CN218297924U - 一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统，包括：科氏力流量计；所述科氏力流量计通过供应管路与贮箱连接，所述贮箱用于存储低温介质，所述供应管路设置有箱底阀；所述科氏力流量计通过低温管路与发动机连接；所述科氏力流量计用于测量低温介质的密度。该测量系统能够对低温介质的密度进行实时测量，并将数据传输至终端进行数据处理和显示。
Description
技术领域
本实用新型涉及液体火箭发动机领域，具体涉及一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统。
背景技术
液体火箭发动机采用液体推进剂，其密度是最基本的物性之一。发动机管路、节流圈、气蚀管、阀门、离心泵等过流部件的设计，以及试验过程中对发动机和过流组件的性能评定，依赖于对液体推进剂密度的精确测量。
针对纯度较高的推进剂或成分较为稳定的混合物，通常采用静态测量方式测量其在不同温度、压力下的密度，并拟合为状态方程。然而，由于推进剂的不稳定性(如易气化)，静态测量方式无法对推进剂密度进行直接地、实时地测量，测量精度不高。
为提推进剂密度测量精度，设计一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统显得尤为重要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统。
本实用新型提供一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统，包括：科氏力流量计；所述科氏力流量计通过供应管路与贮箱连接，所述贮箱用于存储低温介质，所述供应管路设置有箱底阀；所述科氏力流量计通过低温管路与发动机连接；所述科氏力流量计用于测量低温介质的密度。
根据本实用新型的一个实施例，还包括所述贮箱。
根据本实用新型的一个实施例，所述低温管路设置有涡轮流量计；所述涡轮流量计入口处设置有第一温度传感器和第一压力传感器。
根据本实用新型的一个实施例，包括多个所述科氏力流量计。
根据本实用新型的一个实施例，所述贮箱、所述供应管路和所述低温管路采用真空夹层结构，以对其进行绝热。
根据本实用新型的一个实施例，所述供应管路设置有第一排气排液口；所述第一排气排液口设置于所述箱底阀的下游。
根据本实用新型的一个实施例，所述低温管路设置有第二排气排液口。
根据本实用新型的一个实施例，所述低温管路还设置有截止阀；所述截止阀设置于所述第二排气排液口和所述发动机之间。
根据本实用新型的一个实施例，所述低温管路还设置有第二温度传感器；所述第二温度传感器设置于所述第二排气排液口的上游。
根据本实用新型的一个实施例，所述贮箱包括用于存储液氧的液氧贮箱和用于存储液甲烷的液甲烷贮箱；所述科氏力流量计包括第一科氏力流量计和第二科氏力流量计；所述供应管路包括第一供应管路和第二供应管路；所述箱底阀包括第一箱底阀和第二箱底阀；所述液氧贮箱与所述第一科氏力流量计通过所述第一供应管路连接，所述第一供应管路设置有所述第一箱底阀；所述液甲烷贮箱与所述第二科氏力流量计通过所述第二供应管路连接，所述第二供应管路设置有所述第二箱底阀；所述第一科氏力流量计与所述发动机通过所述第一低温管路连接；所述第二科氏力流量计与所述发动机通过所述第二低温管路连接。
根据本实用新型的发动机试验低温推进剂密度实时测量系统，通过科氏力流量计对低温介质的密度进行实时测量，并将数据传输至终端进行数据处理和显示，解决了静态测量方式无法精确地实时测量低温介质密度的问题。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本实用新型所欲主张的范围。
附图说明
下面的附图是本实用新型的说明书的一部分，其绘示了本实用新型的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明实用新型的原理。
图1是本实用新型一个发动机试验低温推进剂密度实时测量系统的示意图；
图2是本实用新型再一个实施例的发动机试验低温推进剂密度实时测量系统的示意图。
附图标记说明：
1-液氧供应系统，2-甲烷供应系统，3-发动机，4-低温管路，5-涡轮流量计，6-截止阀，7-第一排气排液口，8-第二排气排液口，9-贮箱，10-科氏力流量计，11-液氧贮箱，12-第一箱底阀，13-第一科氏力流量计，14-第一低温管路，15-第一涡轮流量计，16-第一截止阀，17-第一供应管路，18-第二供应管路，19-箱底阀，20-供应管路，21-液甲烷贮箱，22-第二箱底阀，23-第二科氏力流量计，24-第二低温管路，25-第二涡轮流量计，26-第二截止阀，P1-第一压力传感器，T1-第一温度传感器，T2-第二温度传感器。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，用于示例性的说明本实用新型的原理，并不被配置为限定本实用新型。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本实用新型实施例的理解。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型实施例的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并非特别指称次序或顺位的意思，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。
在下文描述本实用新型的过程中，可能会在一定场景描述中，仅仅使用“火箭”“运载火箭”“液体火箭”“航天器”“航天运载器”或“导弹”，这仅仅是为了描述方便，其内涵不限于所用得具体词。通常情况下，本实用新型得航天运载器既包括用于运载卫星或飞船或其他探测器的运载火箭、运载器，也包括用于运载军事载荷的各类导弹、火箭弹等武器，以及能够将有效载荷送入空中的类似产品。本领域技术人员在解释上述具体用词时，不得根据描述场景所用的具体词火箭而将仅仅限定为运载器或导弹之一，从而缩小本实用新型的保护范围。
对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。
图1是本实用新型一个发动机试验低温推进剂密度实时测量系统的示意图；图2是本实用新型再一个实施例的发动机试验低温推进剂密度实时测量系统的示意图。
如图1所示，本实用新型提供一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统，包括：科氏力流量计10。科氏力流量计10通过供应管路20与贮箱9连接，贮箱9用于存储低温介质，供应管路20设置有箱底阀19。科氏力流量计10通过低温管路4与发动机3连接。科氏力流量计10用于测量低温介质的密度。
具体地，液体火箭发动机采用液体推进剂，针对纯度较高的推进剂(如液氧、液氮)或成分较为稳定的混合物(如火箭煤油)，通常采用静态测量方式测量其在不同温度T、压力p下的密度ρ，并拟合为状态方程ρ＝f(T，p)。在火箭发动机设计或试验时，将测量得到的推进剂的温度T、压力p带入上述状态方程，即可得到推进剂的密度。然而，当仅使用温度和压力不能计算其密度时，则静态测量方式不能适用于该场景。
其中，液氧甲烷火箭发动机采用组分相对不太稳定的低温混合物液化天然气(LNG)作为燃料，其除去主要组分甲烷外，还含有乙烷、丙烷、氮等多种杂质组分。设LNG中各种杂质组分含量为x1、x2、…、xi，其状态方程形式为ρ＝f(T，p，x1，x2，…，xi)。由此可见，LNG的密度除与其温度、压力有关外，还跟其他组分含量有关。通过该状态方程确定LNG的密度有两个方面的难点：一是，当LNG混合物的组分相对比较复杂时，难以得到高精度的状态方程；二是，难以实时获得LNG的组分含量x1、x2、…、xi。尤其是实时获得LNG的组分含量，成为通过上述状态方程实时获得LNG密度的主要障碍。首先，不同产地、不同工艺制备的LNG组分有较大差别。其次，即便是同一种LNG，由于随着存储期间LNG各组分蒸发速率不同，其组分及空间分布也会随着时间发生变化(即LNG老化)。因此，实用静态测量方式难以精确地实时测量LNG的密度。
LNG交货时或发动机试车前，通常进行LNG采样，然后通过色谱仪获得LNG的组分构成。由于LNG的空间分布，以及组分的部分蒸发，该组分测量的方式难以保证采样的代表性。此外，该组分测量方法是单点和静态的，随着时间推移，试车时实际流入发动的LNG组分已经不同于采样时的LNG组分。即样本中LNG组分与试验过程中的实际组分存在较大差异，通过上述状态方程计算LNG的密度误差较大，从而使发动机性能评估出现偏差。
在本实施例中，科氏力流量计能够以一定的频率对供应管路进行激振，共振频率为关于低温介质密度的函数，通过测量出共振的供应管路的频率变化即可实现低温介质密度的测量。本实施例提供的测量系统，能够直接对贮箱内的低温介质(液氧、液甲烷等)的密度进行测量，保证了低温介质密度测量的实时性。例如，贮箱内存储有液化天然气，在液氧甲烷发动机试车过程中，液化天然气组分变化会导致密度变化。通过本实施例提供的测量系统，能够对液化天然气的密度进行实时直接地测量，从而解决了液氧甲烷发动机试车过程中液化天然气组分变化导致密度难以实时检测造成的测量误差的问题。经过实验验证，通过科氏力流量计对液化天然气进行密度测量，相对于静态测量，测量精度可优于0.5％，显著地提高了发动机性能评估的精度。
除此之外，科氏力流量计还具有质量流量和密度输出功能，即科氏力流量计可以将测量的密度值传输至数据处理终端(如计算机)进行数据处理和显示。通过科氏力流量计对推进剂直接实时的测量，能够获得推进剂在连续流动过程中的实时密度，以及密度变化趋势，解决了静态测量方法代表性不足的问题。
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，测量系统，除科氏力流量计10外，还包括贮箱9。
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，低温管路4设置有涡轮流量计5。涡轮流量计5入口处设置有第一温度传感器T1和第一压力传感器P1。
在本实施例中，涡轮流量计用于测量低温介质的体积流量，第一温度传感器和第一压力传感器用于测量涡轮流量计入口温度T和压力p。若贮箱中存储的为液氧，则通过状态方程ρ＝f(T，p)，获得液氧的理论密度，从而将将涡轮流量计测量的体积流量换算为质量流量。即涡轮流量计能够作为科氏力流量计的备份测点。若贮箱中存储的为液甲烷，科氏流量计可以测得液甲烷的质量流量和密度。由于测量系统中的流体介质为液甲烷LNG，其状态方程为ρ＝f(T；p，x1，x2，…，xi)。其中的杂质含量x1,x2,…,xi不能实时获得，无法靠温度、压力测点代入状态方程准确计算密度。因而，与上述液氧测量过程中将体积流量换算为质量流量不同，当流体介质为甲烷时，通过涡轮流量计测得液甲烷的体积流量Qv、科氏力流量计测得液甲烷的质量流量Qm后，可以通过
计算得出液甲烷的密度。该计算的密度数据能够与科氏力流量计直接测得的密度进行对比或作为备份数据。
根据本实用新型的一个实施例，测量系统包括多个科氏力流量计10。
本实施例提供的测量系统，串联设置了多个科氏力流量计，从而提高了测量系统测量结构的可靠性。
进一步地，本实用新型的测量系统，还可以串联设置多个涡轮流量计对低温介质的体积流量进行测量。
本实施例的测量系统，可以通过
计算得出低温介质的密度。
根据本实用新型的一个实施例，贮箱9、供应管路20和低温管路4采用真空夹层结构，以对其进行绝热。
在本实施例中，无论贮箱用于存储液氧，还是液甲烷，均可以采用真空夹层对其进行隔热。同理，无论供应管路和低温管路用于传输液氧，还是液甲烷，均可以采用真空夹层或绝热层包覆等措施对其进行隔热。
如图1所述，根据本实用新型的一个实施例，供应管路20设置有第一排气排液口7。第一排气排液口7设置于箱底阀19的下游。
使用本实施例的测量系统对低温介质进行密度测量之前或发动机试车前，打开箱底阀，贮箱内低温介质(液氧、液甲烷等)通过供应管路，对供应管路进行预冷，用于预冷的低温介质通过第一排气排液口7排出测量系统管路。预冷后再使用科氏力流量计对低温介质密度进行测量，能够使测量结果更加精确，更具有参考价值。此外，在测量过程中，若低温介质气化(例如，低温介质在流动过程中与外界发生热交换导致其受热气化)，能够通过第一排气排液口7将气化介质排出，确保测量系统管路内不夹气。本领域的技术人员可以理解，第一排气排液口7设置位置距离科氏力流量计越近，越能保证测量精度。
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，低温管路4设置有第二排气排液口8。
在本实施例中，可以通过第二排气排液口对低温管路进行预冷，用于预冷的低温介质通过第二排气排液口排出测量系统管路。
进一步地，第二排气排液口设置于涡轮流量计的下游，用于在正式测量前，对整个测量系统，包括涡轮流量计，进行预冷。
进一步地，还可以在涡轮流量计的上游设置第三排气排液口，用于测量前预冷，且可以将低温管路中的气化推进剂排出测量系统(可以在测量前、测量中进行排气)。
本领域技术人员可以理解，以上只是对排气排液口的设置位置进行举例。可以根据实际需求，在适当位置设置排气排液口。
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，低温管路4还设置有截止阀6。截止阀6设置于第二排气排液口8和发动机3之间。
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，低温管路4还设置有第二温度传感器T2。第二温度传感器T2设置于第二排气排液口8的上游。
在本实施例中，在正式测量或发动机试车之前，可以通过第二排气排液口对测量系统进行预冷。通过监测第二温度传感器的温度测量数据，能够判断是否已经达到预冷效果(如低温管路内的低温介质接近纯液态)。达到预冷效果后，便可以对低温推进剂的质量流量和密度进行测量。打开截止阀，还可以对发动机进行预冷和试车。通过本实施例提供的测量系统，从预冷发动机到点火结束，均能够通过科氏力流量计实时获取低温介质的密度，实现了对推进剂品质的动态监测，从而为发动机性能精确评估提供了更好的依据。
如图2所示，根据本实用新型的一个实施例，贮箱9包括用于存储液氧的液氧贮箱11和用于存储液甲烷的液甲烷贮箱21。科氏力流量计10包括第一科氏力流量计13和第二科氏力流量计23。供应管路20包括第一供应管路17和第二供应管路18。箱底阀19包括第一箱底阀12和第二箱底阀22。液氧贮箱11与第一科氏力流量计13通过第一供应管路17连接，第一供应管路17设置有第一箱底阀12。液甲烷贮箱21与第二科氏力流量计23通过第二供应管路18连接，第二供应管路18设置有第二箱底阀22。第一科氏力流量计13与发动机3通过第一低温管路14连接。第二科氏力流量计23与发动机3通过第二低温管路24连接。
本实施例提供的测量系统，包括液氧供应系统1、甲烷供应系统2和发动机3。液氧供应系统1、甲烷供应系统2分别通过第一低温管路和第二低温管路与发动机连接，并分别为发动机点火实验和预冷提供所需的低温推进剂。其中，液氧供应系统包括液氧贮箱、第一箱底阀、第一供应管路和第一低温管路。甲烷供应系统包括液甲烷贮箱、第二箱底阀、第二供应管路、第二低温管路。
进一步地，液氧供应系统还包括第一涡轮流量计15和设置于第一涡轮流量计和发动机之间的第一截止阀16。甲烷供应系统还包括第二涡轮流量计25和设置于第二涡轮流量计和发动机之间的第二截止阀26。
如前文所述，液氧供应系统和甲烷供应系统还可以在适当位置设置排气排液口，用于测量系统和发动机预冷和排气。
本实用新型的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发动机试验低温推进剂密度实时测量系统，其特征在于，包括：科氏力流量计；
所述科氏力流量计通过供应管路与贮箱连接，所述贮箱用于存储低温介质，所述供应管路设置有箱底阀；
所述科氏力流量计通过低温管路与发动机连接；
所述科氏力流量计用于测量低温介质的密度。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括所述贮箱。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述低温管路设置有涡轮流量计；
所述涡轮流量计入口处设置有第一温度传感器和第一压力传感器。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，包括多个所述科氏力流量计。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述贮箱、所述供应管路和所述低温管路采用真空夹层结构，以对其进行绝热。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述供应管路设置有第一排气排液口；
所述第一排气排液口设置于所述箱底阀的下游。
7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述低温管路设置有第二排气排液口。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述低温管路还设置有截止阀；
所述截止阀设置于所述第二排气排液口和所述发动机之间。
9.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述低温管路还设置有第二温度传感器；
所述第二温度传感器设置于所述第二排气排液口的上游。
10.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述贮箱包括用于存储液氧的液氧贮箱和用于存储液甲烷的液甲烷贮箱；
所述科氏力流量计包括第一科氏力流量计和第二科氏力流量计；
所述供应管路包括第一供应管路和第二供应管路；
所述箱底阀包括第一箱底阀和第二箱底阀；
所述液氧贮箱与所述第一科氏力流量计通过所述第一供应管路连接，所述第一供应管路设置有所述第一箱底阀；
所述液甲烷贮箱与所述第二科氏力流量计通过所述第二供应管路连接，所述第二供应管路设置有所述第二箱底阀；
所述第一科氏力流量计与所述发动机通过第一低温管路连接；
所述第二科氏力流量计与所述发动机通过第二低温管路连接。
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