本發(fā)明屬于航天發(fā)動機試驗技術領域，具體涉及一種火箭發(fā)動機試驗用煤油高低溫換熱系統(tǒng)及加注方法。

背景技術：

我國火箭發(fā)動機采用液氧/煤油為推進劑。為適應運載火箭各發(fā)射場具體情況，一般發(fā)動機煤油入口試驗的溫度范圍為25℃-25℃；為了適應新一代液氧/煤油發(fā)動機的需求，提高發(fā)動機的適應能力，需要進行煤油溫度為30℃～-30℃的考核試驗，尤其是要求發(fā)動機在啟動時的煤油溫度要低于-25℃。目前的試驗平臺是不能夠滿足目前發(fā)動機試驗要求的。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術中的問題，本發(fā)明提供了一種能夠滿足發(fā)動機煤油入口試驗溫度為30℃～-30℃的要求，尤其是滿足了發(fā)動機在啟動時加注的煤油溫度要低于-25℃的火箭發(fā)動機試驗用煤油高低溫換熱系統(tǒng)及加注方法。

本發(fā)明的具體技術方案是：

本發(fā)明提供了一種火箭發(fā)動機試驗用煤油高低溫換熱系統(tǒng)，其改進之處是：包括煤油主容器、換熱大循環(huán)管道以及換熱小循環(huán)管道；

換熱大循環(huán)管道一端與煤油主容器入口連通，另一端與煤油主容器出口連通；換熱大循環(huán)管道上自煤油主容器出口至煤油主容器入口依次安裝有第一氣動閥、第二氣動閥、第三氣動閥、第四氣動閥、第五氣動閥、屏蔽泵、換熱器、流量計、第一手動閥以及第六氣動閥；

第三氣動閥與第四氣動閥之間設置有一連接管道與發(fā)動機連通；

換熱小循環(huán)管道并聯(lián)安裝在換熱大循環(huán)管道上，換熱小循環(huán)管道在換熱大循環(huán)管道上的入口節(jié)點位于煤油主容器出口和第一氣動閥之間；換熱小循環(huán)管道在換熱大循環(huán)管道上的出口節(jié)點位于第五氣動閥與屏蔽泵之間；

換熱小循環(huán)管道自入口節(jié)點至出口節(jié)點上依次安裝第二手動閥、第七氣動閥、流量計以及第八氣動閥。

優(yōu)選的，上述系統(tǒng)還包括用于發(fā)動機預啟動的煤油預啟動容器；煤油預啟動容器通過預啟動管道連接在換熱大循環(huán)管道上，預啟動管道與換熱大循環(huán)管道的連接節(jié)點位于第二氣動閥和第三氣動閥之間；預啟動管道上安裝第九氣動閥。

優(yōu)選的，上述第一氣動閥、第二氣動閥以及第三氣動閥上均并聯(lián)有預備氣動閥。

優(yōu)選的，上述第一手動閥與第六氣動閥之間安裝過濾器；第三氣動閥與第四氣動閥之間安裝過濾器。

通過對上述換熱系統(tǒng)結構的描述，現(xiàn)結合其結構對采用該系統(tǒng)進行煤油加注方法進行介紹，包括以下步驟：

1)換熱小循環(huán)；

打開第二手動閥、第八氣動閥、第九氣動閥、第一手動閥、第六氣動閥，關閉第一氣動閥；屏蔽泵和換熱器均開始工作，煤油主容器中的煤油進行換熱小循環(huán)，煤油主容器中的溫度始終維持要求的溫度值范圍內；

2)換熱大循環(huán)

打開第一氣動閥、第二氣動閥、第三氣動閥、第四氣動閥、第五氣動閥，關閉第一氣動閥；屏蔽泵和換熱器均開始工作，整個換熱大循環(huán)管道中的煤油進行換熱大循環(huán)，換熱大循環(huán)管道中的溫度始終維持在要求的溫度值范圍內；

3)煤油加注；

打開第一氣動閥、第二氣動閥、第三氣動閥，關閉第一手動閥以及第四氣動閥；將煤油主容器中的煤油加注至發(fā)動機中。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明能夠滿足發(fā)動機煤油入口試驗溫度為30℃～-30℃，尤其滿足了發(fā)動機在啟動時加注的煤油溫度要低于-25℃的試驗要求。

2、本發(fā)明采用了煤油預啟動容器，確保了發(fā)動機試驗過程中發(fā)動機能快速反應。

3、本發(fā)明的第一氣動閥、第二氣動閥以及第三氣動閥上均并聯(lián)有并聯(lián)有預備氣動閥，為了確保閥門檢修時，系統(tǒng)能夠正常運行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖；

圖2為換熱大循環(huán)預冷系統(tǒng)示意圖；

圖3為換熱小循環(huán)預冷系統(tǒng)示意圖。

附圖標記如下：

1-煤油主容器、2-換熱大循環(huán)管道3-換熱小循環(huán)管道、4-第一氣動閥、5-第二氣動閥、6-第三氣動閥、7-第四氣動閥、8-第五氣動閥、9-屏蔽泵、10-換熱器、11-流量計、12-第一手動閥、13-第六氣動閥、14-連接管道、15-發(fā)動機、16-第二手動閥、17-第七氣動閥、18-第八氣動閥、19-煤油預啟動容器、20-預啟動管道、21-第九氣動閥、22-預備氣動閥、23-過濾器。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種火箭發(fā)動機試驗用煤油高低溫換熱系統(tǒng)，包括煤油主容器1、換熱大循環(huán)管道2以及換熱小循環(huán)管道3；

換熱大循環(huán)管道2一端與煤油主容器1入口連通，另一端與煤油主容器1出口連通；換熱大循環(huán)管道2上自煤油主容器1出口至煤油主容器1入口依次安裝有第一氣動閥4、第二氣動閥5、第三氣動閥6、第四氣動閥7、第五氣動閥8、屏蔽泵9、換熱器10、流量計11、第一手動閥12以及第六氣動閥13；

第三氣動閥6與第四氣動閥7之間設置有一連接管道14與發(fā)動機15連通；

換熱小循環(huán)管道3并聯(lián)安裝在換熱大循環(huán)管道2上，換熱小循環(huán)管道3在換熱大循環(huán)管道2上的入口節(jié)點位于煤油主容器1出口和第一氣動閥4之間；換熱小循環(huán)管道3在換熱大循環(huán)管道2上的出口節(jié)點位于第五氣動閥8與屏蔽泵9之間；

換熱小循環(huán)管道3自入口節(jié)點至出口節(jié)點上依次安裝第二手動閥16、第七氣動閥17、過濾器23以及第八氣動閥18。

另外，為了確保發(fā)動機啟動時能夠快速反應，該系統(tǒng)還包括用于發(fā)動機預啟動的煤油預啟動容器19；煤油預啟動容器19通過預啟動管道20連接在換熱大循環(huán)管道2上，預啟動管道20與換熱大循環(huán)管道2的連接節(jié)點位于第二氣動閥5和第三氣動閥6之間；預啟動管道20上安裝第九氣動閥21。

為了確保閥門檢修系統(tǒng)能夠正常運行，第一氣動閥4、第二氣動閥5以及第三氣動閥6上均并聯(lián)有預備氣動閥22。

該系統(tǒng)優(yōu)選的方案還有：第一手動閥12與第六氣動閥13之間安裝過濾器23；第三氣動閥6與第四氣動閥7之間安裝過濾器23。

由此可以看出該系統(tǒng)實際上是有兩條循環(huán)線路，分大、小兩個循環(huán)。小循環(huán)由煤油主容器1底部，經過第一手動閥16、第七氣動閥17、過濾器23、第八氣動閥18、屏蔽泵9、換熱器10，從容器頂部流回主容器1。

大循環(huán)煤油主容器1底部，發(fā)動機前彎管處流出，第一氣動閥4、第二氣動閥5、第三氣動閥6、第四氣動閥7、第五氣動閥8、屏蔽泵9、換熱器10、流量計11、第一手動閥12以及第六氣動閥13從容器頂部流回煤油主容器1。為滿足低溫煤油過冷流量調試以及確保試車當天發(fā)動機入口煤油溫度能夠降到試車要求值，

為了確保整個換熱系統(tǒng)的保溫性能，在所有煤油管道包括其管路附件都包有1層海綿保溫層再加玻璃絲綿，以減少煤油管路系統(tǒng)對流和輻射的冷量損失。

如圖1、圖2和圖3所示，基于上述換熱系統(tǒng)，現(xiàn)對利用該系統(tǒng)進行發(fā)動機煤油加注的方法進行描述：

1)換熱小循環(huán)；

打開第二手動閥16、第八氣動閥18、第九氣動閥21、第一手動閥12、第六氣動閥13，關閉第一氣動閥4；屏蔽泵9和換熱器10均開始工作，煤油主容器1中的煤油進行換熱小循環(huán)，煤油主容器1中的溫度始終維持要求的溫度值范圍內；

2)換熱大循環(huán)

打開第一氣動閥4、第二氣動閥5、第三氣動閥6、第四氣動閥7、第五氣動閥8，關閉第二手動閥16；屏蔽泵9和換熱器10均開始工作，整個換熱大循環(huán)管道2中的煤油進行換熱大循環(huán)，換熱大循環(huán)管道2中的溫度始終維持在要求的溫度值范圍內；

3)煤油加注；

打開第一氣動閥4、第二氣動閥5、第三氣動閥6，關閉第一手動閥12以及第四氣動閥7；將煤油主容器1中的煤油加注至發(fā)動機15中。

以下是在試驗過程中的具體操作步驟：

1、氣密性檢查

依次對換熱大循環(huán)管道以及換熱小循環(huán)管道進行氣密檢查。氣密試驗壓力為0.4mpa(表壓)，保壓5分鐘，壓力表無壓降，系統(tǒng)密封可靠。煤油主容器加注煤油前對其進行了包括各換熱管路、各個氣動閥、手動閥及換熱器的整體氣密檢查，檢查壓力為0.4mpa(表壓)，保壓5分鐘，壓力表無壓降，主容器密封可靠。

2、屏蔽泵試運行

cn50-200型屏蔽泵揚程為80米，流量為45m³/h。屏蔽泵各啟動20分鐘，流量調節(jié)閥控制煤油流量約為13.0kg/s，電機電流約26a附近，屏蔽泵運行正常。

3系統(tǒng)加注及循環(huán)調試

對煤油主容器進行煤油加注，在煤油加注過程中，打開加注吹氣手動開關v1對加注煤油吹氮，整個過程持續(xù)1h系統(tǒng)吹入氮氣約為100kg。加注后分別啟動屏蔽泵，進行小循環(huán)，循環(huán)4h，循環(huán)過程中，利用v4進行鼓氮。循環(huán)過程中，流量、壓力數(shù)據(jù)平穩(wěn)，同時得出在煤油流量在13.0dm³/s時，換熱器的流阻約為0.05mpa。

整個過程流量、壓力及鼓氮量見表1。

表1流量、壓力數(shù)據(jù)記錄表

4)煤油小循環(huán)調試

a小循環(huán)降溫調試

首先啟動屏蔽泵，開始煤油循環(huán)，煤油循環(huán)流量為13.0dm³/s。然后進行換熱器液氮加注，對煤油降溫，煤油降溫過程中，同時進行鼓氮，并通過放氣，鼓氮壓力為1.6mpa、流量約為0.02kg/s左右。經過5小時后，煤油主容器內溫度由環(huán)境溫度14.2℃，降低為-27℃。

在煤油換熱過程中，煤油循環(huán)流量穩(wěn)定，始終維持在12.0～13dm³/s左右當溫度降到-27℃后，排除煤油換熱系統(tǒng)的煤油，分別對煤油屏蔽泵入口及出口過濾器拆除進行檢查，發(fā)現(xiàn)過濾器外表良好，無結冰現(xiàn)象。同時，及時對煤油進行取樣化驗，結果煤油中的水分含量為3.6ppm。

這說明，通過在加注過程及換熱過程進行煤油鼓氮，可以完全消除水分結冰對煤油的影響。

b主容器煤油靜置升溫

對煤油主容器煤油進行了溫度監(jiān)測。煤油經過14h的靜置回溫后，煤油主容器煤油溫度升為15.5℃。平均升高速率0.82℃/h。

c煤油主容器煤油小循環(huán)過冷

由于煤油溫升較大，在開始換冷前，煤油已經達到-14℃，通過小循環(huán)換冷的方式對煤油繼續(xù)進行換熱，使其溫度達到一定值，再進行煤油管道充填。

4)主管道加注冷煤油及大循環(huán)換熱

煤油小循環(huán)結束后，進行抽真空，抽真空結束后，進行煤油主管路充填，對煤油換熱主管道進行充填，充填完畢后，啟動屏蔽泵，進行大循環(huán)換熱，到容器內溫度達到-25℃時大循環(huán)結束。

由約0～1500s，為主管路加注，1500s～6500s為大循環(huán)換熱。給主管道加注冷煤油前，主管道內溫度為13.5℃。加注-22℃煤油后，主管道溫度為-15℃，觀察10～20分鐘后，主管道煤油溫度升高到-13℃。由調試數(shù)據(jù)可以看出，在大循環(huán)過程中，煤油主管路溫度最終能達到試車要求。