CN101509798B - 全弹性微小流量测量装置之管路结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，包括推进剂加注管路、推进剂供给管路、贮箱增压管路、回吹气体管路、贮箱放气管路，推进剂加注管路与推进剂贮箱连接，推进剂加注管路上设有贮箱加注阀门。推进剂供给管路与推进剂加注管路与推进剂贮箱连接，推进剂供给管路上设有液体阀门。贮箱增压管路一端与增压气体气源相连，另一端与推进剂贮箱相连，贮箱增压管路上设有贮箱增压阀门；贮箱增压管路上设有一压力传感器，在贮箱增压传感器管路上设有用于贮箱增压传感器管路控制阀门。回吹气体管路一端连接外部的气源，另一端连接贮箱加注管路，回吹气体管路上设有回吹阀门。贮箱放气管路一端与贮箱增压管路相连，另一端连接放气电磁气动阀门。

Description

全弹性微小流量测量装置之管路结构

技术领域：

本发明涉及一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，具体涉及无水肼推进剂安全操作、使用以及微小流量测量技术领域。

背景技术：

液体微小流量测量技术被广泛应用于多种领域，也是航天领域某些发动机研制与应用中的关键、难点技术。

小功率电弧加热发动机被广泛应用于同步卫星和中低轨道卫星的位置保持、轨道控制等任务。为配合以N₂H₄为推进剂电弧加热发动机的研制，研制了一套适用于N₂H₄流量测量的全弹性稳态称重法微小流量测量装置，该套装置可以满足以N₂H₄为推进剂小功率电弧加热发动机10mg/s～60mg/s推进剂流量测量的要求。

然而，肼是一种具有类似氨臭味的无色透明液体，具有很强的吸湿性，易挥发并且蒸汽与大气中水结合会产生白色烟雾。肼具有很强的还原性，与许多具有氧化性的化学物质反应都会产生剧烈的反应，与铁锈等物质接触后剧烈反应并释放大量热量。同时，肼为II级高度危害毒物，对人体具有很大的伤害性。管路中的肼在电火花作用下会产生爆炸现象，因此要求肼推进剂供给管路除了具备推进剂加注、供给等常规功能外，还需要具备对管路内推进剂吹除、清理的功能，壁面管路设计中存在盲管和管路积存推进剂的现象。在具体使用过程中谨慎操作、使用，务必保证使用安全性。

为此，根据肼自身的特点与流量测量系统的功能要求，全弹性稳态称重法微小流量测量系统采用了一种全新的管路布置方式。该管路布置方式能够实现流量测量装置中推进剂加注、推进剂回吹、推进剂供给、推进剂贮箱增压、贮箱放气等功能，既实现了对肼的正常操作也实现了对管路内肼推进剂处理的功能，提高了对肼操作的安全性；并且采用具有良好弹性的不锈钢细管作为贮箱与流量测量系统支撑架之间的连接管路，避免了非弹性连接管路对微小流量测量的误差影响。

创新性的布管方式，使流量测量装置具有良好的使用功能性，保证测得液体推进剂微小流量，同时提高肼在使用中的安全性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，以创新性设计的管路布置方式，实现了全弹性稳态称重法微小流量测量装置肼推进剂加注、推进剂回吹、推进剂供给、贮箱增压、贮箱放气等功能。具体使用中可以通过相关操作，实现肼这一有毒、易挥发危险液体的安全操作；所设计的弹簧状不锈钢细管，可以有效解决常规流量测量系统中非弹性连接管路对于流量测量所产生的误差。该套流量测量系统中独特的管路布置方式，解决了N₂H₄小功率电弧加热发动机微小流量供给与测量的功能需求，同时大大提高了肼使用过程中的安全性。

本发明的技术方案如下：

本发明一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，由推进剂加注管路、推进剂供给管路、贮箱增压管路、回吹气体管路、贮箱放气管路以及相应的管路控制阀门组成。

推进剂加注管路的功能是将存储于中转容器中的肼推进剂加注到推进剂贮箱内，以备试验中使用。推进剂加注管路的一端与暂时存储推进剂的中转容器相连，另一端与推进剂贮箱连接，在推进剂加注管路上设置有用于管路开关控制的贮箱加注阀门。

推进剂供给管路的功能是将贮箱内的推进剂供给给发动机。推进剂供给管路通过一推进剂管路弹性弯管与推进剂贮箱连接，且与推进剂加注管路共用一个接口，在推进剂供给管路上设置有用于控制推进剂供给管路开关与功能转换的液体阀门。

贮箱增压管路的功能是向推进剂贮箱输入增压气体，用以挤压推进剂贮箱内的推进剂实现对发动机推进剂供给。贮箱增压管路的一端与增压气体气源相连，另一端通过一增压气体管路弹性弯管与推进剂贮箱相连，在贮箱增压管路上设置有用于控制贮箱增压管路开关的贮箱增压阀门；其中，在贮箱增压管路上进一步设置有一压力传感器，通过贮箱增压传感器管路与贮箱增压管路上的贮箱增压管路四通连接器相连；在贮箱增压传感器管路上设置有用于控制贮箱压强传感器开关的贮箱增压传感器管路控制阀门。

回吹气体管路的功能是通过回吹气体将推进剂加注过程中，推进剂加注管路内的推进剂一部分吹进推进剂贮箱，另一部分回吹到推进剂中转容器中，保证推进剂加注管路在使用完毕后管内不会存在大量积存推进剂。回吹气体管路一端连接外部的气源，另一端连接贮箱加注管路，在回吹气体管路上设置有控制回吹气体管路开关的回吹阀门。

贮箱放气管路的功能是在需要的情况下快速对推进剂贮箱进行卸压。贮箱放气管路一端与贮箱增压管路上的贮箱增压管路四通连接器相连，另一端连接有可控制贮箱放气管路开关的放气电磁气动阀门(图中未示)。

其中，所述的增压气体管路弹性弯管通过一增压气体管路弹性弯管固定块固定在流量测量装置的支撑架上。

其中，所述的推进剂管路弹性弯管通过一推进剂管路弹性弯管固定块固定在流量测量装置的支撑架上。

其中，所述的增压气体管路弹性弯管及推进剂管路弹性弯管均采用φ2×0.25的不锈钢钢管。

其中，所述的增压气体管路弹性弯管及推进剂管路弹性弯管均弯成直径约为200mm左右弹簧状。

本发明一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，其优点及功效在于：在N₂H₄电弧加热发动机试验台上，采用新型的全弹性稳态称重法微小流量测量系统对以酒精为模拟推进剂进行了流量测量试验，试验测量流量与实际流量进行了比较。试验证明，该套微小流量测量装置测量误差小于2％，满足N₂H₄电弧加热发动机试验研究中微小流量测量的需求；同时，也验证了该套微小流量测量系统具有较好适应性，可以用于其他液体微小流量的测量。

试验过程中，首先进行了贮箱增压试验，通过贮箱增压管路向推进剂贮箱增压至1Mpa，保持10分钟检查系统的气密性；待确定无泄漏情况后，将贮箱压力提升至2MPa，同样保持10分钟检查系统气密性；待确定无泄漏情况后，再次提升贮箱压力重复检查系统气密性，每次压力提升1MPa，直至贮箱压强达到贮箱设计压强4MPa。

完成贮箱气密性试验后，打开贮箱放气阀门对推进剂贮箱进行放气，准备向推进剂贮箱内加注酒精。

采用0.2MPa向推进剂中转容器增压进而将酒精加注到推进剂贮箱，贮箱内推进剂逐渐增加，当全弹性微小流量测量装置中的电子天平示数超过1900g时，关闭推进剂加注管路系统中的贮箱加注阀门，天平稳定后的示数为1987.62g。

为了清理推进剂加注管路中酒精，打开回吹气体管路上的回吹阀门，以0.2MPa的压力进行管路内酒精的回吹，这时天平的示数再次开始增加，说明推进剂加注管路内的酒精已经被吹进推进剂贮箱，而其余的一部分被回吹到推进剂中转容器内，天平示数稳定后的示数为2061.82g。

完成推进剂加注、回吹操作后，开始进行推进剂供给试验。试验中，通过调节配气台减压阀实现推进剂贮箱压强从1.1MPa增加到1.8MPa，其中设有5个工况，每个工况持续时间为10s，这主要是考虑贮箱容积有限，同时降低由于工作时间过短推进剂在出口电磁阀门关闭一瞬间损失的质量对流量测量产生的影响。经过数据采集系统采集流量测量装置的输出信号，经过压力补偿获得10s内稳态质量流量。

为验证该流量测量精度，使用容器接收推进剂供给管路出口流出的酒精，每次称量对应工况流出酒精的质量，将测量装置测量获得的流量与实际酒精总量/时间进行比较，获得流量装置的测量精度。

表1  流量验证试验结果

当推进剂供给试验完成后，需要对推进剂贮箱进行卸压。这时打开贮箱增压放气管路上的阀门对贮箱进行放气。

试验结果表明，设计研制的全弹性稳态称重法微小流量测量系统能够较为准确测得推进剂稳态流量，测量相对误差小于2％。同时，根据管路设计的功能分别进行推进剂加注、推进剂回吹、推进剂贮箱增压、推进剂供给、推进剂贮箱放气试验，成功验证了系统设计的合理行与实用性，系统能够实现设计所既定的功能，顺利保障进行以肼为推进剂的电弧加热发动机试验中有毒推进剂肼操作的安全性。

附图说明

图1为全弹性微小流量测量装置之管路结构的管路分布原理图。

图2为全弹性微小流量测量装置之管路结构的结构图(一)。

图3为全弹性微小流量测量装置之管路结构的结构图(二)。

图中具体标号如下：

1——贮箱增压阀门  2——贮箱增压管路a  3——贮箱增压管路b

4——贮箱增压管路c  5——增压气体管路弹性弯管  6-增压气体管路弹性弯管固定块

7——贮箱增压管路四通连接器  8——贮箱放气管路  9——贮箱增压传感器管路a

10——贮箱增压传感器管路控制阀门  11——贮箱增压传感器管路b  12——回吹阀门

13——回吹气体管路a  14——回吹气体管路b  15——贮箱加注阀门

16——贮箱加注管路a  17——贮箱加注管路b  18——液体阀门a

19——液体阀门b  20——推进剂管路a  21——推进剂管路弹性弯管

22——推进剂管路弹性弯管固定块  23——推进剂管路b  24——推进剂管路c

25——贮箱供给管路接口

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，该结构中所有管路以及配套控制阀门，均被固定在该套微小流量测量装置的支架上。

贮箱增压阀门1前端连接贮箱增压管路a2，后端连接贮箱增压管路b3，贮箱增压管路b3与贮箱增压管路四通连接器7连接，贮箱增压管路四通连接器7另外三个接口分别连接贮箱增压管路c4、贮箱放气管路8和贮箱增压传感器管路a9，贮箱增压管路四通连接器7所连接的这三根管路，分别再连接其下游零部件：其中贮箱增压传感器管路a9接入贮箱增压传感器管路控制阀门10，可以通过打开、关闭贮箱增压传感器管路控制阀门10来控制贮箱压强传感器是否接通进行测量，贮箱增压传感器管路控制阀门10下游连接贮箱增压传感器管路b11；其中贮箱放气管路8，它的作用是用于贮箱泻压，其开关由设置在下游的放气电磁气动阀门(图中未示)控制；其中贮箱增压管路c4，这根管路是经过贮箱增压阀门1的增压气体进入贮箱的管路，贮箱增压管路c4与增压气体管路弹性弯管5连接，增压气体管路弹性弯管5末端与贮箱供给管路接口25连接，另一端被增压气体管路弹性弯管固定块6固定在流量测量装置的支撑架上，避免试验过程中管路由于外界干扰发生移动，并最终影响流量的测量。

贮箱加注阀门15前端连接贮箱加注管路a16，出口端连接贮箱加注管路b17。

液体阀门b19一端与推进剂管路b23连接，另一端与推进剂管路c24连接，并且推进剂管路b23与液体阀门a18的一端连接，液体阀门a18的另一端连接推进剂管路a20，推进剂管路a20再与推进剂管路弹性弯管21连接，推进剂管路弹性弯管21连接贮箱供给管路接口25最终连接到推进剂贮箱26。推进剂管路弹性弯管21通过推进剂管路弹性弯管固定块22固定在流量测量装置的支撑架上。

贮箱加注管路b17连接到推进剂管路b23，即贮箱加注阀门15、液体阀门b19和液体阀门a18各自的一端所连接的管路是相通的，这样的布局和设计是为了满足管路同时具有推进剂加注、推进剂回吹的使用要求。

使用中，通过贮箱加注阀门15对贮箱加注完成后，为了保证管路中没有积存的推进剂形成危险隐患，需要设计管路将加注管路中的推进剂排除干净。设计了回吹管路，回吹阀门12一端与回吹气体管路a13连接，另一端连接回吹气体管路b14，回吹气体管路b14末端连接贮箱加注管路b17。进行回吹的时候，气体由回吹气体管路a13进入回吹阀门12，再由回吹气体管路b14进入液体管路，使得加注管路中的推进剂一部分流量贮箱，另一部分流回系统外的推进剂加注箱。

该流量测量系统中的管路试用了两种规格的不锈钢管，分别为φ4×1和φ2×1.5，材料均为不锈钢材料，具有良好的耐腐蚀性。增压气体管路弹性弯管5、推进剂管路弹性弯管21均采用φ2×1.5的不锈钢钢管，主要考虑直径小、管壁薄的金属管具有良好的弹性，并且在使用过程中将φ2×1.5钢管弯成直径约为200mm左右弹簧状，使弯管弹性更好以便消除微小流量测量中管路非弹性连接的误差影响。其余管路均采用φ4×1的不锈钢钢管。

供给管路的尺寸根据具体应用情况来确定，首先根据推进剂供给流量、推进剂物性和流动状态等确定管路的内径；再根据管路内压力确定管路的厚度，即可获得管路的规格。

推进剂供应管路内径可根据下式确定：

$d=\sqrt{\frac{4Q}{\mathrm{\π\ρv}}}$

式中，d——管路的内径；Q——推进剂的质量流量；ρ——推进剂密度；v——推进剂流动的速度。

管路路的厚度可以按照下式确定：

$S=\frac{\mathrm{Pd}}{2\left[\mathrm{\σ}\right]-P}+c$

式中，P——管路设计压力；d——管路的内径；[σ]——管路设计温度下材料的许用应力；c——管路壁厚的附加量，c＝c₁+c₂；c₁——管材厚度的负偏差；c₂——管路腐蚀裕量。

管路布置过程中需要考虑各个管路的开关控制，在此套微小液体流量测量系统的管路中，开关控制采用宁波星箭航天机械厂生产的手动截止阀，型号为Y5708.1-91，连接处为DN4、37°球头连接，外螺纹为M14×1.5，公称压力为23MPa，阀体材料为1Cr18Ni9Ti，适用于腐蚀性介质。

Claims (5)

1.一种全弹性微小流量测量装置之管路结构，其特征在于：该管路结构由贮箱加注管路、推进剂供给管路、贮箱增压管路、回吹气体管路、贮箱放气管路以及相应的管路控制阀门组成，

所述的贮箱加注管路的功能是将存储于中转容器中的肼推进剂加注到推进剂贮箱内，以备试验中使用，贮箱加注管路的一端与暂时存储推进剂的中转容器相连，另一端与推进剂贮箱连接，在贮箱加注管路上设置有用于管路开关控制的贮箱加注阀门；

所述的推进剂供给管路的功能是将贮箱内的推进剂供给给发动机，推进剂供给管路通过一推进剂管路弹性弯管与推进剂贮箱连接，且与贮箱加注管路共用一个接口，在推进剂供给管路上设置有用于控制推进剂供给管路开关与功能转换的液体阀门；

所述的贮箱增压管路的功能是向推进剂贮箱输入增压气体，用以挤压推进剂贮箱内的推进剂实现对发动机推进剂供给，贮箱增压管路的一端与增压气体气源相连，另一端通过一增压气体管路弹性弯管与推进剂贮箱相连，在贮箱增压管路上设置有用于控制贮箱增压管路开关的贮箱增压阀门；其中，在贮箱增压管路上进一步设置有一压力传感器，通过贮箱增压传感器管路与贮箱增压管路上的贮箱增压管路四通连接器相连；在贮箱增压传感器管路上设置有用于控制贮箱压力传感器开关的贮箱增压传感器管路控制阀门；

所述的回吹气体管路的功能是通过回吹气体将推进剂加注过程中，贮箱加注管路内的推进剂一部分吹进推进剂贮箱，另一部分回吹到推进剂中转容器中，保证贮箱加注管路在使用完毕后管内不会存在大量积存推进剂，回吹气体管路一端连接外部的气源，另一端连接贮箱加注管路，在回吹气体管路上设置有控制回吹气体管路开关的回吹阀门；

所述的贮箱放气管路的功能是在需要的情况下快速对推进剂贮箱进行卸压，贮箱放气管路一端与贮箱增压管路上的贮箱增压管路四通连接器相连，另一端连接有可控制贮箱放气管路开关的放气电磁气动阀门。

2.根据权利要求1所述的全弹性微小流量测量装置之管路结构，其特征在于：所述的增压气体管路弹性弯管通过一增压气体管路弹性弯管固定块固定在流量测量装置的支撑架上。

3.根据权利要求1所述的全弹性微小流量测量装置之管路结构，其特征在于：所述的推进剂管路弹性弯管通过一推进剂管路弹性弯管固定块固定在流量测量装置的支撑架上。

4.根据权利要求1所述的全弹性微小流量测量装置之管路结构，其特征在于：所述的增压气体管路弹性弯管及推进剂管路弹性弯管均采用φ2×1.5的不锈钢钢管。

5.根据权利要求1所述的全弹性微小流量测量装置之管路结构，其特征在于：所述的增压气体管路弹性弯管及推进剂管路弹性弯管均弯成直径为200mm左右弹簧状。

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