一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置

技术领域

本发明涉及试验测试系统领域，具体涉及一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置。

背景技术

POGO振动是大型液体运载火箭飞行过程中遇到的一个不容忽视的低频振动问题，是由结构纵向振动与推进剂管路系统相互作用而产生的不稳定的闭环自激振动。POGO振动使得火箭的振动环境恶化，对于结构系统，可能造成箭上敏感元件及仪器设备受损或结构超限；对于推进系统，所伴随的推进系统压力和流量脉动可以产生各种有害效应，降低推进系统的性能，甚至造成事故的发生；对于载人航天，还会使航天员遭受到超出人体承受能力的振动。因此，能否抑制POGO振动已成为当代航天运载器的重要设计条件之一，也是人类能否进入宇航飞行的前提之一。

我国现役运载火箭POGO抑制装置一般采用的是膜盒式蓄压器，然而随着运载火箭规模越来越大，传统的膜盒式蓄压器局限性越来越明显，包括所占结构空间大，膜盒生产加工困难，焊缝数量多且难以检测，制造周期长、成本高等。国外大型运载火箭POGO抑制装置大多采用注气式蓄压器，可以按照预定的规律对其气腔进行充放气来实时调整蓄压器的柔度。与传统的膜盒式蓄压器相比，其可以更好地适应低温环境，容积更大，且工作寿命长，工艺性和维护性更好。然而，由于自由液面的存在以及涉及充放气的动作，注气式蓄压器的设计和操作相对来说更为复杂。

国内目前针对注气式蓄压器的研究尚处于起步阶段，还未有现役型号成功使用的成熟经验。因此，亟需针对注气式蓄压器开展深入研究，获得各参数对其性能的影响规律，为其设计准则的制定提供一定的理论依据和数据支撑。由于我国大型运载火箭一般使用液氧煤油作为推进剂，根据总体POGO抑制研究结果，注气式蓄压器一般需要安装于液氧输送管路中。考虑到液氧的安全性以及液氮物理性质与之较为相似，因此地面试验一般可采用液氮工质作为替代来研究注气式蓄压器的相关性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，能够适用于大容积低温注气式蓄压器性能参数影响研究，可变参数包括但不限于蓄压器充气流量、充气温度、排气孔径、输送管压强及其变化速率、环境背压等，可测量参数包括但不限于蓄压器液位、低温液体损耗量以及各个部位的温度、压强等，可用于模拟获得各种工况条件、不同工作参数下注气式蓄压器的工作特性。

为了达到上述的目的，本发明提供一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，包括：输送管、蓄压器、供气组件、蓄压器充气和排气组件、输送管增压和泄压组件、液氮换热器、恒温水浴、气体组分测量密闭容器、真空泵、测量控制系统；

所述输送管内液体通过阻尼孔进入蓄压器，并在蓄压器内形成自由液面和气腔；

所述供气组件为蓄压器气腔充气和输送管气腔增压提供高压气源；

所述蓄压器充气组件控制进入蓄压器气腔的气体的流量和温度；

所述蓄压器排气组件控制排出蓄压器的气液两相流的流量并实时采集其流量大小；

所述输送管增压组件控制进入输送管气枕的气体流量大小进而实现输送管内压强升高速率的调节；

所述输送管泄压组件控制排出输送管气枕的气体流量大小进而实现输送管内压强降低速率的调节；

所述液氮换热器能为蓄压器充气管路中的常温氦气提供冷量并将其温度降至液氮温区，用于模拟实际火箭存放于液氧贮箱中冷氦气瓶的供气温度；

所述恒温水浴能为蓄压器排气管路中的低温液氮提供热量并使其完全气化为氮气，从而便于测量其质量流率；

所述气体组分测量密闭容器能完全收集试验过程中排出的氦气和氮气，结合气体浓度测试仪和压强传感器、温度传感器，获得蓄压器消耗的液氮总质量，与下文蓄压器排出液氮的质量流率计算结果互为验证；

所述真空泵能为蓄压器排气组件下游营造低压环境，模拟实际火箭高空飞行时注气式蓄压器所处环境背压；

所述测量控制系统测量采集系统的压力、温度、液位、气体流量信息，通过阀门与开关控制蓄压器气腔的充放气和输送管气腔的增泄压。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述输送管包括输送管液腔和输送管气腔，蓄压器包括蓄压器液腔和蓄压器气腔；

注气式蓄压器与液体推进剂输送管路通过焊接方式相连，通过液氮加泄阀向输送管液腔内加注一定量的低温液体，液体能通过阻尼孔进入蓄压器液腔，并通过溢流管在蓄压器内形成自由液面和气腔，通过向输送管气腔内补充一定压强的增压气体来改变输送管液腔部分的压强，通过调节输送管气腔压强进而研究蓄压器在不同输送管压强条件下以及在输送管压强不同变化速率条件下的性能。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述蓄压器充气组件包括手动截止阀，通过控制其开闭可以实现常温氦气供给或者低温氦气供给。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述蓄压器充气组件包括气体流量调节阀，通过程序控制其开度从而调节进入蓄压器的氦气流量，并可通过气体流量计Q1实时监测实际的氦气流量。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述蓄压器排气组件包括电磁阀和节流孔板，电磁阀通过液位计H2示数反馈控制开闭，用于极限偏差工况下节流孔板排气能力不足导致蓄压器内自由液面降低至危险阈值时开启，通过增大排气通道面积实现蓄压器气腔快速泄压，从而使液位回复至安全范围，或者用于电磁阀打不开故障时开启，从而使系统具备故障冗余能力。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述恒温水浴能通过气体流量计Q2实时测量排出气体的总质量流率，再结合气体流量计Q1测量的氦气质量流量可以计算获得蓄压器排出液氮的质量流率。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述输送管增压组件包括气体流量调节阀，通过程序控制其开度从而调节进入输送管气枕的增压氦气流量，从而改变输送管内液体压强的升高速率。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述输送管泄压组件包括气体流量调节阀，通过程序控制其开度从而调节输送管气枕向外排出的氦气流量，从而改变输送管内液体压强的降低速率。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，还包括双道安全阀，其中第一道安全阀为机械式安全阀，打开压强为1.0MPa，当输送管内压强超过1.0MPa时打开泄气，降至0.97MPa后安全阀关闭，可多次可靠工作；第二道安全阀为膜片式安全阀，打开压强为1.2MPa，用于第一道安全阀泄压能力不足时的备保，当输送管内压强超过1.2MPa后快速泄气，防止试验系统出现结构性破坏，仅一次可靠工作，但可多次更换。

上述一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置，其中，所述输送管和蓄压器壳体以及液氮换热器下游部分充气管路外壁需包裹绝热材料。

与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：

1)本发明可以根据需要调节蓄压器充气路的气体流量调节阀开度大小来改变充气流量，从而研究不同充气流量下注气式蓄压器性能；

2)本发明可以根据需要选择蓄压器充气路气体是否流经液氮换热器，其中流经液氮换热器的工况主要是用于模拟实际火箭贮箱采用冷氦增压方式下液氧贮箱中冷氦气瓶中气体的温度，未流经液氮换热器的工况对应常温氦增压方式下氦气瓶中气体的温度，据此研究不同充气温度下注气式蓄压器性能；

3)本发明可以根据需要调节蓄压器排气路的节流孔板孔径大小来改变排气排液流量，从而研究不同排气孔径下注气式蓄压器性能；

4)本发明中蓄压器排气路设置了两路并联的电磁阀和节流孔板，实际工作时其中一个电磁阀保持常开，另一个电磁阀根据蓄压器液位反馈控制其开闭，可用于极限偏差工况下常开路节流孔板排气能力不足导致蓄压器内自由液面降低至危险阈值时开启，通过增大排气通道面积实现蓄压器气腔快速泄压，从而使液位回复至安全范围，或者可用于常开路电磁阀打不开故障时开启，从而使系统具备故障冗余能力，避免灾难性后果出现；

5)本发明可以根据需要开启蓄压器排气路下游的真空泵，为蓄压器排气组件下游营造低压环境，模拟实际火箭高空飞行时注气式蓄压器所处环境背压，从而研究环境背压对注气式蓄压器性能的影响；

6)本发明可以根据需要调节输送管气腔增压路的气体流量调节阀开度大小来改变增压流量，进而改变输送管内液体压强升高速率的大小，以模拟实际火箭飞行过程中泵入口压强升高的过程，从而研究输送管压强升高速率快慢对注气式蓄压器性能的影响；

7)本发明可以根据需要调节输送管气腔泄压路的气体流量调节阀开度大小来改变泄压流量，进而改变输送管内液体压强降低速率的大小，以模拟实际火箭飞行过程中泵入口压强降低的过程，从而研究输送管压强降低速率快慢对注气式蓄压器性能的影响；

8)本发明可以通过恒温水浴对蓄压器中排出的低温液体加热使其完全气化，从而便于其流量测量；

9)本发明可以通过蓄压器排气路的气体流量计和气体组分测量密闭容器上的气体浓度测试仪来测量获得蓄压器消耗的低温液体流量和总量，并互为验证。

附图说明

本发明的一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置由以下的实施例及附图给出。

图1为一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置示意图。其中，1为输送管液腔；2为输送管气腔；3为蓄压器液腔；4为蓄压器气腔；5为阻尼孔；6、12、15、17、19、24为电磁阀；7、20为减压器；8、21、25为气体流量调节阀；9、10、13、26、27、36为手动截止阀；11、22为单向阀；14为溢流管；16、18为节流孔板；23为双道安全阀；28、29为液氮加泄阀；30为配气台；31为氦气瓶组；32为测量控制系统；33为液氮换热器；34为恒温水浴；35为密闭容器；37为真空泵；P1～P7为压强传感器；T1～T5为温度传感器；H1、H2为液位计；Q1、Q2为气体流量计；C1为气体浓度测试仪；A为供气组件；B为充气组件；C为排气组件；D为增压组件；E为泄压组件。

具体实施方式

以下对本发明的一种多参数可调的低温注气式蓄压器试验装置作进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示为本发明低温注气式蓄压器多参数可调试验装置示意图，由图可知，低温注气式蓄压器多参数可调试验装置包括输送管液腔1、输送管气腔2、蓄压器液腔3、蓄压器气腔4、阻尼孔5、电磁阀(6、12、15、17、19、24)、减压器(7、20)、气体流量调节阀(8、21、25)、手动截止阀(9、10、13、26、27、36)、单向阀(11、22)、溢流管14、节流孔板(16、18)、双道安全阀23、液氮加泄阀(28、29)、配气台30、氦气瓶组31、测量控制系统32、液氮换热器33、恒温水浴34、密闭容器35、真空泵37、压强传感器P1～P7、温度传感器T1～T5、液位计H1～H2、气体流量计Q1～Q2、气体浓度测试仪C1。

注气式蓄压器与液体推进剂输送管路通过焊接方式相连，通过液氮加泄阀29向输送管液腔1内加注一定量的低温液体，液体可通过阻尼孔5进入蓄压器液腔3，并通过溢流管14在蓄压器内形成自由液面和气腔4，通过向输送管气腔2内补充一定压强的增压气体来改变输送管液腔1部分的压强，通过调节输送管气腔2压强进而研究蓄压器在不同输送管压强条件下以及在输送管压强不同变化速率条件下的性能。

蓄压器充气组件中，液氮换热器33可为蓄压器充气管路中的常温氦气提供冷量并将其温度降至液氮温区，用于模拟实际火箭贮箱采用冷氦增压方式下液氧贮箱中冷氦气瓶中气体的温度；通过选择开启手动截止阀9或手动截止阀10来控制常温氦气供给或者低温氦气供给；当需要改变蓄压器充气流量时，可通过程序控制并调节气体流量调节阀8的开度大小，并可通过气体流量计Q1实时监测实际的氦气流量；

蓄压器排气组件中，排气路设置了两路并联的电磁阀和节流孔板，实际工作时电磁阀15保持常开，电磁阀17根据蓄压器液位计H2示数反馈控制其开闭，可用于极限偏差工况下常开路节流孔板16排气能力不足导致蓄压器内自由液面降低至危险阈值时开启，通过增大排气通道面积实现蓄压器气腔快速泄压，从而使液位回复至安全范围，或者可用于常开路电磁阀15打不开故障时开启，从而使系统具备故障冗余能力，避免灾难性后果出现；当需要改变蓄压器排气排液流量时，可通过更换节流孔板16和节流孔板18的孔径大小实现；恒温水浴34可为蓄压器排气管路中的低温液氮提供热量并使其完全气化为氮气，并可通过气体流量计Q2实时测量排出气体的总质量流率，再结合气体流量计Q1测量的氦气质量流量可以计算获得蓄压器排出液氮的质量流率；气体组分测量密闭容器35可用于完全收集试验过程中排出的氦气和氮气，结合压强传感器P7、温度传感器T5和气体浓度测试仪C1等测量手段可获得每次试验蓄压器消耗的液氮总质量，从而可与上述所得排出液氮的质量流率计算结果互为验证。可选择开启真空泵37，进而为蓄压器排气组件下游营造低压环境，从而模拟实际火箭高空飞行时注气式蓄压器所处环境背压。

输送管增压和泄压组件中，当需要改变输送管压强升高或降低速率时，可通过程序控制并调节气体流量调节阀21或气体流量调节阀25的开度大小，以模拟实际火箭飞行过程中泵入口压强变化的过程，从而研究输送管压强升高或降低速率快慢对注气式蓄压器性能的影响。

在输送管和蓄压器壳体以及液氮换热器33下游部分充气管路外壁包裹绝热材料，从而减少环境对低温系统的热量输入，减缓蓄压器和输送管内低温液氮的升温及蒸发损耗。

综上，本发明的多参数可调低温注气式蓄压器试验装置可实现但不限于蓄压器充气流量、充气温度、排气孔径、输送管压强及其变化速率、环境背压等参数的改变，可测量参数包括但不限于蓄压器液位、低温液体损耗量以及各个部位的温度、压强等，因而本发明可用于模拟获得各种工况条件、不同工作参数下注气式蓄压器的工作特性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。