CN111207010B - 一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法，装置利用液氮通过换热器冷却从氦气钢瓶组流出的氦气获得液氧温区的冷氦气，控制冷氦气流入试验贮箱进行增压排液，可记录增压排液过程中的流体压力、温度、流量等数据，观察液体流动及结晶状态，装置和方法可测量多种工况。冷氦直接增压地面试验装置，具体为常温高压氦气从氦气钢瓶组流出，经配气台减压后流入减压路，然后通过换热器与液氮进行换热，冷却至液氮温区，然后进入贮箱增压排液，当贮箱内液体排完时关闭气源及液氮，从而完成试验测量工作。装置和方法具备多工况测试功能，控制可靠，系统稳定，构造简单，测量精确。

Description

一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法

技术领域

本发明涉及冷氦增压系统测试技术，尤其涉及一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法。

背景技术

增压系统是液体火箭上重要的一环，用于实现推进剂以一定的压力和流量进入燃烧室或发动机泵入口，以满足燃烧室或发动机泵的压力需求。液体火箭常用的增压方式有燃气增压、自生增压和气瓶增压。目前液体火箭采用的气瓶增压方案多为常温氦气加温增压或冷氦加温增压，这两种增压方式均存在一定的不足。常温氦气加温增压需要配置厚重的气体钢瓶，而且为了增大氦气增压能力，节约氦气用量，往往设计将常温氦气加温至500～600K高温后才用于增压，其负面作用是高温氦气与推进剂液面剧烈换热，造成推进剂温度大幅上升，使得不可用过热推进剂的质量大幅增加。冷氦加温增压将低温氦气贮存于夹有低温液体防护套或使用低温制冷机维持温度的气瓶中，然后通过换热器加热后进入推进剂贮箱中进行增压。其主要缺点在于需增加防护套或制冷机，且需在火箭上设置换热器，造成增压系统的结构质量大幅增加。一种新的方法是采用冷氦直接增压方案，即将冷氦气瓶储存于液氧中，增压时将液氧温区的冷氦气直接送入煤油贮箱增压。

通过对现有的技术检索发现，专利CN107630769A“火箭氧箱冷氦加温增压系统”公开了一种火箭氧箱冷氦加温增压系统及方法，将一定数量的冷氦气瓶置于液氧储箱内，冷氦气瓶内的氦气经过滤器、电磁阀、减压器、节流圈和加热器后进入液氧储箱的气枕，进而实现对液氧的增压。但该发明所使用的方案面向火箭本身应用，利用发动机的热量将冷氦加温至500K温区，会形成大量的不可用过热推进剂。专利CN109595468A“一种低温运载火箭冷氦气增压降温输送系统”公开了一种将绝热节流制冷、鼓泡制冷、鼓泡增压、冷氦气瓶内冷能和压能利用结合在一起，实现低温运载火箭增压输送，推进剂冷却降温的双重效果的方案。该方案仅适用于适用液氢/液氧组合推进剂的火箭增压系统，不适用于地面独立液体增压输送原理性实验。专利CN109339981A“一种运载火箭煤油箱冷氦的增压系统”介绍了运载火箭上利用存储于液氧箱内的氦气钢瓶获得液氧温区低温氦气，然后进入煤油贮箱增压的系统。但该系统适用于运载火箭，且为鼓泡增压方式，同样无法在地面上用于原理性实验，也无法控制入口气体温度。在冷氦直接增压排放水力特性研究方面，目前并没有相关的冷氦增压地面试验和测量装置。因此，亟需一种利用液氮和换热器获得液氧温区冷氦气进行增压排液试验的地面模拟装置，以便对冷氦直接增压效果进行测试和验证。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法，其能解决上述问题。

设计目的：旨在提供一个构造简单，测量精确，控制可靠，变量可调，可测量多种工况的冷氦直接增压地面试验装置，具体为常温高压氦气从氦气钢瓶组流出，经配气台减压后流入减压路，然后通过换热器与液氮进行换热，冷却至液氮温区，然后进入贮箱增压排液，当贮箱内液体排完时关闭气源及液氮，从而完成试验测量工作。

技术方案，本发明的目的采用以下技术方案实现。

一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置，装置包括流体可控连接的氦气钢瓶组、氮气钢瓶组、配气台、换热器、贮箱、扩散器、和液体回收容器，所述氦气钢瓶组和氮气钢瓶组分别通过开关阀和供气支路连接至配气台，具有供气切换和调压功能的配气台下游的减压管路通过稳压管路连接至换热器，所述换热器的下游通过二位三通阀门连接至所述贮箱，所述二位三通阀门的一个下游端口为放空端口，另一个下游端口通过增压气体来流管路与置于所述贮箱内的扩散器连接，所述贮箱通过循环液路与所述液体回收容器可控的连接。

优选的，在配气台下游与稳压管路之间的减压管路上设置气体过滤器和气体流量计，且气体过滤器设置在所述气体流量计的上游。

优选的，带有稳压组件的所述稳压管路包括并联设置的稳压主路和稳压辅路，所述稳压主路上的稳压组件包括依次设置的第一电磁阀、第一压力传感器、第一温度传感器、第一节流孔板、第三压力传感器和第三温度传感器，所述稳压辅路上的稳压组件包括依次设置的第二电磁阀、第二压力传感器、第二温度传感器、第二节流孔板、第四压力传感器和第四温度传感器。

优选的，所述第一节流孔板和第二节流孔板配置不同规格的节流圈，并采用法兰夹持气密安装方式安装以便于拆卸更换。

优选的，在所述换热器的两端设置换热旁通支路，在换热器的换热主路上设置第一手动阀门，在换热旁通支路上设置第二手动阀门，并在换热器的出口端依次设置第五压力传感器和第五温度传感器，通过调节第一手动阀门和第二手动阀门的开度控制冷热流体流量配比以进行供给温度控制。

优选的，所述换热器采用逆流板式换热器。

优选的，所述二位三通阀门采用二位三通球阀，在所述二位三通阀门的上游端口依次设置第六压力传感器和第六温度传感器，所述二位三通阀门的另一个下游端口的增压气体来流管路穿过所述贮箱的顶盖法兰与扩散器连接。

优选的，所述贮箱包括罐状容器，在所述容器的顶部设置顶盖法兰，并在容器上设置顶部观察窗和侧壁观察窗，在容器顶部还设置放空支路并在放空支路上设置放空电磁阀，在所述贮箱的容器上部和底部之间设置第七压力传感器和压差液位计。

优选的，所述贮箱的罐状容器采用不锈钢压力容器。

优选的，所述扩散器包括但不限于开孔直管或环形孔管。

优选的，循环液路包括排液流路和回液流路，所述排液流路包括从所述贮箱底部到液体回收容器顶部的排液管路上依次设置的可视管道过滤器、液体流量计、排液电磁阀和回收液手动排液阀门，所述回液流路包括从所述液体回收容器顶部到贮箱底部依次设置的液体过滤器、液泵和加注阀；在所述排液电磁阀和回收液手动排液阀门之间还设置一个向外可控连通的背压调节手动排液阀门，在贮箱底部排液管路上的可视管道过滤器上游还设置一个向外可控开闭的排污阀门。

优选的，装置还包括控制器，所述控制器与各个电磁阀、温度传感器、压力传感器连接，自动记录并保存检测数据。

发明还提供了一种采用上述试验装置的测试方法，方法包括以下步骤。

S1试验准备，包括预增压和吹扫预冷管路。预增压，配气台气源切换至氦气路，打开配气台下游减压路上的各阀门，向贮箱内通入氦气使之压力达到设计压力，然后关闭各阀门；吹扫预冷管路，将二位三通阀门调至放空路后打开减压路各阀门，将配气台气源切换至氮气路，使氮气流经减压路最后经二位三通阀门放空路排出，将液氮通入换热器冷却氮气，持续通氮气及液氮直至第六温度传感器达到设定温度，使得该温度足以获得液氧温区的冷氦气，完成预冷。

S2试验检测，将配气台气源切换至氦气路，将二位三通阀门切换至进箱回路，控制器根据第七压力传感器自动控制稳压辅路上的第二电磁阀的通断稳定箱压，在氦气切换进入贮箱的同时打开排液电磁阀，使氦气进入贮箱内增压排液，观察并记录排液过程中各测点的温度、压力参数以及透过观察窗观察贮箱内的气体、液体状态；当贮箱的压差液位计显示液位高度低于液位下限值时停止排液，试验结束。

实验过程中的各测点的温度、压力等参数均由控制器的控制系统系统自动记录，同时各可视化部位也具有相应的记录。更换不同的工况，即可获得不同工况下的冷氦直接增压系统的数据

相比现有技术，本发明包括以下有益效果：本发明的装置，通过换热器、温度及压力传感器、可视化部件等的设置，实现了获得90～300K氦气进行增压排液的功能，并实现了在增压排液过程中对各个位置的压力、温度等热力学参数的监测，以及贮箱内液体和气体状态的观测。具体，其包含如下优点：

第一、采用两个不同节流圈配置的节流支路并联结构，既可以单独工作，又可组合工作，以实现大范围的精细流量调节；

第二、在试验贮箱前采用二位三通阀门，预冷阶段冷气体流入管路中，并从放空支路排空，以确保进入贮箱前的上游管路和阀门等所有组件冷透，保证在切换为贮箱进气模式时，气体已经直接达到设定低温，消除初始的自身冷却过程，更加逼近真实模拟工况；

第三、在进行正式试验之前使用氮气预冷管路，既能节约成本高昂的氦气，又能将管路及阀门等部件冷却到液氧温区；

第四、系统具有可视化功能，容器自身周围、及出口管路上均具有观察窗，可观察试验过程中气体和液体的流动情况及液体的结晶状态；

综上所述，本发明的液氧温区冷氦气直接增压地面试验装置能够以较低的试验成本完成冷氦直接增压原理的地面模拟试验，且能够进行多工况的模拟试验。

附图说明

图1为本发明液氧温区冷氦直接增压地面试验装置的示意图。

图中：

100、氦气钢瓶组；

200、氮气钢瓶组；

300、配气台；

400、换热器；

500、贮箱；

600、扩散器；

700、液体回收容器；

1、气体过滤器；

2、气体流量计；

3、第一电磁阀；

4、第二电磁阀；

5、第一节流孔板；

6、第二节流孔板；

7、第一手动阀门；

8、第二手动阀门；

9、二位三通阀门；

10、放空电磁阀；

11、可视管道过滤器；

12、液体流量计；

13、排液电磁阀；

14、背压调节手动排液阀门；

15、回收液手动排液阀门；

16、液体过滤器；

17、液泵；

18、加注阀；

19、排污阀门；

P1～P7、压力传感器；

T1～T6、温度传感器；

L1、差压液位计。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置，装置包括流体可控连接的氦气钢瓶组100、氮气钢瓶组200、配气台300、换热器400、贮箱500、扩散器600、液体回收容器700、控制器(图未示)和监控摄像头(图未示)。该装置利用液氮通过换热器400获得液氧温区的冷氦气，控制冷氦气流入试验贮箱进行增压排液，可记录增压排液过程中的流体压力、温度、流量等数据，可观察液体流动及结晶状态。

连接关系：所述氦气钢瓶组100和氮气钢瓶组200分别通过开关阀和供气支路连接至配气台300，具有供气切换和调压功能的配气台300下游的减压管路通过稳压管路连接至换热器400，所述换热器400的下游通过二位三通阀门9连接至所述贮箱500，所述二位三通阀门9的一个下游端口为放空端口，另一个下游端口通过增压气体来流管路与置于所述贮箱500内的扩散器600连接，所述贮箱500通过循环液路与所述液体回收容器700可控的连接。

其中，通过氦气钢瓶组100和氮气钢瓶组200提供两种气源，通过配气台300减压调压后分别为管路提供一定压力的氦气或氮气，两种用气可自由切换，调试和预冷阶段用氮气，节省氦气消耗，正式试验用氦气。

进一步的，在配气台300下游与稳压管路之间的减压管路上设置气体过滤器1和气体流量计2，且气体过滤器1设置在所述气体流量计2的上游。气体过滤器1的设置保证进入管路及贮箱的气体的洁净，防止杂质堵塞阀门及管路；气体流量计2用以检测试验过程中气体的流量变化。

其中，带有稳压组件的所述稳压管路包括并联设置的稳压主路和稳压辅路，所述稳压主路上的稳压组件包括依次设置的第一电磁阀3、第一压力传感器P1、第一温度传感器T1、第一节流孔板5、第三压力传感器P3和第三温度传感器T3，所述稳压辅路上的稳压组件包括依次设置的第二电磁阀4、第二压力传感器P2、第二温度传感器T2、第二节流孔板6、第四压力传感器P4和第四温度传感器T4。两个电磁阀(3和4)与控制器连接，由控制器的程序独立控制通断，以实现贮箱500的箱压稳定。

其中，所述第一节流孔板5和第二节流孔板6配置不同规格的节流圈，并采用法兰夹持气密安装方式安装以便于拆卸更换。两套节流孔板的下游管路汇总合一。

进一步的，在所述换热器400的两端设置换热旁通支路，在换热器400的换热主路上设置第一手动阀门7，在换热旁通支路上设置第二手动阀门8，并在换热器400的出口端依次设置第五压力传感器P5和第五温度传感器T5，通过调节第一手动阀门7和第二手动阀门8的开度控制冷热流体流量配比以进行供给温度控制。

进一步的，二位三通阀门9采用二位三通球阀，在所述二位三通阀门9的上游端口依次设置第六压力传感器P6和第六温度传感器T6，所述二位三通阀门9的另一个下游端口的增压气体来流管路穿过所述贮箱500的顶盖法兰与扩散器600连接。在控制器的控制下，二位三通阀门9可自由切换至放空管路或进贮箱管路，待机前的预冷工况接通放空管路。在实验开始时前，用于吹扫及预冷管路的气体通过二位三通阀门9的放空管路排放至室外，而在正式开始试验时，将二位三通阀门9切换至进箱管路，低温氦气通过二位三通阀门9进入贮箱500增压排液。

其中，贮箱500包括罐状容器，在所述容器的顶部设置顶盖法兰，并在容器上设置顶部观察窗和侧壁观察窗，在容器顶部还设置放空支路并在放空支路上设置放空电磁阀10，在所述贮箱500的容器上部和底部之间设置第七压力传感器P7和压差液位计L1。

其中，循环液路包括排液流路和回液流路，所述排液流路包括从所述贮箱500底部到液体回收容器700顶部的排液管路上依次设置的可视管道过滤器11、液体流量计12、排液电磁阀13和回收液手动排液阀门15，所述回液流路包括从所述液体回收容器700顶部到贮箱500底部依次设置的液体过滤器16、液泵17和加注阀18；在所述排液电磁阀13和回收液手动排液阀门15之间还设置一个向外可控连通的背压调节手动排液阀门14，在贮箱500底部排液管路上的可视管道过滤器11上游还设置一个向外可控开闭的排污阀门19。

其中，多个所述监控摄像头对准所述贮箱的顶部观察窗、侧壁观察窗以及可视管道过滤器11设置(图未示)，所述控制器与各个电磁阀、温度传感器、压力传感器和监控摄像头电信连接，自动记录并保存检测数据。

一个实施例中，贮箱500采用不锈钢压力容器。扩散器600包括但不限于开孔直管或环形孔管。

一个实施例中，所述换热器400采用逆流板式换热器。优选的，换热器400上游管路均使用DN32的不锈钢管，换热器400下游管路均使用DN15的不锈钢管。贮箱500箱高2.5m，直径1.2m，整体容积2.5m³，节流孔板(5、6)使用孔径为1.5mm、2.5mm、4.5mm的孔板组合，换热器400使用逆流板式换热器，二位三通阀门9使用二位三通气动球阀，可视化管道过滤器11的管道部分由透明的石英玻璃管制造。

其中，贮箱500和液体回收容器700的液体为航空煤油等测试介质液。

本发明还提供了一种采用上述试验装置的测试方法，方法包括以下步骤。

S1试验准备，包括预增压和吹扫预冷管路；S11，预增压，配气台300气源切换至氦气路，打开配气台300下游减压路上的各阀门，向贮箱500内通入氦气使之压力达到设计压力，然后关闭各阀门；S12，吹扫预冷管路，将二位三通阀门9调至放空路后打开减压路各阀门，将配气台300气源切换至氮气路，使氮气流经减压路最后经二位三通阀门9放空路排出，将液氮通入换热器400冷却氮气，持续通氮气及液氮直至第六温度传感器T6达到设定温度，使得该温度足以获得液氧温区的冷氦气，完成预冷。

S2试验检测，将配气台300气源切换至氦气路，将二位三通阀门9切换至进箱回路，控制器根据第七压力传感器P7自动控制稳压辅路上的第二电磁阀4的通断稳定箱压，在氦气切换进入贮箱500的同时打开排液电磁阀13，使氦气进入贮箱500内增压排液，观察并记录排液过程中各测点的温度、压力参数以及透过观察窗观察和或录制贮箱500内的气体、液体状态；当贮箱500的压差液位计L1显示液位高度低于液位下限值时停止排液，试验结束。

其中，所述液位下限值设置为0.5m。

实验过程中的各测点的温度、压力等参数均由控制系统自动记录，同时各可视化系统的监控录像也具有相应的记录。更换不同的工况，即可获得不同工况下的冷氦直接增压系统的数据

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置，装置包括流体可控连接的氦气钢瓶组(100)、氮气钢瓶组(200)、配气台(300)、换热器(400)、贮箱(500)、扩散器(600)、和液体回收容器(700)，其特征在于：所述氦气钢瓶组(100)和氮气钢瓶组(200)分别通过开关阀和供气支路连接至配气台(300)，具有供气切换和调压功能的配气台(300)下游的减压管路通过稳压管路连接至换热器(400)，常温高压氦气从氦气钢瓶组流出，经配气台减压后流入减压路，然后通过换热器与液氮进行换热，冷却至液氮温区，所述换热器(400)的下游通过二位三通阀门(9)连接至所述贮箱(500)，所述二位三通阀门(9)的一个下游端口为放空端口，另一个下游端口通过增压气体来流管路与置于所述贮箱(500)内的扩散器(600)连接，所述贮箱(500)通过循环液路与所述液体回收容器(700)可控的连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在配气台(300)下游与稳压管路之间的减压管路上设置气体过滤器(1)和气体流量计(2)，且气体过滤器(1)设置在所述气体流量计(2)的上游。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：带有稳压组件的所述稳压管路包括并联设置的稳压主路和稳压辅路，所述稳压主路上的稳压组件包括依次设置的第一电磁阀(3)、第一压力传感器(P1)、第一温度传感器(T1)、第一节流孔板(5)、第三压力传感器(P3)和第三温度传感器(T3)，所述稳压辅路上的稳压组件包括依次设置的第二电磁阀(4)、第二压力传感器(P2)、第二温度传感器(T2)、第二节流孔板(6)、第四压力传感器(P4)和第四温度传感器(T4)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：在所述换热器(400)的两端设置换热旁通支路，在换热器(400)的换热主路上设置第一手动阀门(7)，在换热旁通支路上设置第二手动阀门(8)，并在换热器(400)的出口端依次设置第五压力传感器(P5)和第五温度传感器(T5)，通过调节第一手动阀门(7)和第二手动阀门(8)的开度控制冷热流体流量配比以进行供给温度控制。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述换热器(400)采用逆流板式换热器。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述二位三通阀门(9)采用二位三通球阀，在所述二位三通阀门(9)的上游端口依次设置第六压力传感器(P6)和第六温度传感器(T6)，所述二位三通阀门(9)的另一个下游端口的增压气体来流管路穿过所述贮箱(500)的顶盖法兰与扩散器(600)连接。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述贮箱(500)包括罐状容器，在所述容器的顶部设置顶盖法兰，并在容器上设置顶部观察窗和侧壁观察窗，在容器顶部还设置放空支路并在放空支路上设置放空电磁阀(10)，在所述贮箱(500)的容器上部和底部之间设置第七压力传感器(P7)和压差液位计(L1)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：循环液路包括排液流路和回液流路，所述排液流路包括从所述贮箱(500)底部到液体回收容器(700)顶部的排液管路上依次设置的可视管道过滤器(11)、液体流量计(12)、排液电磁阀(13)和回收液手动排液阀门(15)，所述回液流路包括从所述液体回收容器(700)顶部到贮箱(500)底部依次设置的液体过滤器(16)、液泵(17)和加注阀(18)；在所述排液电磁阀(13)和回收液手动排液阀门(15)之间还设置一个向外可控连通的背压调节手动排液阀门(14)，在贮箱(500)底部排液管路上的可视管道过滤器(11)上游还设置一个向外可控开闭的排污阀门(19)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：装置还包括控制器，所述控制器与各个电磁阀、温度传感器、压力传感器连接，自动记录并保存检测数据。

10.一种采用权利要求9所述的试验装置的测试方法，其特征在于，方法包括：

S1试验准备，包括预增压和吹扫预冷管路；

预增压，配气台(300)气源切换至氦气路，打开配气台(300)下游减压路上的各阀门，向贮箱(500)内通入氦气使之压力达到设计压力，然后关闭各阀门；

吹扫预冷管路，将二位三通阀门(9)调至放空路后打开减压路各阀门，将配气台(300)气源切换至氮气路，使氮气流经减压路最后经二位三通阀门(9)放空路排出，将液氮通入换热器(400)冷却氮气，持续通氮气及液氮直至第六温度传感器(T6)达到设定温度，完成预冷；

S2试验检测，将配气台(300)气源切换至氦气路，将二位三通阀门(9)切换至进箱回路，控制器根据第七压力传感器(P7)自动控制稳压辅路上的第二电磁阀(4)的通断稳定箱压，在氦气切换进入贮箱(500)的同时打开排液电磁阀(13)，使氦气进入贮箱(500)内增压排液，观察并记录排液过程中各测点的温度、压力参数以及透过观察窗观察贮箱(500)内的气体、液体状态；当贮箱(500)的压差液位计(L1)显示液位高度低于液位下限值时停止排液，试验结束。

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