液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制系统及方法
阅读说明：本技术 液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制系统及方法 (Water hammer suppression system and method for liquid rocket engine test propellant supply system ) 是由 丁佳伟 冷海峰 寇兴华 贺宏 乔江晖 王乃世 邹伟龙 郭浩 张俊锋 耿直 朱小江 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制系统及方法。克服现有泄压方式应用在推进剂供应系统水击压力抑制过程中存在的工作量大、操作不便、存在安全风险以及泄压效果不明显的问题。系统包括水击压力泄放装置、充气管路、充气阀门、放气平衡腔、放气管路、放气阀门、压力传感器及推进剂回收容器；通过水击压力泄放装置调节关机水击压力,可将系统关机水击压力峰由70MPa量级降至40MPa以下,系统水击能力降低80％,避免试车过程中水击压力对系统及产品的破坏,在保证水击泄放系统响应迅速、可靠的同时对试车过程发动机的工作不造成影响,规避了技术风险,保证了试车顺利进行。(The invention relates to a water hammer suppression system and method for a propellant supply system in a liquid rocket engine test. The problems that the existing pressure relief mode is applied to the water hammer pressure suppression process of a propellant supply system, and the problems of large workload, inconvenience in operation, safety risk and unobvious pressure relief effect are solved. The system comprises a water hammer pressure relief device, an inflation pipeline, an inflation valve, a deflation balance cavity, an deflation pipeline, a deflation valve, a pressure sensor and a propellant recovery container; the shutdown water hammer pressure is adjusted through the water hammer pressure relief device, the shutdown water hammer pressure peak of the system can be reduced to be lower than 40MPa from 70MPa, the water hammer capacity of the system is reduced by 80%, the damage of the water hammer pressure to the system and products in the trial run process is avoided, the water hammer pressure in the trial run process is ensured to be quick and reliable, meanwhile, the work of an engine in the trial run process is not influenced, the technical risk is avoided, and the smooth running of the trial run is ensured.)
技术领域
本发明涉及一种发动机试验推进剂供应系统水击抑制方法，具体涉及一种大流量高压挤压液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制系统及方法。
背景技术
在常规大流量高压挤压液体火箭发动机试车试验中，发动机启动及关机时，推进剂供应系统会产生与流量及压力相关的水击压力。发动机启动过程中，推进剂供应系统产生的水击压力需达30MPa，才可正常开机。在关机时，经验证在阀门响应时间10ms量级、大流量下时，推进剂供应系统产生的水击压力可达70MPa或更高量级。当大于70MPa时，水击压力会对发动机入口阀门、推进剂供应系统阀门、试验系统卡箍支架的可靠性会造成较大风险。
因此有必要针对试验系统特点及试验要求，研究推进剂供应系统水击压力抑制技术，对发动机关机时，推进剂供应系统产生的水击压力进行泄压，减小水击压力峰值，避免试车过程中水击压力对系统及产品的破坏；同时保证泄压不会对发动机开机及工作过程产生影响，规避技术风险，保证试车顺利进行。
目前可采用的泄压方式一般为安全阀通空排液与爆破膜片泄压等，但是由于常规大流量高压挤压液体火箭发动机试验推进剂为剧毒、可自燃推进剂，因此无法采用安全阀通空排液的方式。同时，试车任务要求在一天内进行多次点火，若采用爆破膜片泄压方式，需在每次点火完成后对管路进行排空吹除方可进行更换爆破膜片操作，工作量大、操作不便且带来了巨大的安全风险。另外，需在对关机水击进行抑制的同时，保证泄压措施不会对开机过程(开机水击30MPa)造成影响，因此若采用安全阀通空排液或爆破膜片进行水击压力泄压，需将整定压力提高到30MPa以上，整定压力的提高，导致响应速度慢，泄压效果不明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种大流量高压挤压液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制系统及方法，以克服现有泄压方式应用在推进剂供应系统水击压力抑制过程中存在的工作量大、操作不便、存在安全风险以及泄压效果不明显的问题。
本发明的技术方案是提供一种大流量高压挤压液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制系统，其特殊之处在于：包括水击压力泄放装置、充气管路、充气阀门、放气平衡腔、放气管路、放气阀门、压力传感器及推进剂回收容器；
水击压力泄放装置包括壳体、气缸顶盖、入口法兰肩圈、活塞底座及活塞；
壳体包括一体设置的气腔壳体与液腔壳体，气腔壳体的过流面积大于液腔壳体的过流面积；气腔壳体与液腔壳体连接部位处开设沿其径向的通气孔；液腔壳体上设有沿其径向的排液口；气缸顶盖固定在气腔壳体一端；气缸顶盖上开设三个与气腔壳体相通的接口；入口法兰肩圈通过法兰固定在液腔壳体一端；活塞底座与入口法兰肩圈配合固定在液腔壳体内部；活塞尾部位于气腔内，且活塞尾部外周面与气腔壳体内壁通过密封结构实现密封；活塞头部位于液腔内，且活塞头部外周面与液腔壳体内壁通过密封结构实现密封，同时，活塞头部与活塞底座压紧时，实现排液口封堵；
水击压力泄放装置的入口法兰肩圈连接三通管路，三通管路的两个端口分别用于与推进剂主管路及发动机主阀连接；
充气管路与水击压力泄放装置气缸顶盖上的其中一个接口连接，充气阀门设置在充气管路上；
放气平衡腔通过放气管路与水击压力泄放装置气缸顶盖上的其中一个接口连接，放气阀门设置在放气管路上；
压力传感器与水击压力泄放装置气缸顶盖上的其中一个接口连接；
推进剂回收容器与水击压力泄放装置排液口连接。
进一步地，活塞与活塞底座之间通过密封线实现密封，当活塞头部与活塞底座压紧时，通过线密封保证液腔体内液体不通过排液口泄出。
进一步地，密封线部位堆焊钴基硬质合金，堆焊完成后再加工到尺寸，以此保证活塞与底座之间密封线硬度的差异。
进一步地，活塞底座外壁与液腔壳体内壁间采用O型密封圈和铝垫两道密封，确保密封的可靠性。
进一步地，气腔过流面积与液腔过流面积之比为6.25。
进一步地，排液口为两个，均布在液腔壳体上。
进一步地，通气孔为四个，均布在气腔壳体上。
进一步地，密封装置为O形圈密封，确保气液不会窜腔。
进一步地，水击压力泄放装置中壳体、气缸顶盖、入口法兰肩圈的材质采用S30408不锈钢；活塞底座O型密封圈材料选用S8101/羧基亚硝基，确保和推进剂的相容性；活塞靠气腔位置O型密封圈材料选用丁晴橡胶，靠液腔位置O型密封圈材料选用S8101/羧基亚硝基。
本发明还提供一种大流量高压挤压液体火箭发动机试验推进剂供应系统水击抑制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、确定气腔压力与液腔压力对应关系；
根据气腔过流面积与液腔过流面积，确定气腔充气至不同压力下，对应的能够打开排液口的液腔压力；
步骤2、确定发动机开机前，气腔压力；
选取液腔压力P1，其中P1大于30MPa；将P1对应的气腔压力作为发动机开机前的气腔压力；
步骤3、发动机开机前，对气腔充气；
发动机开机前，打开充气阀门对水击压力泄放装置气腔进行充气至p1，并在试车过程中保持该压力；
步骤4、发动机关机前，平衡气腔压力；
发动机关机前，打开气腔放气阀门，将气腔压力进行平衡至p2，p2对应的液腔压力小于30MPa，当系统关机，液腔水击压力超过30MPa后，排液口即打开，对液腔压力进行泄放，所泄出推进剂通过回收管路排入回收容器；
步骤5、水击压力泄放完毕，当系统压力恢复至30MPa以下后，水击压力泄放装置活塞在p2气压作用下自动回座，排液口关闭。
本发明的有益效果是：
1、本发明在发动机前端连接水击压力抑制系统，通过其中的水击压力泄放装置调节关机水击压力，可将系统关机水击压力峰由70MPa量级降至40MPa以下，系统水击能力降低80％，避免试车过程中水击压力对系统及产品的破坏，在保证水击泄放系统响应迅速、可靠的同时对试车过程发动机的工作不造成影响，规避了技术风险，保证了试车顺利进行。
2、经调试及试车验证，本发明水击压力泄放装置原理正确，相比于，采用安全阀通空排液或爆破膜片进行水击压力泄压，本发明的整定压力小于30MPa，响应速度块，泄压效果明显，调节简单。
附图说明
图1为本发明水击压力泄放系统原理图；
图2为本发明水击压力泄放装置结构示意图；
图3为本发明气腔平衡系统原理图；
图中附图标记为：1-水击压力泄放装置，2-充气管路，3-充气阀门，4-放气管路，5-放气阀门，6-放气平衡腔，7-推进剂回收容器，8-推进剂供应系统，9-发动机主阀；
11-壳体，12-气缸顶盖，13-活塞，14-活塞底座，15-入口法兰肩圈，16-法兰，17-第一O型密封圈，18-第二O型密封圈，19-第三O型密封圈。
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，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且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“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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、第二或第三”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“安装、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，本实施例水击压力泄放系统布置于发动机入口前，包括水击压力泄放装置1、充气管路2、充气阀门3、放气管路4、放气阀门5、放气平衡腔6、压力传感器及推进剂回收容器7等。水击压力泄放系统前端入口连接DN50三通，分别连接推进剂供应系统8及发动机主阀9。水击压力泄放装置1包括气腔与液腔，液腔的入口端即为水击压力泄放系统前端入口，气腔入口端接充气管路2、放气管路4及压力传感器，充气阀门3与放气阀门5分别设置在充气管路2与放气管路4上。可通过充气管路2、充气阀门3、放气管路4及放气阀门5调节水击压力泄放装置1气腔压力，在液腔水击压力高于气腔压力时开启泄流口进行泄流。
水击压力泄放装置1的具体结构如图2所示，包括壳体11、气缸顶盖12、入口法兰肩圈15、活塞底座14及活塞13；壳体11包括一体设置的气腔壳体与液腔壳体，气腔壳体的过流面积大于液腔壳体的过流面积；本实施例中，气腔通径为DN100，气腔壳体的过流面积与液腔壳体的过流面积比为6.25。气腔壳体上与液腔壳体连接部位处开设沿其径向的通气孔，本实施例开始4个通气孔，且均布在气腔壳体上，当活塞13运动时，用于排出活塞13与壳体11间空腔部分的气体。液腔壳体上设有沿其径向的排液口，用于水击压力泄放时的排液，本实施例在液腔壳体的中段设置两个对称的DN32排液口。气缸顶盖12固定在气腔壳体一端。结合图1，气缸顶盖12上开设三个与气腔壳体相通的DN10直通接头，用于连接充气管路2、放气管路4与压力传感器，可分别用于气腔的充气与放气以及压力测量。入口法兰肩圈15通过法兰16、螺栓固定在液腔壳体一端。活塞底座14与入口法兰肩圈15配合固定在液腔壳体内部。活塞底座14与壳体11间采用O型密封圈和铝垫两道密封，确保密封的可靠性。活塞13尾部位于气腔内，且活塞13尾部外周面与气腔壳体内壁通过密封结构实现密封；活塞13头部位于液腔内，且活塞13头部外周面与液腔壳体内壁通过密封结构实现密封。活塞13上设置两道O形圈密封，确保气液不会窜腔。
水击压力泄放装置的壳体11、气缸顶盖12、入口法兰肩圈15均采用S30408不锈钢；螺栓采用30CrMnSi高强度不锈钢；活塞底座14O型密封圈(第一O型密封圈17)材料选用S8101/羧基亚硝基，确保和推进剂的相容性；活塞13靠气腔位置O型密封圈(第三O型密封圈19)材料选用丁晴橡胶，靠液腔位置O型密封圈(第二O型密封圈18)材料选用S8101/羧基亚硝基。
水击压力泄放装置1的各零件装配前用酒精清洗除油，用干燥氮气吹扫，内腔无可见多余物；装配过程O型密封圈及壳体11内壁密封部位涂7804润滑脂，装配好后检查活门运动灵活无卡滞；装配完成后，气腔进行10MPa气密性试验，液腔进行40MPa水压强度试验，试后吹扫干净。
装置工作时，将水击压力泄放装置1的入口法兰肩圈15连接三通管路，三通管路的两个端口分别与推进剂供应系统8及发动机主阀9连接，通过充气管路2与放气管路4对气腔压力进行实时调节。当气腔压力作用于活塞13且气腔压力大于液腔水击压力时，活塞13与活塞底座14压紧，通过线密封保证腔体内液体不会通过排液口泄出。活塞13密封线部位堆焊钴基硬质合金，堆焊完成后再加工到尺寸，以此保证活塞13与底座之间密封线硬度的差异。当液腔水击压力大于气腔压力时，活塞13向左移动，液体通过活塞13与活塞底座14的间隙排出，经两个对称的DN32排液口流出，接入推进剂回收容器7。
为满足放气时的气体压力平衡要求，建立图3所示的气腔平衡系统，采用Φ108*4.5的不锈钢管75mm作为放气平衡腔6，在试车开机及工作过程中，水击压力泄放装置1气腔保持高压，在试车关机前，打开放气阀门5将气腔压力平衡所需低压。
试验方法
步骤1、确定气腔压力与液腔压力对应关系；
本实施例中气腔过流面积与液腔过流面积比为6.25，通过气液腔压力试验确定不同液腔压力，气腔充气至不同压力下，对应的能够打开排液口的液腔压力，气腔压力对应排液口打开液腔压力如表1。
表1气腔压力对应排液口打开液腔压力对照表
步骤2、确定发动机开机前，气腔压力；
表1中，气腔充气至5.4MPa时，对应的能够打开排液口的液腔压力为32MPa，又由于发动机开机液腔水击压力要求为30MPa，因此，在发动机开机过程中，当气腔压力为5.4MPa时，可保证液腔水击压力为30MPa，此时液腔水击压力小于32MPa，排液口不打开，不影响发动机开机过程。因此，确定发动机开机前，气腔压力为5.4MPa。
步骤3、发动机开机前，对气腔充气；
发动机开机前，打开充气阀门3对水击压力泄放装置1气腔进行充气至5.4MPa，并在试车过程中保持该压力。
步骤4、发动机关机前，平衡气腔压力；
发动机关机前，打开气腔放气阀，将气腔进行平衡至1.5MPa，当系统关机，液腔水击压力超过9.8MPa后，排液口即打开，对水击压力进行泄放，所泄出推进剂通过回收管路排入回收容器。水击压力泄放完毕，当液腔水击压力恢复至9.8MPa以下后，水击压力泄放装置1活塞13在1.5MPa气压作用下自动回座，排液口关闭。
此处，在其他实施例中，也可以将气腔进行平衡至表1中5MPa以下的任何压力值。例如，当将气腔进行平衡至0.5MPa，当系统关机，液腔水击压力超过4MPa后，排液口即打开。水击压力泄放完毕，当液腔水击压力恢复至4MPa以下后，水击压力泄放装置1活塞13在0.5MPa气压作用下自动回座，排液口关闭。再如，当将气腔进行平衡至5MPa，当系统关机，液腔水击压力超过29.8MPa后，排液口即打开。水击压力泄放完毕，当液腔水击压力恢复至29.8MPa以下后，水击压力泄放装置1活塞13在5MPa气压作用下自动回座，排液口关闭。
相比于，采用安全阀通空排液或爆破膜片进行水击压力泄压，本发明的整定压力小于30MPa，响应速度块，泄压效果明显。
经验证，本发明可将系统水击压力峰由70MPa量级降至40MPa以下，系统水击能力降低80％，避免试车过程中水击压力对系统及产品的破坏，在保证水击泄放系统响应迅速、可靠的同时对试车过程发动机的工作不造成影响，规避了技术风险，保证了试车顺利进行。