一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

A kind of ground test equipment and test method for direct pressurization of cold helium in the temperature zone of liquid oxygen

【技术实现步骤摘要】
一种液氧温区冷氦直接增压地面试验装置及测试方法
本专利技术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。
技术介绍
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。但该专利技术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。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术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。专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)，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。/n

【技术特征摘要】
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)，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永华，邹震峰，张浩，程光平，李扬，任枫，杜海浪，汪彬，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31