压氦气大流量增压系统压力随时间的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，本发明的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，包括一级增压泵M1及第一级驱动气管路、二级增压泵M2及第二级驱动气管路、辅助增压管路、第一主动超压反馈保护回路及第二主动超压反馈保护回路，第一级驱动气管路用于一级增压泵M1的驱动；一级增压泵M1适用于低压力输入工况工作；二级增压泵M2适用于高压力输入工况工作；二级增压泵M2串联设置在一级增压泵M1的输出端；第二级驱动气管路用于驱动二级增压泵M2；辅助增压管路包括第一辅助增压管路及第二辅助增压管路；第一辅助增压管路与一级增压泵M1并联设置；第二辅助增压管路的输入端与一级增压泵M1的输出端连接，输出端与二级增压泵M2的输出端连接；一级增压泵M1及二级增压泵M2均为气驱气体增压泵。第一主动超压反馈保护回路包括第一气控阀门K3和第一高压气控开关K5，第一气控阀门K3为常闭式阀门，第一气控阀门K3与第一级驱动气管路串联，用于控制一级增压泵M1的驱动；第一高压气控开关K5包括入口、出口及控制口，第一高压气控开关K5的控制口与一级增压泵M1的输出端连通，第一高压气控开关K5的出口与第一气控阀门K3的控制口连通；第一高压气控开关K5的入口输入控制气体。第二主动超压反馈保护回路包括第二气控阀门K10和第二高压气控开关K12，第二气控阀门K10为常闭式阀门，第二气控阀门K10与第二级驱动气管路串联，用于控制二级增压泵M2的驱动；第二高压气控开关K12包括入口、出口及控制口，第二高压气控开关K12的控制口与二级增压泵M2的输出端连通，第二高压气控开关K12的出口与第二气控阀门K10的控制口连通；第二高压气控开关K12的入口输入控制气体。

本发明的系统原理说明如下：

（1）在增压系统中引入旁路辅助增压管路的预增压方法

在增压系统中引入旁路辅助增压管路。在初始增压时，由于系统输出端为常压状态，在系统的输入和输出之间会存在较大的压差，若直接通过增压泵进行充填，会造成泵内流速过高，从而加速单向阀的磨损。本系统设计了旁路辅助增压管路，在初始增压时，首先启动旁路辅助增压管路直接将瓶装氦气压力输送至系统（一级增压泵）输出端，此过程不经过增压泵，消除了增压系统中泵内单向阀高压差下的工作过程，大幅度提高了单向阀的寿命，从而提高了增压系统的使用寿命。

（2）采用两级串联式气体增压方法

为解决瓶装氦气利用率的问题，采用两级串联式气体增压方法，核心是两台气驱气体增压泵，根据不同型号增压泵的压力-流量特性合理设计增压系统。第一级增压采用低压力氦气输入工况工作性能较好的增压泵，输入接工作介质，压力0.5MPa～14MPa，增压输出压力20MPa～30MPa，增压比最高30:1，同时保证较高的流量；第二级增压采用高压力氦气输入工况工作性能较好的增压泵，输入接第一级增压泵的输出，压力20MPa～30MPa，增压输出压力≥70MPa，增压比最高5:1，同时保证较高的流量。该增压方法可有效解决低压输入、大流量输出的矛盾，能够提高瓶装氦气的使用率，且能保证较大的氦气增压输出流量。

（3）主动超压反馈保护回路方法

传统增压系统采用安全阀作为高压泄压防护装置，一般设置在系统输出端，此类防护属于被动防护机构。当增压泵输出压力超出安全压力时，安全阀打开释放过载气体，但增压系统的驱动气输入端不会因为出口压力超出安全范围而主动停止，仍然会源源不断的输出高压气体，这种情况极易带来超压二次伤害。本发明的超压保护方法采用了主动超压反馈保护回路，在增压泵驱动气的主路设置常闭式气控阀门，作为驱动气的控制元件，在增压泵输出端设置高压气控开关，以高压气控开关为感应元件，通过预置弹簧力调节高压气控开关的动作点，高压气控开关控制口接增压泵输出路，入口接低压控制气，出口与驱动气控制路的气控阀门的控制气口连接，当增压泵的输出压力超过高压气控开关的预设压力时，高压气控开关动作闭合，将入口的低压控制气直接作用到驱动气路的气控球阀的控制端，气控球阀动作闭合，达到切断驱动气控制路的目的，从而使气体增压泵失去动作能源停止工作，从而防止了继续增压引入的二次伤害。

图2为本发明增压系统的一个实施例。以下结合该实施例对本发明的增压方法进行详细说明。

增压流程：

打开两位两通气控截止阀K14，工作介质流经单向阀D1、气体过滤器G3、两位两通气控截止阀K14、单向阀D2直接充填至一级增压泵M1的出口，当压力P3与P4平衡后，打开两位两通气控截止阀K15，工作介质流经单向阀D1、气体过滤器G3、两位两通气控截止阀K15充填至M1增压泵的工作介质输入端。

打开两位两通气控球阀K1，1.6MPa的驱动气源流经两位两通气控球阀K1充填至减压阀J1入口，通过电子减压器ER5000调节J1，保证J1的出口压力P1为0.8MPa，当压力P1稳定后，打开两位两通气控球阀K4，驱动气源流经气体过滤器G1、第一气控阀门K3、两位两通气控球阀K4充填至一级增压泵的驱动端，此时，一级增压泵获得压力能源，驱动活塞运动，一级增压泵M1开始工作，当一级增压泵M1的出口压力P4达到30MPa左右或不再上升时，打开两位两通气控截止阀K16，工作介质流经单向阀D3直接充填至二级增压泵M2的出口，当压力P4与P5平衡后，打开两位两通气控截止阀K7，工作介质流经两位两通气控截止阀K7充填至二级增压泵M2的工作介质输入端；

打开两位两通气控球阀K8，驱动气源流经两位两通气控球阀K8充填至减压阀J2入口，通过电子减压器ER5000调节J2，保证J2的出口压力P2为0.8MPa，当压力P2稳定后，打开两位两通气控球阀K11，驱动气源流经气体过滤器G2、第二气控阀门K10、两位两通气控球阀K11充填至二级增压泵M2的驱动端，此时，二级增压泵M2获得压力能源，驱动活塞运动，二级增压泵M2开始工作，当二级增压泵M2的出口压力P5达到60MPa左右或不再上升时，经过两级增压的高压压缩气体流经气体过滤器G4输出至下游系统。

卸压流程：

关闭两位两通气控球阀K1、两位两通气控球阀K4、两位两通气控球阀K8、两位两通气控球阀K11，通过电子减压器ER5000调节减压阀J1、减压阀J2至初始状态，打开两位两通电磁阀K2、两位两通电磁阀K9，给增压泵驱动气路卸压。

关闭两位两通气控截止阀K14、两位两通气控截止阀K15、两位两通气控截止阀K16、两位两通气控截止阀K7，打开两位两通气控截止阀K6、两位两通气控截止阀K13，给增压泵出口卸压。

系统卸压完成后，关闭两位两通电磁阀K2、两位两通电磁阀K9、两位两通气控截止阀K6、两位两通气控截止阀K13，使系统处于初始状态。

系统超压保护工作流程：

一级增压泵M1在工作时，若一级增压泵M1的出口压力P4超过30MPa时，则第一高压气控开关K5打开，低压控制气流经第一高压气控开关K5作用至第一气控阀门K3的控制口，第一气控阀门K3动作，由常闭状态切换至常开状态，切断驱动气源的供给，一级增压泵M1停止工作。当P4压力降至30MPa以下时，第一高压气控开关K5关闭，切断了低压控制气，第一气控阀门K3关闭，由常开状态切换至常闭状态，驱动气源恢复供给，一级增压泵M1开始工作。

二级增压泵M2在工作时，若二级增压泵M2的出口压力P5超过60MPa时，则第二高压气控开关K12打开，低压控制气流经第二高压气控开关K12作用至第二气控阀门K10的控制口，第二气控阀门K10动作，由常闭状态切换至常开状态，切断驱动气源的供给，二级增压泵M2停止工作。当P5压力降至60MPa以下时，第二高压气控开关K12关闭，切断了低压控制气，第二气控阀门K10关闭，由常开状态切换至常闭状态，驱动气源恢复供给，二级增压泵M2开始工作。

本实施例中第一气控阀门K3、第二气控阀门K10为两位三通气控球阀，第一高压气控开关K5、第二高压气控开关K12为两位两通气控阀。

本发明的增压方法可以有效地提高氦气使用率，将氦气的使用压力降低至1MPa以下，实现氦气在1MPa以下的低压状态时能够快速的增压至45MPa以上的压力，并且能够保证2L/min以上的增压速率，大幅度降低试验成本、提高试验效率。图3所示是本发明实施例低压氦气大流量增压系统压力随时间的变化曲线图，从图中可以看出，整个增压过程所需的时间是21min。

Claims (10)

1.一种卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，包括一级增压泵及第一级驱动气管路；所述第一级驱动气管路用于一级增压泵的驱动；其特征在于：

所述一级增压泵适用于低压力输入工况工作；

还包括二级增压泵、第二级驱动气管路及旁路辅助增压管路；

所述二级增压泵适用于高压力输入工况工作；所述二级增压泵串联设置在一级增压泵的输出端；所述第二级驱动气管路用于驱动二级增压泵；

所述辅助增压管路包括第一辅助增压管路及第二辅助增压管路；

所述第一辅助增压管路与一级增压泵并联设置；所述第二辅助增压管路的输入端与一级增压泵的输出端连接，第二辅助增压管路的输出端与二级增压泵的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

还包括第一主动超压反馈保护回路，其包括第一气控阀门和第一高压气控开关，所述第一气控阀门为常闭式阀门，所述第一气控阀门与第一级驱动气管路串联，用于控制一级增压泵的驱动；

所述第一高压气控开关包括入口、出口及控制口，其控制口与一级增压泵的输出端连通，其出口与第一气控阀门的控制口连通，其入口输入低压控制气。

3.根据权利要求2所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

还包括第二主动超压反馈保护回路，其包括第二气控阀门和第二高压气控开关，所述第二气控阀门为常闭式阀门，所述第二气控阀门与第二级驱动气管路串联，用于控制二级增压泵的驱动；

所述第二高压气控开关包括入口、出口及控制口，所述第二高压气控开关的控制口与二级增压泵的输出端连通，所述第二高压气控开关的出口与第二气控阀门的控制口连通；所述第二高压气控开关的入口输入低压控制气。

4.根据权利要求3所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

第一辅助增压管路包括从输入端至输出端依次设置的第二压力表、第一两位两通气控截止阀、第一单向阀及第三压力表；

所述第二辅助增压管路的输入端与第一填充管上的第三压力表之后的管路连通；

所述第二辅助增压管路从输入端至输出端依次设置有第二两位两通气控截止阀、第二单向阀及第四压力表。

5.根据权利要求4所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

所述第一级驱动气管路和第二级驱动气管路的结构相同；

所述第一级驱动气管路包括第一两位两通气控球阀、减压阀、电子减压器ER5000、第一两位两通电磁阀、第一压力表及第二两位两通气控球阀；

所述第一两位两通气控球阀、减压阀及第二两位两通气控球阀依次串联设置；

所述电子减压器ER5000与减压阀连接，用于减压阀的调节；

所述第一压力表设置在减压阀的输出端，用于减压阀的输出端压力测量；

所述第一两位两通电磁阀设置在减压阀的输出端，用于泄压。

6.根据权利要求5所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

所述第一级驱动气管路还包括过滤器，所述过滤器与减压阀串联，且位于减压阀出口端。

7.根据权利要求5所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

所述一级增压泵的输入端、一级增压泵的输出端及二级增压泵的输出端均设置有安全阀。

8.根据权利要求5所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统，其特征在于：

还包括第一缓冲气瓶和第二缓冲气瓶，所述第一缓冲气瓶串联设置在一级增压泵的输出端与第一高压气控开关入口之间；

所述第二缓冲气瓶串联设置在二级增压泵的输出端与第二高压气控开关入口之间。

9.一种基于权利要求3所述卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压系统的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）预增压

在初始增压时，通过旁路辅助增压管路将待增压氦气输送至一级增压泵的输出端，当一级增压泵输出端的压力与待增压氦气的输出压力平衡时，再将待增压氦气填充至一级增压泵的工作介质输入端；

2）一级增压

打开第一级驱动气管路，待第一级驱动气管路输出端压力稳定后，将驱动气填充至一级增压泵的驱动端，一级增压泵工作，对输入的氦气增压；

3）二级增压

3.1）当一级增压泵的出口压力达到稳定状态时，将一级增压泵增压后的氦气通过旁路辅助增压管路填充至二级增压泵的输出端；当一级增压泵出口与二级增压泵出口的压力达到平衡时，将一级增压泵增压后的氦气填充至二级增压泵的工作介质输入端；

3.2）打开第二级驱动气管路，待第二级驱动气管路出口端压力稳定后，将第二级驱动气管路输出的驱动气填充至二级增压泵的驱动端，二级增压泵工作，对输入的氦气增压，使二级增压泵的出口压力达到稳定状态时，增压氦气输出至下游系统。

10.根据权利要求9所述的卫星姿控发动机用阀门氦气特性试验的增压方法，其特征在于：

在步骤2）的进行中还包括超压保护的步骤，具体为：

当一级增压泵输出端的压力达到一定值时，利用一级增压泵出口压力打开第一高压气控开关，低压控制气流经第一高压气控开关作用至第一气控阀门的控制口，第一气控阀门动作，由常闭状态切换至常开状态，切断一级增压泵驱动气源的供给，一级增压泵停止工作；

当一级增压泵输出端的压力降低到一定值以下时，第一高压气控开关关闭，切断了第一气控阀门的低压控制气，第一气控阀门由常开状态切换至常闭状态，一级增压泵驱动气源恢复供给，一级增压泵开始工作；

在步骤3）的进行中还包括超压保护的步骤，具体为：

当二级增压泵的出口压力超过一定值时，利用二级增压泵出口压力打开第二高压气控开关打开，低压控制气流经第二高压气控开关作用至第二气控阀门的控制口，第二气控阀门由常闭状态切换至常开状态，切断二级增压泵驱动气源的供给，二级增压泵停止工作；

当二级增压泵的出口压力降至一定值时，第二高压气控开关关闭，切断了第二气控阀门的低压控制气，第二气控阀门关闭，由常开状态切换至常闭状态，二级增压泵的驱动气源恢复供给，二级增压泵开始工作。

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