氫氧火箭發(fā)動機試驗低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

周 磊 陳 鋒 王占林 葉 斌

(北京航天試驗技術(shù)研究所 北京 100074)

氫氧火箭發(fā)動機試驗低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

周 磊 陳 鋒 王占林 葉 斌

(北京航天試驗技術(shù)研究所 北京 100074)

為了保證氫氧火箭發(fā)動機低溫流量測量的準(zhǔn)確性，需要研制低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)。從對低溫流量校準(zhǔn)特點的分析入手，對比動態(tài)替代稱重法的不同原理，優(yōu)選適用于低溫對象的低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)方案，并對稱重系統(tǒng)、儲液容器、液路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。研制的低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)提供了低溫真實介質(zhì)校驗?zāi)芰?，校?zhǔn)流量覆蓋1—50 kg/s，校準(zhǔn)流量計口徑Ф30—80 mm，設(shè)計流量校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.5%(k=2)。

流量校準(zhǔn) 低溫流體 動態(tài)替代稱重 校準(zhǔn)精度

1 引 言

在以氫氧火箭發(fā)動機為代表的低溫液體火箭發(fā)動機研制和試驗過程中，低溫推進(jìn)劑流量是確定發(fā)動機比沖的重要參數(shù)，需要對液氫、液氧、液氮等低溫流體的流量進(jìn)行準(zhǔn)確測量。目前試驗中使用渦輪流量計進(jìn)行低溫推進(jìn)劑流量參數(shù)測量，計量方式是將流量計在實驗室用水介質(zhì)檢定后，安裝到現(xiàn)場推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)中，利用流量計在水介質(zhì)下檢定結(jié)果得到參數(shù)測量數(shù)據(jù)。但是，由于渦輪流量計性能與所測介質(zhì)特性有關(guān)，在水介質(zhì)下標(biāo)定、低溫介質(zhì)推進(jìn)劑中使用時，由于現(xiàn)場安裝條件、介質(zhì)粘度、溫度、壓力不同，會引入較大的系統(tǒng)誤差。根據(jù)俄羅斯研究人員在標(biāo)準(zhǔn)流量裝置實測結(jié)果顯示，低溫介質(zhì)工作附加誤差在1%—3%[1]。

為獲得低溫真實介質(zhì)的流量性能參數(shù)，國外普遍采用動態(tài)替代稱重法對流量計進(jìn)行校準(zhǔn)。美國NASA格林研究中心和國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)聯(lián)合研制的小型液氫容器稱重系統(tǒng)[2]作為液氫量化測量基準(zhǔn)，重復(fù)測量精度達(dá)到0.5%；NIST研制的另一套液氮流量校準(zhǔn)系統(tǒng)[3]，在流量范圍4.5—45 m3/h范圍內(nèi)系統(tǒng)質(zhì)量流量測量不確定度0.17%(k=2)。

中國目前缺乏低溫流量校準(zhǔn)能力，與國外0.5%的不確定度存在較大差距，試驗獲取流量參數(shù)的準(zhǔn)確性受到限制，無法為發(fā)動機性能分析與評定提供準(zhǔn)確依據(jù)。低溫流量真實介質(zhì)校準(zhǔn)系統(tǒng)可以避免介質(zhì)特性差異對流量參數(shù)測量結(jié)果的影響，直接應(yīng)用于液氫/液氧發(fā)動機試驗對象，提高關(guān)鍵參數(shù)流量測量準(zhǔn)確性，為發(fā)動機比沖性能評定提供準(zhǔn)確依據(jù)，并可推廣應(yīng)用于各類低溫流量測量領(lǐng)域。

2 低溫流量校準(zhǔn)總體方案

2.1 低溫流量校準(zhǔn)特點

不同于常溫介質(zhì)，低溫介質(zhì)由于特殊的物性，造成低溫系統(tǒng)由于傳熱傳質(zhì)氣化產(chǎn)生背壓、氣枕溫度不均勻等現(xiàn)象[4]，從而使低溫介質(zhì)流量計校準(zhǔn)系統(tǒng)更加復(fù)雜，需要考慮更多的措施和因素才能達(dá)到較好的校準(zhǔn)不確定度。表1對比了低溫介質(zhì)流量校準(zhǔn)中的特殊性。

表1 低溫流量校準(zhǔn)與常溫流量校準(zhǔn)的區(qū)別Table 1 Differences between cryogenic flow gauging and normal temperature flow gauging

2.2 低溫流量校準(zhǔn)總體方案對比與選擇

將流量計實驗室檢定結(jié)果用于現(xiàn)場實際工作中時，需要充分考慮應(yīng)用介質(zhì)等因素引起的測量不確定度變化，可以通過基于動態(tài)替代稱重的現(xiàn)場校準(zhǔn)方式來解決。動態(tài)替代稱重法流量校準(zhǔn)方法是一種基于質(zhì)量、時間等基本量值的平均流量校準(zhǔn)方法，國內(nèi)外多個行業(yè)的流量計校準(zhǔn)均用此方法[5]。

動態(tài)替代稱重法主要有流出法和流入法兩種。流出法是將介質(zhì)從稱重容器中擠壓流出通過流量計進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，工作原理如圖1所示。流入法是用擠壓方式使介質(zhì)通過流量計流入稱重容器進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，工作原理如圖2所示。二者工作過程如表2所示。其中，W為稱重傳感器測量質(zhì)量，mt為稱重容器自身質(zhì)量，mL稱重容器內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量，mG稱重容器內(nèi)氣枕的質(zhì)量，mW為砝碼質(zhì)量。

圖1 流出法校準(zhǔn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of outflow gauging

圖2 流入法校準(zhǔn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of inflow gauging

表2中給出了質(zhì)量流量計算公式，其中氣枕質(zhì)量在t1和t2時刻的變化量、計時器精度、稱重傳感器精度決定了質(zhì)量流量的校準(zhǔn)不確定度。計時器和稱重傳感器的精度可以做到很高(如0.02%)，因此增壓/排出氣體流量的一致性就決定了校準(zhǔn)精度。

表2 流出法與流入法動態(tài)替代法工作過程Table 2 Dynamic substitution process of inflow and outflow method

表3說明了流入法和流出法稱重容器內(nèi)介質(zhì)變化過程，并分析二者各自影響?？梢钥闯?，在低溫流量校準(zhǔn)時，流入法需考慮的排出氣體流量一致性好，只要測量氣枕排出口的壓力和溫度就可以保證校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度；流出法需考慮增壓氣體的質(zhì)量，由于增壓狀態(tài)下氣枕溫度的復(fù)雜性造成增壓氣體流量在檢定過程中時刻變化，使校準(zhǔn)結(jié)果不確定度變差。流入法排出氣體流量一般為校準(zhǔn)流量的0.5%且穩(wěn)定性好；流出法增壓氣體質(zhì)量隨校準(zhǔn)流量及液位變化而變化，一般為校準(zhǔn)流量的1.5%—4.0%。因此對于低溫介質(zhì)而言，流入法校準(zhǔn)精度要高于流出法，本系統(tǒng)在實施中采用流入法作為低溫流量校準(zhǔn)方案。

表3 低溫流入法和流出法比較(以液氮介質(zhì)校準(zhǔn)為例)Table 3 Differences between inflow and outflow(take example for LN2 gauging)

3 低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)

低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括稱重系統(tǒng)、儲液容器、液路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和測控系統(tǒng)，校準(zhǔn)流量覆蓋1—50 kg/s，校準(zhǔn)流量計口徑Ф30—80 mm，校準(zhǔn)壓力范圍0.1—0.8 MPa，設(shè)計流量校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.5%(k=2)。其中，稱重系統(tǒng)由稱重容器、稱重支架、稱重砝碼及加載器、稱重傳感器等組成；儲液容器存放校準(zhǔn)工作所用的低溫介質(zhì)；液路系統(tǒng)由流量計校準(zhǔn)管路、介質(zhì)輸送管路、介質(zhì)回送管路、低溫泵及低溫閥門等組成；氣路系統(tǒng)由高壓氣源、配氣系統(tǒng)、容器增壓、控制氣、吹除氣系統(tǒng)等組成；測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，完成各類參數(shù)測量和閥門控制功能。

圖3 流入法低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of cryogenic flow gauging with inflow method

3.1 稱重系統(tǒng)

3.1.1 稱重傳感器

稱重傳感器的選擇一方面需要考慮承載能力，另一方面需要考慮能夠滿足流量校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.5%的要求。稱量能力方面，在低溫介質(zhì)重量的基礎(chǔ)上，需要考慮稱重容器重量以及輔助的吊桿、橫梁等結(jié)構(gòu)重量，優(yōu)選總承載重量位于量程50%—85%范圍內(nèi)的稱重傳感器。稱重傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，取被測傳感器精度的1/10，鑒于傳感器的實際量程高于所需實際被測液體的動態(tài)變化量，精度要求再次提高，選擇線性精度優(yōu)于0.03%的傳感器。

3.1.2 砝碼及加載器

根據(jù)校準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求及不同校準(zhǔn)流量點計算，標(biāo)準(zhǔn)砝碼設(shè)計為多塊，可組合使用。每塊砝碼外表鍍硬鉻，耐磨并保護(hù)砝碼質(zhì)量穩(wěn)定，定期送計量部門校準(zhǔn)重量。砝碼設(shè)計為一側(cè)開槽、二處配平結(jié)構(gòu)，利于裝拆和平衡調(diào)整；砝碼和升降機托盤設(shè)計為自動對心錐面，便于豎直方向上找正。經(jīng)由懸掛靜平衡試驗修調(diào)，確保砝碼在中心吊桿吊掛狀態(tài)下的平衡。

鑒于在定位精度、響應(yīng)速度、自鎖、控制及成本方面的優(yōu)勢，加載器采用高精度伺服電機串聯(lián)2個梯形絲桿蝸輪升降機的方案，保證升降運動同步精度優(yōu)于0.1 mm。初始砝碼加載到吊桿上，在某一流量校準(zhǔn)點的校準(zhǔn)過程開始時，在預(yù)定時刻，砝碼加載器頂起，使若干砝碼與中心吊桿脫開，卸載砝碼；校準(zhǔn)結(jié)束后，砝碼復(fù)原，重復(fù)以上過程進(jìn)行下一點的校準(zhǔn)。對于本系統(tǒng)設(shè)計，砝碼升降及穩(wěn)定時間小于10 s。

3.1.3 自垂平衡結(jié)構(gòu)

低溫介質(zhì)受重力作用豎直向下，為保證整個稱重系統(tǒng)的測力環(huán)節(jié)和受力方向一致，采用多種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的自垂平衡。稱重傳感器的連接采用上下正交的關(guān)節(jié)軸承，保證力在豎直方向上自由傳遞。為確保靈活，選擇潤滑型且有潤滑槽的整體式類型，能夠承受足夠的徑向載荷和任一方向0.2倍徑向載荷以內(nèi)的軸向載荷。砝碼吊掛處、稱重容器吊桿處的連接采用球面-球窩自動調(diào)心結(jié)構(gòu)，砝碼、稱重容器及低溫介質(zhì)的重力傳遞給稱重吊架和稱重傳感器上時仍為豎直方向，保證力測量方向與稱重容器及低溫介質(zhì)的重力方向一致。

3.1.4 稱重容器與回收槽

回收槽為立式密閉低溫容器，外部進(jìn)行保溫防護(hù)。稱重容器為立式密閉單壁容器，整體置于回收槽內(nèi)，由下方的回收槽內(nèi)低溫介質(zhì)保溫。不進(jìn)行校準(zhǔn)工作時，稱重容器吊掛于回收槽上。進(jìn)行校準(zhǔn)工作時，稱重容器與回收槽脫開，通過稱重吊架吊起，全部重量由稱重傳感器感知，即稱重質(zhì)量不包含回收槽質(zhì)量和摩擦。

校準(zhǔn)過程中，低溫介質(zhì)通過流量計校準(zhǔn)管路流入稱重容器，并設(shè)計緩沖器減小低溫介質(zhì)流入對稱重質(zhì)量測量的沖擊影響。稱重容器底部配置低溫氣動閥門，校準(zhǔn)過程中關(guān)閉，校準(zhǔn)結(jié)束后打開，將稱重容器中的低溫介質(zhì)卸入回收槽中。

3.2 儲液容器

儲液容器用于存放校準(zhǔn)工作所需低溫介質(zhì)，校準(zhǔn)工作準(zhǔn)備時，低溫介質(zhì)由加注車通過介質(zhì)加注管路輸入儲液容器中；校準(zhǔn)前與校準(zhǔn)過程中，對儲液容器進(jìn)行增壓，使介質(zhì)流經(jīng)介質(zhì)輸送管路、流量計校準(zhǔn)管路進(jìn)入稱重容器，進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)冷和校準(zhǔn)工作；校準(zhǔn)結(jié)束后，通過低溫泵使稱重容器中介質(zhì)經(jīng)介質(zhì)回送管路流回儲液容器，供下次校準(zhǔn)過程使用。

儲液容器為低溫真空絕熱容器，根據(jù)校準(zhǔn)過程介質(zhì)用量計算設(shè)計容器容積，容器配置增壓氣路及壓力、溫度測量接口，容器內(nèi)安裝液位計實時監(jiān)測低溫介質(zhì)存量。

3.3 液路系統(tǒng)

液路系統(tǒng)由介質(zhì)輸送管路、流量計校準(zhǔn)管路、介質(zhì)回送管路、低溫泵及低溫閥門等組成。流量計校準(zhǔn)管路安裝被校流量計，保證被校流量計前后直管段長度要求。根據(jù)不同的流量計口徑，可以更換不同直徑的校準(zhǔn)管路。流量計校準(zhǔn)管路上安裝低溫氣動流量調(diào)節(jié)閥，精確控制管路中低溫介質(zhì)流量。

鑒于低溫介質(zhì)輸送的特殊性，管路及閥門采用聚胺酯發(fā)泡包覆絕熱。對液氧管路進(jìn)行特殊脫脂處理。采用波紋管補償?shù)蜏毓苈份S向收縮位移，采用雙層真空波紋管形式進(jìn)行低溫絕熱，波紋管內(nèi)部設(shè)計導(dǎo)流筒減小對測量流場影響。安裝過濾器保持校準(zhǔn)介質(zhì)清潔。

為節(jié)約低溫介質(zhì)，液路系統(tǒng)設(shè)計為間歇循環(huán)方式。在工作前進(jìn)行管路吹除和低溫介質(zhì)填充預(yù)冷。校準(zhǔn)時關(guān)閉回送管路閥門，低溫介質(zhì)由儲液容器通過輸送管路、校準(zhǔn)管路流入稱重容器。校準(zhǔn)結(jié)束，稱重容器內(nèi)低溫介質(zhì)泄入回收槽，打開回送管路閥門，由低溫泵將回收槽內(nèi)低溫介質(zhì)送回儲液容器，供下次校準(zhǔn)過程使用。

3.4 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)提供容器增壓氣、各氣動閥門操縱氣、容器和管路的吹除氣等，由高壓氣源、配氣系統(tǒng)、容器增壓系統(tǒng)、控制氣系統(tǒng)等組成，如圖4所示。以液氮/液氧的低溫介質(zhì)流量校準(zhǔn)為例，高壓氮氣源經(jīng)過濾器進(jìn)入配氣臺中的集氣排，分3路通過各自的減壓器減壓后依次供給儲液容器增壓、各氣動閥門操縱氣、系統(tǒng)吹除口。

圖4 氣路系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of gas lines system

3.5 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)完成流量控制、砝碼加載控制、關(guān)鍵參數(shù)測量、閥門動作控制、安全監(jiān)控和信息傳輸?shù)裙δ?，核心測控單元是工控機和PLC，各部分如表4所示。其中，流量控制采用多路孔板自動增壓控制策略，由PLC對孔板后壓力測點和標(biāo)準(zhǔn)流量計讀數(shù)反饋控制。砝碼加/卸載控制采用PID閉環(huán)控制位置，接近開關(guān)實現(xiàn)到位和零位反饋觸發(fā)，并由限位開關(guān)做極限位置保護(hù)。由PLC高精度采集板卡采集流量、時間、稱重、低溫介質(zhì)密度(PT-ρ法)和氣枕溫度壓力等關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)低溫流量校準(zhǔn)工藝流程，對校準(zhǔn)管路和回送管路的開斷、儲液容器和稱重容器的放氣等閥門動作進(jìn)行PLC控制。采用多種手段對系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)視，如稱重容器和儲液容器的上下液位由點式溫度液位計進(jìn)行監(jiān)視報警，儲液容器和稱重容器采用爆破膜進(jìn)行箱壓超限保護(hù)，試驗現(xiàn)場重點部位設(shè)置高清攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控。全部測控數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)集成傳輸，并采用綜合通訊及廣播系統(tǒng)，完成操作員之間的通話協(xié)調(diào)、指揮員口令的發(fā)布廣播和警報信號的廣播。

表4 測控系統(tǒng)組成Table 4 Constituents of measurement and control system

4 結(jié) 論

依據(jù)本系統(tǒng)方案，建設(shè)了可用于液氮、液氧、液氫、LNG等多種低溫介質(zhì)的低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計中，獲得以下經(jīng)驗和結(jié)論：

(1)對于傳熱、傳質(zhì)復(fù)雜的低溫介質(zhì)流量校準(zhǔn)而言，流入法比流出法在增壓/排出氣體流量的一致性上更具有優(yōu)勢，易于獲得穩(wěn)定的校準(zhǔn)精度。

(2)相對常溫流量校準(zhǔn)而言，低溫流量校準(zhǔn)在系統(tǒng)設(shè)計上需要考慮保溫、變形補償、氣化排放、低溫區(qū)操作性等特殊性。

(3)砝碼加載需要在有效稱重時間段內(nèi)穩(wěn)定，對砝碼加載器的執(zhí)行速度和穩(wěn)定加載過程要求較高，伺服電機配合升降機使用具有高精度、平穩(wěn)、自鎖安全等優(yōu)勢，是其中一個較好的實現(xiàn)方式。

(4)對增壓流量控制和加載器控制中，具有PID算法的反饋控制可以有效提高控制精度和響應(yīng)速度。

(5)關(guān)鍵參數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計中，測量傳感器精度選擇和位置設(shè)置盡可能考慮對校準(zhǔn)不確定度的影響，需要格外關(guān)注低溫氣枕狀態(tài)、流量計附近介質(zhì)密度等環(huán)節(jié)。

后續(xù)將根據(jù)低溫流量校準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)試和測試的實際情況，實施低溫介質(zhì)流量校準(zhǔn)不確定度評估與改進(jìn)，并開展低溫流量計真實介質(zhì)校準(zhǔn)工作。

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4 王贊社，顧兆林，馮詩愚，等. 低溫推進(jìn)劑貯箱增壓過程的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模擬[J]. 低溫工程，2007，160(6)：28-31，37.

Wang Zanshe，Gu Zhaolin，F(xiàn)eng Shiyu，et al. Simulation of heat transfer and mass transfer in cryogenic propellant tank pressurization process[J]. Cryogenics，2007，160(6)：28-31，37.

5 張喜明，李 雪，王 炎. 重量法標(biāo)定流量計[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2014，31(1)：38-40.

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Design of cryogenic flow gauging system for LH2/LOX rocket engine test

Zhou Lei Chen Feng Wang Zhanlin Ye Bin

(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China)

The cryogenic flow gauging system can guarantee the accuracy of the flow rate measurement for LH2/LOX rocket engine test. Starting with the specialties of cryogenic flow gauging process, different techniques of dynamic substitution were contrasted to make the preferential design decision. The details of weighting system, cryogenic tank, liquid and gas pipes, and measurement and control system were presented. The developed cryogenic flow gauging system provides the capability of flow rate calibration for real cryogenic fluid, which covers the flow rate 1-50 kg/s, the caliber of flowmeter Ф30-80 mm, gauging uncertainty less than 0.5% (k=2).

flow gauging；cryogenic fluid；dynamic substitution weighting；gauging accuracy

2015-10-29；

2016-03-02

國防科工技術(shù)基礎(chǔ)科研項目“液氫/液氧發(fā)動機試驗低溫流量現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)研究”(JSJL2012203A006)資助。

周磊，男，35歲，博士、高級工程師。

TB663

A

1000-6516(2016)02-0060-06