[发明专利]全流量试验台氢气系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及液体火箭发动机试验台氢气系统的设计，尤其涉及全流量补燃循环发动机氢气供应系统的设计。

【背景技术】

随着航天技术的发展，研制新型可重复使用火箭发动机的任务日益紧迫，使用氢和氧作为推进剂的全流量补燃循环发动机具有无毒、无污染、可重复使用等优点，是21世纪新型航天器候选动力装置之一。与传统的补燃循环发动机相比较，全流量补燃循环发动机所有流量的推进剂都进入预燃室进行燃烧，其中大部分的氧化剂和少量的燃料进入富氧预燃室，燃烧后形成富氧燃气；大量的燃料和少量的氧化剂进入富燃预燃室进行初步燃烧，形成富燃燃气；预燃室出口的燃气驱动涡轮后，以气体的形式喷射入燃烧室。使用全流量补燃循环的发动机使驱动涡轮的燃气质量增加，在涡轮功率一定的情况下，能降低涡轮入口燃气的温度，有利于涡轮的设计；使用富氧燃气驱动氧涡轮，能降低氧涡轮与泵之间的密封要求。

气-气喷注器是全流量发动机的关键部件之一，虽然全流量发动机进入燃烧室的是高温富氧燃气和富燃燃气，但开展常温氢气和氧气试验研究能揭示喷注器规律性的性质。北京航空航天大学自2002年以来，开展全流量补燃循环发动机关键技术的研究，建立全流量补燃循环发动机实验台，探索该发动机关键技术的解决方案，为将来大推力、可重复使用火箭发动机的研制打下基础。

氢气系统的设计是全流量试验台建设的关键系统之一，主要是为试验部件和点火器提供准确流量的燃料，并且精确控制氢气阀门的开启和关闭。

【发明内容】

本发明创造性地提出了全流量试验台氢气系统的设计，能精确控制氢气的流量和准确控制氢气阀门的开启和关闭。试验系统设计有高的可靠性和安全性。

本发明的全流量试验台氢气系统的设计如下所述。

全流量试验台氢气供应系统分为两部分，一是主氢气路，为试验件供应氢气；另一路是点火氢气路，为点火器提供氢气。

氢气供应系统中，设计有氮气的接口，一是用于在试验完成后吹除管道中的残余氢气；二是将氮气引至减压器用于调节减压器气腔的压力，控制低压氢气压力；三是在试验前用氮气置换管道中的空气。

出于安全因素的考虑，氢气供应系统中，减压器后设计有安全阀，当减压器出现泄漏或出现意外情况时，安全阀将会开启，泄放低压管道中的氢气；氢气管道中设计有接地装置，防止静电积累导致的安全隐患。

【附图说明】

图1是本发明全流量试验台氢气系统图。

【具体实施方式】

本发明首次提出全流量试验台的氢气系统设计。供应系统可分为主氢气路和点火氢气路，具体由氢气压缩机、氢气瓶、高压氢气罐、阀门、减压器和音速喷嘴组成；供应系统中设计有压力和温度测量口便于计算管道中介质流量；设计有氮气吹除和置换接口，用于吹除管道中的残余氢气、为减压器提供操纵气和置换管道中的空气。

氢气系统中将16个氢气瓶组成的氢气汇流输送至高压氢气储罐的方式，当氢气瓶中的氢气压力高于氢气罐中的压力时，开启三通球阀1将氢气直接输送到氢气罐；当气瓶中氢气压力较低时，调整三通球阀1，将低压部分的氢气经过减压器减压，储存在低压氢气罐，之后氢压机将低压氢气压缩成高压氢气，储存到高压氢气罐。

高压氢气罐流出的氢气分两路向输送至试验件，一路为主氢管路，管道设计直径为40mm，为试验件提供氢气；一路为点火氢气路，管道直径为15mm，为点火器提供氢气。

高压氢气罐中的氢气通过过滤器2和高压球阀3后进入主减压器4和点氢减压器5；主氢路经主减压器减压后在设计的流量范围内保证调定的压力精度，进入气动阀6和涡街流量计9，涡街流量计9入口前安装有温度传感器7和压力传感器8，以便于精确测量介质的压力和温度，计算出管道中的流量。流量计后氢气进入全流量试验间，依次通过气动截止阀10、音速喷嘴11，最后由2根软管连接到富燃预燃室；点火器用氢气经点氢减压器5减压后进入气动阀12，然后进入点氢质量流量计13，进入全流量试验间，试验间内氢气分为三路通过音速喷嘴：分别为全流量的富氧预燃室、富燃预燃室和主推力室提供点火氢气。

由于氢气是有一定危险性的气体，当其在空气中的体积浓度达到一定程度后会爆炸，出于安全考虑，在减压器后设计有安全阀15；在系统中的设计有氮气置换接口，用于在试验前用氮气置换管道中的空气，之后用氢气置换氮气；氮气吹除接口用于在试验结束后氮气能吹除管道中的剩余氢气。

试车时，在确定上游高压氢气罐和管路部分压力正常后，依次打开高压气罐上的手阀14、减压器前的球阀3、前置气动阀6和12，并且调节减压器出口达到额定的压力，最后打开在试车间的气动截止阀进行试验；为预防试车间的气动截止阀试车时出现故障而不能关闭或不能完全关闭，在减压器后设置了气动阀6和12。