一种液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统的制作方法

1.本实用新型及火箭发动机领域，具体涉及一种液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统。


背景技术：

2.阀门是液体火箭发动机动力系统的精密控制组件，是控制发动机工作所需介质通断的核心组件。其中电控低温流量调节阀更是低温液体火箭发动机向智能化、轻量化发展的核心元件之一。
3.目前低温液体火箭发动机所用的流量调节阀特性曲线地面校准和标定通常有两种方法。一种是采用常温介质-去离子水代替低温介质进行校准和标定，试验过程中采用流量计测量介质流量。该方法获得的流量调节特性曲线往往与超低温真实介质下的特性曲线存在较大偏差，影响流量调节阀后续使用。另一种方法是使用低温真实介质进行校准和标定，但校准试验系统均使用流量计测量介质的流量，使得试验过程极为繁琐费时，耗费大量低温介质，试验成本高昂；用于小流量调节阀校准和标定时，流量计测量精度往往偏差较大；流量计价格昂贵，增加了校准试验系统的建造成本。
4.为保证流量调节特性曲线的准确性，并降低试验成本，设计一种符合液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验的系统显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统。
6.本实用新型提供一种液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统，包括：储箱和已标定文氏管；其中，所述储箱用于存储低温介质；所述储箱出口与所述文氏管通过第一管道连接，所述第一管道设置有断流阀；所述文氏管与流量调节阀通过第二管道连接，其中流量调节阀为被试阀；所述文氏管入口处设置有第一压力传感器和第一温度传感器，用于测量所述文氏管入口处的压力和温度；所述第二管道上设置有第二压力传感器，用于测量所述流量调节阀入口处的压力，所述流量调节阀下游设置有第三压力传感器，用于测量所述流量调节阀出口处的压力。
7.根据本实用新型的一个实施例，还包括第一调节阀，所述第一调节阀通过第三管道与所述流量调节阀下游连接，用于调节流量调节阀下游的压力。
8.根据本实用新型的一个实施例，还包括设置于所述第二管道上的主阀，所述主阀位于所述文氏管和所述第二压力传感器之间。
9.根据本实用新型的一个实施例，还包括设置于所述第一管道上的液体过滤器，所述液体过滤器设置于所述储箱出口和所述断流阀之间。
10.根据本实用新型的一个实施例，所述第二管道设置有第四管道，所述第二管道通过所述第四管道与外界连通，所述第四管道设置有第二调节阀门。
11.根据本实用新型的一个实施例，还包括储气瓶，所述储气瓶出口与所述第一管道通过所述储气瓶的第一分支管道连通，所述储气瓶的第一分支管道与所述第一管道的连通位置位于所述断流阀和所述文氏管之间，所述储气瓶的第一分支管道设置有第三调节阀。
12.根据本实用新型的一个实施例，所述储箱还包括储箱入口，用于向所述储箱中注入液体或气体。
13.根据本实用新型的一个实施例，所述储箱入口处设置有开关阀。
14.根据本实用新型的一个实施例，所述储气瓶出口通过所述储气瓶的第二分支管道和所述开关阀与所述储箱入口连通。
15.根据本实用新型的一个实施例，所述储气瓶的第二分支管道设置有调压装置，所述调压装置位于所述储气瓶出口和所述开关阀之间。
16.根据本实用新型的液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统，通过已标定的文氏管代替传统的流量计对流量调节阀进行校准和标定，降低了校准试验系统的建造成本。同时，解决了小流量校准和标定时流量计测量精度差的问题。
17.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
18.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。
19.图1是本实用新型一个实施例的液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统的示意图；
20.图2是实用新型一个实施例的液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统的吹气部分示意图。
21.附图标记说明：
22.12-储箱，14-断流阀，-第一压力传感器，-第一温度传感器，16-文氏管，-第二压力传感器，19-流量调节阀(被试阀)，-第三压力传感器；
23.1-第一调节阀；
24.18-主阀；
25.13-液体过滤器；
26.2-第二调节阀；
27.21-储气瓶，3-第三调节阀；
28.6-开关阀；
29.15-调压装置，p
z-四压力传感器；
30.20-气体过滤器，17-第十一控制阀，5-第五控制阀，6-第六调节阀，7-第七控制阀，4-第四控制阀，8-第八控制阀，9-第九控制阀，10-第十控制阀，11-单向阀，p
o-第五压力传感器。
具体实施方式
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.图1是本实用新型一个实施例的液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统的示意图；图2是实用新型一个实施例的液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统的吹气部分示意图。
37.如图1所示，本实用新型提供液体火箭发动机超低温流量调节阀校准试验系统，包括储箱12和已标定文氏管16；其中，储箱12用于存储低温介质；储箱12出口与文氏管16通过第一管道连接，第一管道设置有断流阀14；文氏管16与流量调节阀19通过第二管道连接，其中流量调节阀19为被试阀；文氏管16入口处设置有第一压力传感器和第一温度传感器用于测量文氏管16入口处的压力和温度；第二管道上设置有第二压力传感器用于测量流量调节阀19入口处的压力，流量调节阀19下游设置有第三压力传感器用于测量流量调节阀19出口处的压力。
38.目前，低温液体火箭发动机所用的流量调节阀特性曲线地面校准和标定通常有两种方法。一种是采用常温介质-去离子水代替低温介质进行校准和标定，试验过程中采用流量计测量介质流量。该方法获得的流量调节特性曲线往往与超低温真实介质下的特性曲线存在较大偏差，影响流量调节阀后续使用。另一种方法是使用低温真实介质进行校准和标定，但校准试验系统均使用流量计测量介质的流量，使得试验过程极为繁琐费时，耗费大量
低温介质，试验成本高昂；用于小流量调节阀校准和标定时，流量计测量精度往往偏差较大；流量计价格昂贵，增加了校准试验系统的建造成本。
39.在本实施例中，通过已标定的文氏管16代替传统的流量计对流量调节阀进行校准和标定，降低了校准试验系统的建造成本。同时，解决了小流量校准和标定时流量计测量精度差的问题.
40.具体地，打开断流阀14，储箱12存储的低温介质流经断流阀14、文氏管16、流量调节阀19后排出，进行流量调节阀19的校准和标定试验。低温介质在流通过程中，通过第一压力传感器和第一温度传感器分别测量文氏管16入口处的压力p1和温度t1，因为文氏管16已标定，因此可以求得流经文氏管的流量，该流量同样也是流经流量调节阀19的流量。通过第二压力传感器和第三压力传感器分别测量流量调节阀19入口和出口处的压力p2和p3。通过调节流量调节阀19的开度，可以改变流量调节阀19入口处和出口处的压力。通过记录流量调节阀19的开度li、入口压力p2和出口压力p3，得到流量调节阀19开度li与其等效流通面积a
li
的离散对应关系，最后根据该离散对应关系可以数值拟合出流量调节阀19的特性曲线a
l
＝f(l)，计算公式如下：
41.qm＝f(p1，t1，φ)；
ꢀꢀꢀ①
42.qm＝μai(2ρ(p
2i-p
3i
))
1/2
，其中i＝1,2,3
…
；
ꢀꢀꢀ②
43.a
li
＝μai；
ꢀꢀꢀ③
44.通过测量和计算，可得到如下表所示数表，即流量调节阀19开度li与其等效流通面积a
li
的离散对应关系：
[0045][0046]
最后通过数值拟合，可得到调节阀特性曲线：
[0047]al
＝f(l)
[0048]
其中，公式中符号含义如下：
[0049]
qm—流经流量调节阀19的低温介质流量(kg/s)，可根据文氏管孔径φ及文氏管前压力p1、温度t1得到，即公式
①
；
[0050]
φ—文氏管孔径，m；
[0051]
p1—文式管前介质压力，pa；
[0052]
t1—文式管前介质温度，k；
[0053]
μ—调节阀流量系数，无量纲；
[0054]ai
—调节阀在li开度下的阀口流通面积，m2；
[0055]
ρ—低温介质密度，kg/m3；
[0056]
p
2i
—调节阀前介质压力，pa；
[0057]
p
3i
—调节阀后介质压力，pa；
[0058]ali
—调节阀在li开度下的阀口等效流通面积，m2。
[0059]
校准和标定完成后，关闭断流阀14，待校准试验系统管道中低温介质全部泄出。校准试验系统管道恢复常温后，可以将流量调节阀19从校准试验系统管道上拆下。
[0060]
已标定的文氏管16与第一管道和第二管道之间为可拆卸连接(如，法兰连接)，可以根据流量调节阀19的量程范围，选择合适孔径的文氏管，重复上述试验过程。使用低温介质进行试验，比使用常温介质得到的流量调节阀19的特性曲线更加精确。文氏管价格较低，通过更换合适孔径的文氏管，可以解决流量计价格昂贵、校准试验系统的建造成本高，以及小流量调节阀校准和标定时，流量计测量精度往往偏差较大的问题。
[0061]
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，校准试验系统，除储箱12、断流阀14、文氏管16、第一压力传感器第一温度传感器第二压力传感器和第三压力传感器外，还包括第一调节阀1，第一调节阀1通过第三管道与流量调节阀19下游连接，用于调节流量调节阀19下游的压力。
[0062]
流体在高速流量和压力变化的情况下，与流体接触的金属易被气蚀。为了防止流量调节阀19被气蚀，需要保证流量调节阀19入口压力p2和出口处压力p3差在合适范围内。在试验开始前，可以根据流量调节阀19量程范围，调整第一调节阀1的开度，保证后续试验过程中，p3在合适范围内，最终保证流量调节阀19入口压力p2和出口处压力p3差在合适范围内，防止流量调节阀19被气蚀。在试验过程中，还可调节第一调节阀1的开度，用于调整流量调节阀19出口处压力p3。第一调节阀1可以选用节流阀。
[0063]
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，校准试验系统，除储箱12、断流阀14、文氏管16、第一压力传感器第一温度传感器第二压力传感器和第三压力传感器外，还包括设置于第二管道上的主阀18，主阀18位于文氏管16和第二压力传感器之间。在试验中，在不需要读取p1、p2、p3、t1时，如调节流量调节阀19开度的过程中，可以不需要低温介质流经流量调节阀19，此时，可以先关闭主阀18，防止低温介质流经流量调节阀19泄出管路导致低温介质无效流失浪费。
[0064]
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，校准试验系统，除储箱12、断流阀14、文氏管16、第一压力传感器第一温度传感器第二压力传感器和第三压力传感器外，还包括设置于第一管道上的液体过滤器13，设置于储箱12出口和断流阀14之间。液体过滤器13可以过滤低温介质中的杂质，防止低温介质中的杂质堵塞管道。也可避免杂质滞留在流量调节阀19中，引起卡滞，影响其后续在火箭发动机中的使用效果。
[0065]
如图1所示，根据本实用新型的一个实施例，校准试验系统的第二管道还设置有第四管道，第二管道通过第四管道于外界连通，第四管道设置有第二调节阀门2。因为试验中使用的时低温介质，为保证试验结果的精确度，在试验正式开始前，可以先对校准试验系统进行预冷。首先关闭流量调节阀19，打开第二调节阀门2；然后再打开断流阀14。低温介质从储箱12出口流出，流经断流阀14、文氏管16和第二调节阀2，最后由第四管道泄出。预冷过程中，观察第一温度传感器采集的温度数值t1。待t1达到要求值且稳定后，关闭第二调节阀2，
完成预冷。对校准试验系统进行预冷，待文氏管16入口处温度t1达到要求值且稳定后，再使用上述公式
①
计算流经流量调节阀19的低温介质流量，可以使试验结果更加精确，从而保证了流量调节阀19校准和标定的精确度。
[0066]
如图1和图2所示，根据本实用新型的一个实施例，校准试验系统，除储箱12、断流阀14、文氏管16、第一压力传感器第一温度传感器第二压力传感器和第三压力传感器外，还包括储气瓶21。储气瓶21出口与第一管道通过储气瓶21的第一分支管道连通，储气瓶21的第一分支管道与第一管道的连通位置位于断流阀14和文氏管16之间，储气瓶21的第一分支管道设置有第三调节阀3。因为试验采用的使低温介质，当低温介质流经系统管道和设备时，管道中的水汽预低温介质后凝结使系统中的设备卡滞，为防止此现象，在试验正式开始前可以先使用气体(如氮气)对校准试验系统进行吹除和置换。首先关闭断流阀14，打开流量调节阀19，打开流量调节阀19；然后再打开第三调节阀3。储气瓶21中的气体由储气瓶21的第一分支管道，经过第三调节阀3，流入校准试验系统，最后流经流量调节阀排出管道。待吹除和置换完毕后，关闭第三调节阀门3和流量调节阀门19。通过储气瓶21向校准试验系统管道吹气，可以将系统中的水汽置换，防止系统中的水汽预低温介质凝结造成设备卡滞。储气瓶21可以为高压储气瓶。
[0067]
在本实施例中，校准试验系统中的储箱12除储箱出口外，还包括储箱入口。储箱入口处还可设置开关阀6。试验结束后，关闭开关阀6，可以防止储箱内低温介质意外从储箱出口流出。
[0068]
进一步地，储气瓶21出口通过储气瓶21的第二分支管道和开关阀6与储箱入口连通。打开开关阀6，储气瓶21中的气体进入储箱12中，可以给储箱12加压，使储气瓶21中低温介质可以顺利流出进入后续管道。储气瓶21的主管道上可以安装第五压力传感器po，用于测量储气瓶21出口的压力。
[0069]
进一步地，储气瓶21的第二分支管道设置有调压装置15，调压装置15位于储气瓶21的出口和开关阀6之间。当储气瓶21中流出的气体压力过大时，例如，储气瓶21为高压储气瓶，储气瓶21流出的气体，首先经过调压装置15进行减压，然后再进入储箱12内。既可保证储箱12内足够的压力，也可有效调节12内的压力，使储箱12内的压力保持稳定。储箱12内压力值稳定，可以使流经文氏管16和流量调节阀19的流量稳定，即减少了拟合流量调节阀19的特性曲线的计算步骤。调压装置15与开关阀6之间可以安装第四压力传感器pz，更直观测量进入储箱12内的气体压力是否稳定在合适压力值。
[0070]
进一步地，调压装置15与开关阀6之间管道上还设置由单向阀11。单向阀11可以防止储箱12中的低温介质气化后反串至储气瓶21和储气瓶21的第一分支管道和第二分支管道，达到介质隔绝的目的。
[0071]
进一步地，储气瓶21的第一分支管道设置有第四控制阀4，第四控制阀4位于储气瓶21与第三调节阀3之间；储气瓶21的第二分支管道设置有第五控制阀5，第五控制阀5位于储气瓶21与调压装置15之间。单向阀11与开关阀6之间的管道可断开，第四控制阀4与第三调节阀3之间的管道可断开。当不需要储气瓶21向储箱12吹气时，可关闭第四控制阀4和第五控制阀5，将第四控制阀4与第三调节阀3之间的管道、单向阀11与开关阀6之间的管道断开，即拆分为吹气增压系统、校准和标定系统两个独立的系统。储箱21通过入口和开关阀6与空气连通时，可以保证储箱12内的低温介质顺利流出储箱出口；当储箱12内的低温介质
的储量不能满足试验要求时，还可通过储箱入口向储箱12内注入低温介质。
[0072]
进一步地，断流阀14、主阀18为气动调节阀。储气瓶21还包括第三分支管道、第四分支管道、第五分支管道和第六分支管道。第三分支管路、第四分支管路与断流阀14连接，并分别设置第七控制阀7和第八控制阀8，通过第七控制阀7和第八控制阀8的打开和闭合利用气体控制断流阀14的打开和闭合；第五分支管路、第六分支管路与主阀18连接，并分别设置第九控制阀9和第十控制阀10，通过第九控制阀9和第十控制阀10的打开和闭合利用气体控制主阀18的打开和闭合。从而实现远程控制断流阀14和主阀18的目的。
[0073]
进一步地，储气瓶21还可包括第七分支管道，第七分支管道上设置有第十一控制阀17。当储气瓶21中的气体量不足时，可以打开第十一控制阀17，通过第十一控制阀17向储气瓶21充气，可以为高压气，充气完成后，关闭第十一控制阀17。第七分支管道上可设置气体过滤器20，将气体过滤后再充入储气瓶17中，防止气体中混入杂质影响试验设备的灵敏度。
[0074]
本实用新型的上述实施例中，第一调节阀1、第二调节阀2、第三调节阀3、第四控制阀4和第五控制阀5可以为电动调节阀，使用电动调节阀可以实现自动化远程控制。通过远程控制试验系统，可以有效避免低温介质泄漏造成人员冻伤等安全事故。
[0075]
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。例如，在本实用新型一个实施例中，在试验正式开始前，对系统进行吹除和置换，该实施例中，同样可以包含本实用新型另一个实施例中的预冷设备和预冷过程。此时，应在试验系统预冷之前，进行试验系统的吹除和置换，防止在预冷过程中系统中的水汽凝结。
[0076]
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。