CN111810319B - 含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，解决现有气液分离排放系统造成脉动抑制装置中压力和液位无法保持在恒定状态的问题。该装置包括脉动抑制装置和气液分离排放系统；气液分离排放系统包括气液分离排放单元和预冷排放紧急放气单元；气液分离排放单元包括气液分离排放管路和设置在气液分离排放管路上的气液排放隔离阀、气液排放量测量流量计、测温装置和测压装置；气液分离排放管路的进口设置在外壳体内部，且与液位高度平齐；预冷排放紧急放气单元包括预冷排放紧急放气管路和设置在预冷排放紧急放气管路上的气动截止阀、测温装置和测压装置；预冷排放紧急放气管路的进口与内筒体的气腔最高点连接。

Description

含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置

技术领域

本发明涉及火箭发动机脉动抑制装置，具体涉及一种含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，应用于地面试验中脉动抑制装置的性能测试，实现热试过程中的气液排放，保证热试过程中脉动抑制装置的可靠性。

背景技术

火箭飞行过程中，会产生一种纵向不稳定低频振动，该振动被称之为POGO振动，该振动对于火箭飞行的安全性及可靠性存在较大的影响，尤其是在载人航天飞行中POGO振动严重威胁航天员的生命安全。

在火箭发动机中，一般使用脉动抑制装置对该振动进行抑制，脉动抑制装置的主要工作性能指标为蓄压容积。现有火箭发动机主要采用膜盒式脉动抑制装置，其蓄压容积仅为2-3L，性能无法满足新一代火箭及后续重型火箭的使用要求，因此提出了一种可满足新一代火箭及后续重型火箭使用要求的低频脉动抑制装置。

但是，在进行真实大推力火箭发动机低频脉动抑制装置产品研制之前需研制一款地面试验用的低频脉动抑制装置，并通过对该地面试验用的低频脉动抑制装置进行试验验证，从而为后期真实产品的结构设计和相关参数设计提供有力的支持。

目前提供的地面试验用低频脉动抑制装置结构包括内筒体和外壳体，外壳体同轴套设于内筒体外部，两者之间构成一个密封腔室，内筒体上设有多个注液孔，作为低温推进剂从内筒体进入密封腔室的通道。该地面试验用的低频脉动抑制装置工作原理为：向脉动抑制装置持续加注低温推进剂过程中注入恒流气体，从而使脉动抑制装置自身产生振荡，从而使得外部低温推进剂供应系统的固有频率降低，避免了轴向振动。为保证脉动抑制装置的测试要求，需要性能优良可靠性高的气液分离排放系统。但是，现有的气液分离排放系统无法及时准确将脉动抑制装置内的气体和液体排出，使得排放系统造成管道憋压，导致脉动抑制装置中的压力和液位无法保持在恒定状态。

发明内容

本发明的目的解决现有气液分离排放系统无法及时准确将脉动抑制装置内部的气体和液体排出，造成脉动抑制装置中压力和液位无法保持在恒定状态的问题，提供一种含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，包括脉动抑制装置和气液分离排放系统；所述脉动抑制装置包括外壳体和内筒体，所述外壳体同轴套设于内筒体外部，两者之间构成一个密封腔室，内筒体上设有多个注液孔，作为低温推进剂从内筒体进入密封腔室的通道；所述气液分离排放系统包括气液分离排放单元和预冷排放紧急放气单元；所述气液分离排放单元包括气液分离排放管路、气液排放隔离阀、气液排放量测量流量计、第一测温装置和第一测压装置；所述气液分离排放管路的进口设置在外壳体内部，且与液位高度平齐，所述气液排放隔离阀、气液排放量测量流量计、第一测温装置和第一测压装置均设置在气液分离排放管路上；所述预冷排放紧急放气单元包括预冷排放紧急放气管路、气动截止阀、第二测温装置和第二测压装置；所述预冷排放紧急放气管路的进口与内筒体的气腔最高点连接，所述气动截止阀、第二测温装置和第二测压装置均设置在预冷排放紧急放气管路上；所述液位高度H通过公式(1)计算得到：

其中，V_蓄表示脉动抑制装置总体积；V_气表示气枕大小；V_封表示封头体积；H_封表示封头高度；r表示直管段直径；

所述气液分离排放管路的最小管径d通过式(2)至式(4)计算得到；

q_液＝A_液×ρ×ν (3)

其中，q_液为管路流量；C_液表示流量系数，通过放液标定获取；A_液为最小液相流通面积；ρ_液表示液体密度；P_i表示脉动抑制装置内部压力；L为现场管路布置长度；ΔP为管路流阻要求值；λ为阻力损失系数；ρ为液氧汽化后密度；ν表示管路流速。

进一步地，所述气液分离排放管路的进口设置有弯管，所述弯管包括相连接的竖直段和水平段；所述竖直段安装外壳体内，其进液口与液位高度平齐，水平段穿过外壳体，与气液分离排放管路连接。

进一步地，所述竖直段进液口上设置有封盖，且其侧壁上设置有多个通孔，多个通孔沿竖直段的侧壁周向均布，轴向排布。

进一步地，所述弯管与气液分离排放管路通过凹凸法兰连接。

进一步地，所述气液分离排放管路上还设置有孔板，用于控制气液分离排放管路的背压在稳定状态。

进一步地，所述气液分离排放管路上还设置有过滤器。

进一步地，所述气液分离排放管路的出口下方设置有收集槽，收集排出的液体。

进一步地，所述第一测温装置和第二测温装置为温度传感器。

进一步地，所述第一测压装置和第二测压装置为压力传感器。

同时，本发明还提供一种基于上述含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置的预冷方法，包括以下步骤：

步骤一、同时打开气液排放隔离阀和气动截止阀，脉动抑制装置内预冷蒸发的气体同时从气液分离排放管路、预冷排放紧急放气管路排出，液位上升；

步骤二、当脉动抑制装置内的液位上升至预冷排放紧急放气管路有液体排出时，关闭气动截止阀，同时，保持气液排放隔离阀常开；

步骤三、脉动抑制装置内液位下降，下降至气液排放口时，此时脉动抑制装置内为动态平衡状态，脉动抑制装置预冷完成。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

1.本发明含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置中，通过对气液分离排放管路的进口位置以及气液分离排放管路的最小管径进行限定，使得排放系统在两个不同的极限工作状态下，均能很好的排出低频脉动抑制装置内部多余的气体和液体，保证在任何状态下均不会造成管道憋压，进而使得脉动抑制装置中的压力和液位保持在恒定状态。

2.本发明含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置设置有气液分离排放单元和预冷排放紧急放气单元，通过双排放管的设计，既能实现小流量下的高精度控制，又能实现极端状态下大流量的应急排放。

3.本发明气液分离排放单元为动平衡式的气液分离排放系统，该系统能够根据脉动抑制装置的工作状态，自适应的调节排放能力，及时将脉动抑制装置内部多余的气体或液体排出，从而保证较高的调节精度，实现高精度的气腔保证。

4.本发明预冷排放紧急放气单元设计在气腔上部，管径根据气体的压力及密度进行选择，保证气腔中气体能够迅速排出，由于气体进入发动机推进剂供应管路会影响发动机正常工作，因此该单元能够迅速排出气体，使液位高度不低于安全下线，保证装置的安全性。

附图说明

图1是本发明含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明弯管与气液分离排放管路通过凹凸法兰连接示意图；

图4为本发明气液分离排放系统应用结果示意图；

图5为本发明气液分离排放系统排放效果示意图。

附图标记：11-外壳体，12-内筒体，13-注液孔，111-直管段，112-封头，21-气液分离排放管路，22-气液排放隔离阀，23-气液排放量测量流量计，24-第一测温装置，25-第一测压装置，26-弯管，27-孔板，28-过滤器，261-竖直段，262-水平段，263-通孔，264-封盖，31-预冷排放紧急放气管路，32-气动截止阀，33-第二测温装置，34-第二测压装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

脉动抑制装置的原理为持续向推进剂中注入氦气，实现注入与排放平衡的平衡气腔，而平衡气腔的关键是气液分离排放系统的动态平衡排放能力。气液分离排放系统是进行低频脉动抑制装置测试的关键系统，为保证脉动抑制装置试验系统安全，要求气液分离排放系统能够实现高精度的气腔保证能力和快响应的应急处理能力等。

如图1和图2所示，本发明提供的含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置具体包括脉动抑制装置和气液分离排放系统；脉动抑制装置包括外壳体11和内筒体12，外壳体11同轴套设于内筒体12外部，两者之间构成一个密封腔室，内筒体12上设有多个注液孔13，作为低温推进剂从内筒体12进入密封腔室的通道，气液分离排放系统包括气液分离排放单元和预冷排放紧急放气单元。

气液分离排放单元包括气液分离排放管路21和设置在气液分离排放管路21上的气液排放隔离阀22、气液排放量测量流量计23、第一测温装置24、第一测压装置25、过滤器28、孔板27；由于气液分离排放管路21内大部分为两相流动，所以气液排放量测量流量计23采用质量流量计进行流量测量。孔板27用于控制气液分离排放管路21的背压在稳定状态。此时，气液分离排放管路21通过弯管26与脉动抑制装置连接，弯管26设置在气液分离排放管路21的进口处，包括相连接的竖直段261和水平段262，竖直段261安装外壳体11内，其进液口与液位高度平齐，水平段262穿过外壳体11，与气液分离排放管路21连接。同时，为使外壳体11内的气体和液体及时排除，竖直段261进液口上设置有封盖264，竖直段261的侧壁上设置有多个通孔263，多个通孔263沿竖直段261的侧壁周向均布、轴向排布。此外，气液分离排放管路21的出口连接至DN50气动隔离阀门，用于控制气液排放路通断，出口下方设置有收集槽，用于收集排出的液体。

预冷排放紧急放气单元包括预冷排放紧急放气管路31、气动截止阀32、第二测温装置33和第二测压装置34；预冷排放紧急放气管路31的一端与内筒体12的气腔最高点连接，气动截止阀32、第二测温装置33和第二测压装置34均设置在预冷排放紧急放气管路31上，第一测温装置24和第二测温装置33具体可为温度传感器，第一测压装置25和第二测压装置34具体可为压力传感器。同时，预冷排放紧急放气管路31的出口连接至DN20气动隔离阀门，用于控制应急排放管路通断，两路管道均向外延伸与大气相通。

如图3所示，本发明气液分离排放单元与脉动抑制装置之间(气液排放口)的连接设计为可更换式，具体为弯管与气液分离排放管路通过凹凸法兰连接，通过更换不同长度的弯管，即弯管26的竖直段261具有不同的长度，从而在一定范围内通过调整气液排放口位置实现气体容腔一定范围内的变化，进而使得脉动抑制装置中的压力和液位保持在恒定状态。

本发明含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置中，通过对气液分离排放管路21的进口位置以及气液分离排放管路21的最小管径进行限定，使得排放系统在两个不同的极限工作状态下，均能很好的排出低频脉动抑制装置内部多余的气体和液体，保证在任何状态下均不会造成管道憋压，进而使得脉动抑制装置中的压力和液位保持在恒定状态，气液分离排放管路21的进口位置以及气液分离排放管路21的最小管径进行限定具体如下：

气液分离排放管路21的进口位置根据所需气腔容积确定，通过气腔容积，计算出脉动抑制装置内部液位高度H，将气液分离排放管路21进口选择与液位高度平齐，液位高度具体通过以下公式计算得到：

其中，V_蓄表示脉动抑制装置总体积；

V_气表示气枕大小；

V_封表示封头112体积；

H_封表示封头112高度；

r表示直管段111直径。

以上描述中，封头112为外壳体11两端的圆弧段，直管段111为两段圆弧段之间的部分，该部分结构为现有脉动抑制装置的原有设计，气枕大小的脉动抑制装置的设计输入。

气液分离排放单元的极限工作状态为全部气体排放和全部液体排放，在两个不同的极限工作状态下，通过脉动抑制装置内部压力、气液排放装置流通面积计算管路流量，从而根据流阻的计算确定最小管径，在此最小管径下，由于管路经过良好的绝热包覆，且系统经过预冷后开始正常工作，因此保证在任何状态下均不会造成管道憋压，最小管径的计算过程如下：

1)由安装在气液分离排放管路21上各装置可知，气液分离排放单元中最小液相流通面积为A_液；

2)由于液氧全部汽化流阻最大，计算该条件下的管路流量q_液；

其中，C_液表示流量系数，通过放液标定获取；

ρ_液表示液体密度；

P_i表示脉动抑制装置内部压力；

3)根据流量计算，考虑液氧汽化体积比，计算管路液氧全部汽化后的管路流速ν；

q_液＝A_液×ρ×ν (3)

4)根据管路流速与现场管路布置长度L，可计算出最小管径d；

其中，ΔP为管路流阻要求值，要求管路流阻不大于0.5P_i(装置内部压力)-0.1(大气压)；

λ为阻力损失系数；

ρ为液氧汽化后密度；

考虑现场管路布置，管路最大长度不超过8m，因此d＝50㎜。

如图5所示，Pxyq表示装置内部的压力，qmoq2表示装置的液氧流量，Ppfe表示排放压力，当地大气压为0.093Mpa，从图中可以看出，排放压力为0.16Mpa，管路流阻为0.16-0.093＝0.067Mpa，满足上文所述流阻不超过0.1Mpa要求，说明该排放系统设计合理可行，满足要求，同时可以看出，在液氧流量1kg/s的情况下，装置内部压力稳定，气液排放系统控制精度较高。

本发明提供的气液分离排放系统适应流量宽，并且提高了气液分离排放装置的可靠性，同时更保证了气液分离排放装置的精度，以下对该特点进行详细阐述。

本发明气液分离排放系统为气液快速自动分离动平衡排放系统，气液分离排放系统保证气体容腔动态平衡的关键在于气液分离排放系统高精度的排放，脉动抑制装置的容腔处于一个动态平衡过程中，需要能够及时将脉动抑制装置内部多余的气体或液体进行分离排放，保证装置液位在一个位置上下波动且波动变化控制在一定范围，为满足需求，建立了动平衡式的排放方法。该方法的基本原理如图1所示：定量氦气由氦气供应口进入装置内部挤压装置内部的液体，当气体量较多时，通过气液分离排放单元排出，当液体量较多时，液体亦从气液分离排放单元排出，通过气液分离排放单元实现脉动抑制装置内部的动态平衡。因此，进行气液分离排放单元设计时，对脉动抑制装置内部的动态平衡过程进行充分考虑。气液分离排放单元综合考虑全部液体排放、全部气体排放、气液混合排放的几种情况，保证在各个情况下管路管径大小以及管路走向均不会造成憋压，完全保证脉动抑制装置正常工作气液排放的需要。基于此要求，本发明通过对气液分离排放管路21的进口位置以及气液分离排放管路21的最小管径进行限定，使得气液分离排放单元在两个不同的极限工作状态下，均能很好的排出低频脉动抑制装置内部多余的气体和液体，保证在任何状态下均不会造成管道憋压，进而使得脉动抑制装置中的压力和液位保持在恒定状态。气液分离排放单元应用结果如下图4所示，从图中可以看出，动平衡式气液分离排放系统使用效果良好。

气液排放装置在设计过程中，采用动平衡式的设计方法，由于装置内部液位处于一个动态平衡过程，因此气液排放装置的流通能力必须与上游供应的气体流量以及装置内部的液体压力形成一个匹配关系，保证系统在不同的气液状态下均有较好的排放能力并且在排放装置液面处实现动平衡。

Q_排＝F(x)·A＝f(Q_注，P，ρ_气，ρ_液)

其中，Q_注表示注气流量，P表示脉动抑制装置内部压力，ρ_气表示气体密度，ρ_液表示液体密度。

本发明气液分离排放系统具有宽流量自适应排放能力。发动机低频脉动抑制装置为低温设备，在使用过程中需要考虑装置预冷的需求，同时，为了发动机安全性考虑，测试时，脉动抑制装置中的气体不能进入推进剂管道中，因此，气液分离排放系统不仅需要进行高精度的液位维持功能，而且需要能够进行装置的预冷排放和大流量的应急排放。为满足测试需求，本发明设计了双排放管的排放方案，能够实现小流量的精度保证和大流量的气体排放。装置分两路进行排放，一路为气液分离排放路，位于装置侧方，位置在需要进行控制的液位线附近，该路主要是利用气液排放口进行装置内部气腔的动态平衡，该路排放量较小，主要用于对装置内部液位的准确控制。一路为预冷排放及紧急放气路，该路主要进行气体排放，用于装置预冷时内部蒸发的气体排放以及发现装置内部液位异常时装置的紧急泄压，该路安装于装置气腔最高点，该路主要是将装置内的气体以较快的速度进行排放，该路排放流量较大，包含气动截止阀以及配套的温度、压力测点。

装置进行预冷时，两路排放隔离阀同时打开，装置预冷蒸发的气体同时从两路排出，装置液位上升，当上升到预冷排放及紧急放气路有液体出来时，说明装置已经预冷到位，关闭该路隔离阀，气液分离排放路隔离阀保持常开，此时装置内部液位下降，一直下降至气液排放口附近，此时装置内部为动态平衡状态。装置在测试过程中，若发现装置内部压力异常升高及装置内部液位剧烈变化，存在一定风险时，可以紧急打开预冷排放及紧急放气路，排出装置内部的气体。

Claims (6)

1.一种含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，包括脉动抑制装置和气液分离排放系统；所述脉动抑制装置包括外壳体和内筒体，所述外壳体同轴套设于内筒体外部，两者之间构成一个密封腔室，内筒体上设有多个注液孔，作为低温推进剂从内筒体进入密封腔室的通道；其特征在于：所述气液分离排放系统包括气液分离排放单元和预冷排放紧急放气单元；

所述气液分离排放单元包括气液分离排放管路、气液排放隔离阀、气液排放量测量流量计、第一测温装置和第一测压装置；所述气液分离排放管路的进口设置在外壳体内部，且与液位高度平齐，所述气液排放隔离阀、气液排放量测量流量计、第一测温装置和第一测压装置均设置在气液分离排放管路上；

所述预冷排放紧急放气单元包括预冷排放紧急放气管路、气动截止阀、第二测温装置和第二测压装置；所述预冷排放紧急放气管路的进口与内筒体的气腔最高点连接，所述气动截止阀、第二测温装置和第二测压装置均设置在预冷排放紧急放气管路上；所述气液分离排放管路的进口设置有弯管，所述弯管包括相连接的竖直段和水平段；所述竖直段安装外壳体内，其进液口与液位高度平齐，水平段穿过外壳体，与气液分离排放管路连接；所述竖直段进液口上设置有封盖，且其侧壁上设置有多个通孔，多个通孔沿竖直段的侧壁周向均布，轴向排布；所述弯管与气液分离排放管路通过凹凸法兰连接；所述气液分离排放管路上还设置有孔板，用于控制气液分离排放管路的背压在稳定状态；

所述液位高度H通过公式(1)计算得到：

其中，V_蓄表示脉动抑制装置总体积；V_气表示气枕大小；V_封表示封头体积；H_封表示封头高度；r表示直管段直径；

所述气液分离排放管路的最小管径d通过式(2)至式(4)计算得到；

q_液＝A_液×ρ×ν (3)

其中，q_液为管路流量；C_液表示流量系数，通过放液标定获取；A_液为最小液相流通面积；ρ_液表示液体密度；P_i表示脉动抑制装置内部压力；L为现场管路布置长度；ΔP为管路流阻要求值；λ为阻力损失系数；ρ为液氧汽化后密度；ν表示管路流速。

2.根据权利要求1所述的含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，其特征在于：所述气液分离排放管路上还设置有过滤器。

3.根据权利要求2所述的含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，其特征在于：所述气液分离排放管路的出口下方设置有收集槽，收集排出的液体。

4.根据权利要求3所述的含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，其特征在于：所述第一测温装置和第二测温装置为温度传感器。

5.根据权利要求4所述的含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置，其特征在于：所述第一测压装置和第二测压装置为压力传感器。

6.一种基于权利要求1至5任一所述含有气液分离排放系统的火箭发动机低频脉动抑制装置的预冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、同时打开气液排放隔离阀和气动截止阀，脉动抑制装置内预冷蒸发的气体同时从气液分离排放管路、预冷排放紧急放气管路排出，液位上升；

步骤二、当脉动抑制装置内的液位上升至预冷排放紧急放气管路有液体排出时，关闭气动截止阀，同时，保持气液排放隔离阀常开；

步骤三、脉动抑制装置内液位下降，下降至气液排放口时，此时脉动抑制装置内为动态平衡状态，脉动抑制装置预冷完成。

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