CN113670619B - 液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统及方法 - Google Patents
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Abstract
为了满足液体火箭发动机高模试验中发动机多次真空状态起动抽真空需求，本发明提供一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统及方法。系统包括氮气引射器与真空抽气机组；氮气引射器出口端连接氮气输送管路，氮气输送管路上设有手动隔离阀；真空抽气机出口端通过波纹管与抽真空管路连接；氮气输送管路与抽真空管路并行连接后连接至真空舱；首次将氮气引射器与真空泵相结合的方式进行高模试验抽真空，通过设定抽真空方法，解决了二次起动时推进剂废气及燃烧产物对于真空设备抽吸废气带来的安全隐患问题。
Description
技术领域
本发明属于航天发动机试验领域，涉及一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统及方法。
背景技术
液体火箭发动机(以下简称发动机)多次真空状态起动高空模拟试验(以下简称高模试验)是在地面模拟液体火箭发动机高空环境进行多次点火起动的试验。
为模拟真空状态，需要将发动机放置于高模装置中，并对高模装置进行真空抽吸。其中高模装置由真空舱、扩压器组成。抽吸真空度要求0.28kPa。由于发动机多次起动，发动二次起动抽真空时，由于发动机点火后，高模装置中环境中有推进剂废气。常规发动机试验后废气主要为氮氧化物、偏二甲肼残余废气、四氧化二氮残余废气等。该废气属于易燃易爆气体，无法使用真空机组进行抽吸。而采用引射器抽吸系统无法满足抽吸至0.28kPa的真空度要求。
发明内容
为了满足液体火箭发动机高模试验中发动机多次真空状态起动抽真空需求，本发明方法提出了一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统及方法，以达到抽吸真空的要求，且避免了推进剂废气对设备造成的安全隐患。
本发明的技术方案是提供一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统，其特殊之处在于：包括氮气引射器与真空抽气机组；氮气引射器出口端连接氮气输送管路，氮气输送管路上设有手动隔离阀；真空抽气机出口端通过波纹管与抽真空管路连接；氮气输送管路与抽真空管路并行连接后连接至真空舱；
上述氮气引射器包括两级气源，分别为一级引射气源与二级引射气源；一级引射气源分两路，分别为第一路一级引射气源、第二路一级引射气源；第一路一级引射气源通过第一管路连接至氮气引射器的一级管路，第二路一级引射气源通过第二管路连接至氮气引射器的二级管路；第一管路与第二管路上均设有手动截止阀；二级引射气源通过三通管路分别与氮气引射器的一级管路及氮气引射器的二级管路连接，三通管路与二级引射气源连接的一端设有H1阀门，另外两端设有手动截止阀；氮气引射器的一级管路与氮气引射器的二级管路并行连接后与氮气输送管路连接；
真空抽气机组包括真空蝶阀、罗茨泵、爪式干泵、冷凝机组、消音器及控制柜；真空蝶阀一端与波纹管连接，真空蝶阀另一端、罗茨泵、爪式干泵及消音器依次相连接；冷凝机组与罗茨泵及爪式干泵连接；控制柜与真空蝶阀、罗茨泵、爪式干泵、冷凝机组及消音器电连接。
本发明首次将氮气引射器与真空泵相结合的方式进行高模试验抽真空，解决了二次起动时推进剂废气及燃烧产物对于真空设备抽吸废气带来的安全隐患问题。
进一步地，为了满足了5t推力发动机40km高空模拟试验起动的要求，一级引射气源静止压力为2.0MPa，动压为1.8MPa，二级引射气源的静止压力为3.5MPa，动压为3MPa。
进一步地，氮气输送管路为DN50管；抽真空管路为DN200管；第一管路与第二管路均为DN32管；三通管路为DN15管。
本发明还提供一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空方法，基于上述的液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、机组送电；
打开电源总开关，打开控制柜内空开，打开控制柜外侧空开；
步骤2、启动冷凝机组；
待冷凝机组供电稳定，打开冷凝机组开关，运行设定时间后进行后续操作；
步骤3、启动氮气引射器；
打开第一管路与第二管路上的手动截止阀，打开手动隔离阀，打开三通管路两端的手动截止阀；氮气引射器开始抽吸；
步骤4、关闭氮气引射器；
当氮气引射器抽吸至设定压力时，依次关闭手动隔离阀、第一管路与第二管路上的手动截止阀、三通管路两端的手动截止阀后切换至氮气破空路气动阀门进行后续控制；
步骤5、启动爪式干泵；
打开控制柜爪式干泵供电开关，待爪式干泵控制器的电流稳定在设定值时，启动爪式干泵；
步骤6、打开真空蝶阀；
待爪式干泵运转正常后，打开真空蝶阀；
步骤7、启动罗茨泵；
当真空计读数小于设定数值时，启动罗茨泵，继续对真空舱进行抽气；
步骤8、关闭真空蝶阀；
当真空计读数小于设定数值时，关闭真空蝶阀，机组继续抽吸，人员撤离，设定时间内进行点火。
本发明的有益效果是：
1、本发明首次将氮气引射器与真空泵相结合的方式进行高模试验抽真空，解决了二次起动时推进剂废气及燃烧产物对于真空设备抽吸废气带来的安全隐患问题。
2、本发明首次通过该真空抽吸系统，满足了5t推力发动机40km高空模拟试验起动的要求。
3、本发明根据试验环境及设备状态，调整工艺流程，确定最佳抽吸接力时间点，为抽吸过程提高效率，并预测保压时间，为点火前准备时间提供依据，确保试验圆满完成。
附图说明
图1为本发明抽真空系统系统组成框图；
图2为本发明氮气引射器原理图；
图3为本发明真空抽气机组原理图；
图4为本发明抽真空调试真空曲线图，其中x轴单位为秒；y轴单位为帕；
图5为本发明抽真空方法流程图；
图中附图标记为：
1-氮气输送管路，2-抽真空管路，3-手动隔离阀；
11-第一路一级引射气源，12-第二路一级引射气源，13-第一管路，14-一级管路，15-第二管路，16-二级管路，17-手动截止阀，18-二级引射气源，19-三通管路，20-H1阀门。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的指示的位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一或第二”仅用于描述日的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例抽真空系统由氮气引射器与真空抽气机组组成。氮气引射器出口端连接氮气输送管路1，氮气输送管路1上设有手动隔离阀3；真空抽气机出口端通过波纹管与抽真空管路2连接；氮气输送管路1与抽真空管路2并行连接后连接至真空舱。
氮气引射器气源分两级，分别为一级引射气源与二级引射气源18；每级引射气源可分为两路。一级引射气源静止压力为2.0MPa，动压为1.8MPa左右，二级引射气源18的静压为3.5MPa，动压为3MPa，采用手动阀门隔离开，抽完真空后将引射器气源阀门关闭，即停止引射。
如图2所示，为本实施例氮气引射器原理图，氮气引射器包括两级气源，分别为一级引射气源与二级引射气源18；一级引射气源分两路，分别为第一路一级引射气源11、第二路一级引射气源12；第一路一级引射气源11通过第一管路13连接至氮气引射器的一级管路14，第二路一级引射气源12通过第二管路15连接至氮气引射器的二级管路16；第一管路13与第二管路15上均设有手动截止阀17；二级引射气源18通过三通管路19分别与氮气引射器的一级管路14及氮气引射器的二级管路16连接，与二级引射气源18连接的三通管路19端设有H1阀门20，另外两端设有手动截止阀17；氮气引射器的一级管路14与氮气引射器的二级管路16并行连接后与氮气输送管路1连接。
本实施例氮气引射器引射通过氮气完成，无需电、油等参与，具有清洁、安全的特点。但缺点是抽吸效率较低，抽吸时间较长。如果单一使用则无法满足该种发动机试验低真空度、多次真空起动的要求。
图3为本实施例真空抽气机组原理图，结合图1，由真空蝶阀、罗茨泵、爪式干泵、冷凝机组及电气控制柜组成。本实施例真空蝶阀选用电动高真空蝶阀，冷凝机组选用全封闭风冷冷凝机组。真空蝶阀一端与波纹管连接，真空蝶阀另一端、罗茨泵、爪式干泵及消音器依次相连接；冷凝机组与罗茨泵及爪式干泵连接；控制柜与真空蝶阀、罗茨泵、爪式干泵、冷凝机组及消音器电连接。本实施例真空抽气机组如果单独使用，机组所抽气体需要经过机组内部，需要与机组内的润滑油相接触，推进剂废气易燃易爆，直接与之接触存在巨大安全隐患。
因此本发明将氮气引射器与真空抽气机组联用，并采用真空封泥封堵与真空舱的各连接部位，先将推进剂废气、发动机内残余推进剂挥发气体等危险气体由氮气引射器抽吸至其一定真空度。即此时认为推进剂废气已被抽吸至真空舱外，后起动爪式干泵先将真空抽气机组部分真空度抽吸至一定真空度后，打开真空蝶阀，进行接力抽吸，待抽吸至3kPa后，起动罗茨泵继续接力抽吸至0.28kPa以下。由于存在一定漏率，罗茨泵需持续进行抽吸，并将真空蝶阀控制引至控制间进行远控，在发动机起动前关闭真空蝶阀，实现发动机真空状态下点火。
如图4所示，为本实施例中各设备起动时间，根据调试结果，判读氮气引射器抽吸效率降低时刻，抽真空曲线趋于水平，图4中判读385s为氮气引射器抽吸结束时刻，此时关闭氮气引射器与真空舱之间的手动隔离阀3。打开爪式干泵、真空蝶阀后继续抽吸，抽真空曲线趋于水平时，且满足罗茨泵本身起动要求，作为起泵时刻，图4中，判读1486s为罗茨泵起泵时刻。
系统漏率计算：根据停机后系统保压情况，结合真空抽气机组的性能，可计算所抽吸空间系统泄漏率及系统最终可抽吸的极限真空度。
具体抽真空的工艺流程如图5所示，包括以下步骤：
S1、准备，并检查准备情况；
检查扩压器舱门等各接口关闭封堵正常；检查扩压器及真空舱各类接头是否连接可靠；检查氮气输送管路1上的手动隔离阀3、第一管路13、第二管路15及三通管路19上的手动截止阀17是否关闭；检查机组总电源是否正常；检查冷凝机组冷水机水箱液位是否正常；检查氮气引射气源压力调配是否正常；若均正常，则进入步骤S2；
S2、机组送电；
打开抽气机组电源总开关，控制柜内空开打开，控制柜外侧空开打开。
S3、启动冷凝机组；
待冷凝机组供电稳定，打开冷凝机组开关，运行15min后进行后续操作；
S4、启动氮气引射器；
依次打开第一管路13与第二管路15上的手动截止阀17，打开DN50氮气引射器手动隔离阀3，18s之后，打开三通管路19两端的手动截止阀17；氮气引射器开始抽吸；
S5、关闭氮气引射器；
当氮气引射器抽吸至3kPa左右时，依次关闭DN50D手动隔离阀3、第一管路13与第二管路15上的手动截止阀17及三通管路19两端的手动截止阀17，切换至氮气破空路气动阀门进行后续控制；
S6、启动爪式干泵
根据真空舱压力曲线趋于平缓时，抽吸效率下降，氮气引射器引射能力与真空舱漏率达到平衡，启动真空抽吸机组继续进行抽吸。依次打开控制柜爪式干泵供电开关，待爪式干泵控制器稳定在35A时，启动爪式干泵。
S7、待爪式干泵运转正常后，打开真空蝶阀；
S8、启动罗茨泵
当真空计读数小于1000Pa时，启动罗茨泵，继续对高模装置进行抽气。
S9、关闭真空蝶阀
当真空计读数小于100Pa时，关闭真空蝶阀，机组继续抽吸，人员撤离，3min内进行点火。
Claims (4)
1.一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统，其特征在于：包括氮气引射器与真空抽气机组；氮气引射器出口端连接氮气输送管路(1)，氮气输送管路(1)上设有手动隔离阀(3)；真空抽气机组出口端通过波纹管与抽真空管路(2)连接；氮气输送管路(1)与抽真空管路(2)并行连接后连接至真空舱；
所述氮气引射器包括两级气源，分别为一级引射气源与二级引射气源(18)；一级引射气源分两路，分别为第一路一级引射气源(11)与第二路一级引射气源(12)；第一路一级引射气源(11)通过第一管路(13)连接至氮气引射器的一级管路(14)，第二路一级引射气源(12)通过第二管路(15)连接至氮气引射器的二级管路(16)；第一管路(13)与第二管路(15)上均设有手动截止阀(17)；二级引射气源(18)通过三通管路(19)分别与氮气引射器的一级管路(14)及氮气引射器的二级管路(16)连接，三通管路(19)与二级引射气源(18)连接的一端设有H1阀门(20)，另外两端设有手动截止阀(17)；氮气引射器的一级管路(14)与氮气引射器的二级管路(16)并行连接后与氮气输送管路(1)连接；
真空抽气机组包括真空蝶阀、罗茨泵、爪式干泵、冷凝机组、消音器及控制柜；真空蝶阀一端与波纹管连接，真空蝶阀另一端、罗茨泵、爪式干泵及消音器依次相连接；冷凝机组与罗茨泵及爪式干泵连接；控制柜与真空蝶阀、罗茨泵、爪式干泵、冷凝机组及消音器电连接。
2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统，其特征在于：一级引射气源的静止压力为2.0MPa，动压为1.8MPa；二级引射气源(18)的静止压力为3.5MPa，动压为3MPa。
3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统，其特征在于：氮气输送管路(1)为DN50管；抽真空管路(2)为DN200管；第一管路(13)与第二管路(15)均为DN32管；三通管路(19)为DN15管。
4.一种液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空方法，基于权利要求1-3任一所述的液体火箭发动机多次低真空度高模试验抽真空系统，包括以下步骤：
步骤1、机组送电；
打开电源总开关，打开控制柜内空开，打开控制柜外侧空开；
步骤2、启动冷凝机组；
待冷凝机组供电稳定，打开冷凝机组开关，运行设定时间后进行后续操作；
步骤3、启动氮气引射器；
打开第一管路(13)与第二管路(15)上的手动截止阀(17)，打开手动隔离阀(3)，打开三通管路(19)两端的手动截止阀(17)；氮气引射器开始抽吸；
步骤4、关闭氮气引射器；
当氮气引射器抽吸至设定压力时，依次关闭手动隔离阀(3)、第一管路(13)与第二管路(15)上的手动截止阀(17)、三通管路(19)两端的手动截止阀(17)；切换至氮气破空路气动阀门进行后续控制；
步骤5、启动爪式干泵；
打开控制柜爪式干泵供电开关，待爪式干泵控制器的电流稳定在设定值时，启动爪式干泵；
步骤6、打开真空蝶阀；
待爪式干泵运转正常后，打开真空蝶阀；
步骤7、启动罗茨泵；
当真空度满足罗茨泵起动要求时，启动罗茨泵，继续对真空舱进行抽气；
步骤8、关闭真空蝶阀；
当真空计读数小于设定数值时，关闭真空蝶阀，机组继续抽吸，人员撤离，设定时间内进行点火。
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