氫氧發動機推力室身部液氫傳熱試驗系統技術研究

彭龍濤 尹奇志

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

氫氧發動機推力室身部液氫傳熱試驗系統技術研究

彭龍濤 尹奇志

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

為研究某型號氫氧發動機推力室身部液氫的傳熱特性、身部不同深寬比冷卻通道結構對冷卻特性的影響、不同室壓和混合比情況下高深寬比冷卻通道內的肋條溫度分布和氣壁溫度分布特性，設計并建立了液氫傳熱試驗系統；詳細介紹了推進劑供應系統、冷卻液氫供應系統、冷卻水供應系統，以及控制系統的組成和試驗能力；重點論述了關鍵試驗工藝技術，包括降低貯箱增壓起始段壓力峰技術、低溫氫氣排放技術、試驗工藝技術、安全防護措施等方面。

液氫傳熱，系統組成，試驗能力，工藝

1 引 言

液氫傳熱試驗的目的是確定某型號氫氧發動機全尺寸推力室身部不同深寬比冷卻通道結構對冷卻特性的影響。通過液氫傳熱試驗，可以獲取不同室壓和混合比情況下高深寬比冷卻通道內的肋條溫度分布和氣壁溫度分布特性、氫的傳熱特性、傳熱試驗測量技術和方法等信息。液氫傳熱試驗縮比推力室由頭部噴注器、試驗圓柱段和喉部噴管段等部分組成，其中，頭部噴注器采用液氧、氣氫作為推進劑，試驗圓柱段采用液氫冷卻，喉部噴管段采用水冷卻。各介質噴前壓力高，試驗工藝系統復雜，工藝要求高，因此，在試驗系統的設計和建設過程中需要解決諸多設計技術和工藝難題。本文主要論述了某型號氫氧發動機推力室身部液氫傳熱試驗系統的能力特點、關鍵技術及試驗工藝流程。

2 系統組成及試驗能力

根據任務要求，液氫傳熱試驗系統主要由推進劑供應系統、冷卻液氫供應系統、低溫氫氣排放系統、冷卻水供應系統、工藝輔助系統、控制系統、測量系統等組成。

2.1 推進劑供應系統

2.1.1 氣氫供應系統

氣氫供應系統如圖1所示，可以滿足20s～30s試車的需求，主要由氣氫氣源系統、增壓系統、氣氫緩沖氣罐、音速噴嘴、閥門、過濾器，以及輸送管路等組成，其主要技術指標如下：

氣氫供應系統的設計壓力為20MPa；采用7瓶、4m3、18MPa高壓氣瓶；其自動增壓系統采用2路“孔板+電磁閥”智能控制增壓方式，可實現智能增壓穩壓，流量最大可達1.2kg/s；采用緩沖氣罐，用于穩定音速噴嘴入口壓力，防止氣氫流量波動過大；安裝有音速噴嘴，用于控制氣氫流量，音速噴嘴入口安裝溫度和壓力測點，便于計算氣氫密度和進行流量核算；主管路采用Ф58mm×4mm不銹鋼管；主管路過濾器為DN40mm，過濾精度為40μm；主要閥門均采用遠程控制氣動閥門，并在主管路上設置應急閥，在試驗發生故障時可緊急切斷氫氣供應，緩沖氣罐設置安全排空系統，用于試驗后的氫氣處理。

圖1 氣氫輸送系統示意圖

2.1.2 液氧供應系統

液氧供應系統如圖2所示，可以完成額定工況下20s～30s試車，主要由液氧貯箱系統、加注系統、放氣系統、流量計、汽蝕管、閥門、過濾器、輸送管路等組成。其主要技術指標如下：

液氧輸送系統的設計壓力為20MPa。液氧容器為絕熱材料包裹的高壓容器，容器容積為0.2m3，啟動時容器容積為0.15m3，試車時增壓氣體氣墊量和安全剩余量可滿足試驗使用要求。主管道采用內徑為DN50mm的不銹鋼管路，采用外包扎多層堆積絕熱法絕熱。加注過濾器采用DN25mm管路，過濾精度為180μm，主管路過濾器采用DN40mm管路，過濾精度為380μm。液氧主輸送管路安裝汽蝕管和低溫渦輪流量計，汽蝕管用于控制液氧流量，渦輪流量計用于測量試驗過程中液氧的流量。液氧增壓系統采用2路“孔板+電磁閥”智能控制增壓方式，分別對增壓氣體流量進行80%、40%控制，可實現程序自動增壓、穩壓，增壓氣體流量最大可達1.5kg/s。汽蝕管、流量計、預冷閥入口設置溫度和壓力測點，用以換算液氧密度和判斷系統管路預冷溫度，汽蝕管前設置旁路閥門，以便于汽蝕管后系統的預冷。主要閥門采用可遠程控制的氣動閥門，并在主管路上設置應急閥，在試驗發生故障時可緊急切斷液氧供應，貯箱設置智能放氣閥門和安全閥，以確保試驗系統安全。

圖2 液氧供應系統原理圖

2.2 冷卻液氫供應系統及低溫氫氣排放系統

冷卻液氫供應系統如圖3所示，可以滿足20s～30s試車的需求，主要由液氫貯箱、液氫增壓組件、放氣系統、低溫閥門、流量計、汽蝕管、過濾器及輸送管路等組成。其主要元件參數如下：

冷卻液氫供應系統的設計壓力為17.6MPa。液氫貯箱的容積為1.5m3；容器外部設置液氮夾層，采用液氮對容器進行冷卻，內部設置電容式液位計，可遠距離測量貯箱內的液面高度并判斷推進劑的體積，試車時增壓氣體氣墊量和安全剩余量能夠滿足試驗使用要求。主管道采用內徑為DN50mm的不銹鋼管路，采用外包扎多層堆積絕熱法絕熱；與發動機的對接管路采用內徑為DN25mm的高壓金屬軟管。加注過濾器的過濾精度為180μm，主管路過濾器的過濾精度為380μm。主輸送管路安裝汽蝕管和低溫渦輪流量計，其中，汽蝕管用于控制推進劑的流量，渦輪流量計用于測量試驗過程中推進劑的流量。液氫增壓系統采用多路“孔板+電磁閥”智能控制增壓方式，可實現程序自動增壓，增壓氣體為氫氣，流量最大可達0.5kg/s。汽蝕管、流量計入口處設置溫度和壓力測點。主要閥門采用可遠程控制的氣動閥門，并在主管路上設置應急閥，貯箱設置智能放氣閥門和安全閥。放氣系統采用“大放+小放”形式進行控制，大放用于低壓下放氣和試后處理；小放采用“氣動閥+節流孔板”形式，用于試驗程序結束后貯箱高壓放氣，以及試驗準備過程中貯箱置換。液氫排空管采用DN200mm鋁制排空管，H型結構，參照氫氣排空標準設置，排空管有2套，1套用于液氫箱加注階段液氫揮發后的氫氣及增壓氫氣的排放，1套用于低溫氫氣的排空處理。

Application Research on Suction Bucket Foundation for Offshore Wind Power ZHANG Puyang,HUANG Xuanxu(1)

圖3 液氫供應系統及低溫氫氣排放系統原理圖

2.3 冷卻水供應系統

冷卻水供應系統主要由冷卻水貯箱、轉注系統、流量計、冷卻水主閥、高壓金屬軟管、節流孔板，以及輸送管路等組成。其主要元件參數如下：

冷卻水供應系統的設計壓力為20MPa。冷卻水貯箱為2個容量為200L的容器，貯箱安裝液位計。轉注罐容積為1m3。主輸送管路上安裝流量計，可準確測量試驗過程中水路的流量值。加注過濾器和主管路過濾器的過濾精度均為180μm。節流孔板2個，用于控制冷卻水流量。主管道采用內徑為DN50mm的不銹鋼管，與發動機對接管采用DN25mm金屬軟管。主要閥門采用可遠程控制的氣動閥門。

2.4 工藝輔助系統

工藝輔助系統主要由氮氣吹除系統、操控氣系統、氣封系統，以及安全工藝系統等組成。其中，氮氣吹除系統主要由氮氣配氣柜、減壓器、過濾器、吹除電磁閥、單向閥，以及吹除管路等組成，氮氣吹除系統管路及元件按照DN10mm PN10MPa設計，其系統及發動機吹除壓力為2.5MPa，吹除壓力可通過減壓器調節。操控氣系統主要用于試驗臺上閥門及發動機閥門的動作，其構成采用“氮氣配氣板+減壓器+手動開關”的方式，操控氣供氣壓力為5MPa和7MPa（發動機活門要求），因此，配置了2路操控氣系統。氣封系統均采用氮氣，主要用于液氫排空管防止空氣倒吸，其構成采用“氮氣配氣板+減壓器+電磁閥”的方式。安全工藝系統主要包括氮氣消防系統和消防水系統。其中，氮氣消防系統主要包括氫排空匯總管氮消防、爆破膜氮消防和發動機氮消防等3個部分，其構成采用“氮氣源＋電磁閥”的方式，消防管路采用DN10mm不銹鋼管路；消防水系統主要包括試車間整體消防水系統和發動機消防水系統，主要由消防水容器、打壓水泵、氣動球閥和淋水噴頭等組成。由于液氫介質泄漏危險性較大，因此，在試車間和液氫間附近安裝了氫濃度報警傳感器，用以判斷液氫系統是否發生泄漏。

2.5 控制系統

控制系統主要由單元及程序控制系統、實時顯示系統、活門記錄系統和自動增壓系統等組成。其中，單元控制系統主要實現對現場氣動閥門的遠程控制，其采用工控機和繼電器模塊進行時間和開停車程序控制；程序控制系統的時間精度優于10ms，對發動機的程序控制共有2路，對工藝系統的程序控制共有15路。實時顯示系統對試驗主要參數進行監控，便于遠程分析現場參數。活門記錄系統主要記錄試驗過程中閥門動作時序，程序綜合測試后可通過其檢查閥門動作時序是否滿足預設要求。自動增壓系統主要包括液氫貯箱自動增壓系統、氣氫緩沖氣罐增壓系統、液氧貯箱自動增壓系統和冷卻水貯箱增壓系統等，主要用于實現試驗過程中貯箱的增壓、穩壓。

3 關鍵試驗工藝技術研究

某型氫氧發動機推力室身部液氫傳熱試驗系統的推進劑介質采用高壓擠壓方式進行輸送，其特點是推進劑流量較大、箱壓要求較高。由于貯箱容積較小，加注量大，在程序啟始階段，貯箱氣枕容積較小，增壓后超壓嚴重，且貯箱超壓壓力與安全閥起跳壓力較為接近。為了降低增壓階段超壓情況對安全閥的影響，液氫傳熱試驗系統主要采用了如下關鍵技術措施：

（1）建立智能反饋放氣系統

智能反饋放氣系統如圖4所示，主要用于小貯箱點火起始段大流量增壓階段超壓情況下，貯箱小流量放氣。試驗考核結果表明，該系統安全可靠，可按照設定值準確、智能放氣，控制精度可達±5%。

圖4 智能反饋放氣系統控制原理圖

（2）放氣工藝系統采用“大放+小放”形式進行設計。為了防止在智能放氣階段高壓下氫氣放氣流速過快引起爆燃，放氣工藝系統對于小放采用“孔板+放氣閥”的形式控制放氣流速。

（3）提高對液氫傳熱試驗系統貯箱壓力的采樣頻率，優化放氣控制算法，控制放氣壓力精度；對增壓控制算法進行優化，對高壓、大流量下電磁閥的啟閉時序進行優化，減小超壓壓力。

（4）考慮到超壓影響，分別對增壓孔板的精度進行優化，按照增壓氣量80%、40%的控制精度計算出增壓孔板孔徑，并取1.1倍安全余量。

（5）智能放氣系統設置完畢后，在低壓下，模擬智能放氣程序，進行智能反饋放氣測試，確定放氣能力及系統特性。

（6）智能反饋放氣系統對于所放氫氣等氣體，接入排空匯總管進行排出。

3.2 低溫氫氣排放技術

液氫傳熱試驗一般采用高空排放、火炬燃燒、燃燒池處理等3種方式排放大流量低溫氣氫。本液氫傳熱試驗系統擬采用高空排放方式，原因如下：發動機推力室身部出口處低溫氣氫溫度約為120K，經過排放管后，溫度上升，其密度在0.2kg/m3（120K、0.1MPa）和0.08kg/m3（300K、0.1MPa）之間，均小于空氣密度1.16kg/m3，因此，可采用高空排放方式排放；由于排放流量大，火炬燃燒方式較難控制；受試驗場地限制，建造燃燒池較為困難，成本較高，周期較長；試驗單位的大流量低溫氫氣均采用高空排放方式，積累了一定的低溫氫氣排放經驗。

為了確保大流量低溫氫氣排放的安全，需要設計合理的氫排空管，其設計的安全依據是排空管低溫氣氫出口速度和排放口的位置。根據低溫氫氣安全排放的要求，取氫氣排放速度低于0.2Ma的標準來設計排空管系統。氣氫在120K與300K下的音速分別是835m/s和1321m/s，故要求排空管出口的氣氫流速分別不大于167m/s和264m/s。本液氫傳熱試驗中冷卻液氫的最大流量為1.5kg/s，對應的排放管出口總徑分別為239mm和300mm，取最大要求值，其分管內徑應不小于150mm（4個排放口）。鑒于4個排放口的流量可能不均，取1.2倍安全系數，故實際設計每個排放口的內徑為180mm，可以滿足安全排放的要求。常用的排空管規格為Φ250mm×10mm，排放口采用“H”型結構豎直放置，可滿足安全排放要求。經過驗算，采用Φ250mm×10mm的排空鋁管，氫氣排放口的最高排放速率為112.5m/s，且排空管系統排放口位置高于周邊建筑物10m，滿足安全排放要求。另外，在排放管底部設置氮氣消防系統、氦滅火裝置，用以在排空管著火情況下進行緊急處理。

3.3 試驗工藝技術

氫氧發動機液氫傳熱試驗的試驗系統、工藝流程遠比一般常規試驗復雜，主要體現在如下方面：

試驗前一天，需安裝火藥點火器，并進行發動機氣密檢查；試驗當天，在液氫加注階段，需將液氫汽蝕管溫度預冷至50K以下；發動機液氧系統、液氫系統在試車前要求充分冷卻；在發動機預冷時，多處要求氦氣或氮氣吹除，工藝系統需保證氣體流量及壓力；試驗開車前，4個貯箱的預增壓壓力符合試驗大綱要求，且壓力穩定；試驗緊急停車程序條件較多，如某次緊急停車的條件共有6條。

上述要求，使得試車臺工藝系統及試驗流程復雜。針對上述情況，采取了以下措施：

試驗前一天，嚴格按照試驗臺操作規則安裝火藥點火器；安裝完成后，對與發動機對接的工藝管路，按照氦檢漏操作要求進行2MPa純氦氣密性檢查。在液氫加注階段，起始階段進行小流量加注，3min后打開液氫預冷，對主管路進行預冷；5min后打開液氫主閥對、液氫汽蝕管，使發動機在低壓、小流量液氫下進行預冷，待溫度達到70K時進行液氫大流量加注；待加注量達到1m3時，進行小流量補加至1.2m3，此時，液氫汽蝕管前溫度將達到45K左右。按照試車任務書的要求，做好試車的技術準備工作，確保各參試系統經過充分的調試驗證，確保各系統性能穩定、工作可靠。詳細編制試車當天的試驗流程計劃，仔細檢查各工藝過程的實施情況，嚴格控制關鍵參數。制定試驗工藝、測量、控制等工藝技術文件及操作規程，試驗工藝過程操作、檢查記錄，對各階段試驗工藝嚴格把關。總結每次試驗后的經驗，完善工藝方法、管理過程方法，保證后續試驗工藝過程準確與完善。

3.4 安全防護措施

針對預研型號試驗任務中風險性大等問題，試驗過程中的安全、質量控制尤為重要，試驗臺在安全方面，主要采取了以下措施：

制定詳細的操作細則、安全規程、事故應急預案等，安排相關崗位人員進行培訓、演練。對整體消防系統進行檢查與調試，確保在事故發生時能夠保證消防工作實施的可行性。對試驗發動機及其周圍測量、控制電纜進行防護，發動機安裝擋火板，電纜采用石棉布進行包裹，并對試車間周圍的易燃易爆物品進行清理。做好工藝系統的氣密性檢查，以及各貯箱的置換、取樣化驗工作，確保系統工作狀態正常。試車當天，操作人員使用銅、鋁或鍍銅的工具；穿著阻燃、防靜電工作服（或純棉工作服）和防靜電靴；禁止穿化纖或尼龍、毛皮等易產生靜電的材料制成的服裝。此外，進行低溫介質加注的人員必須戴上防凍手套。增加試車間、液氫間的氫濃度報警傳感器裝置，以滿足試驗的報警要求。為預防氫排匯總管口出現著火情況，在匯總管底部增加氮氣消防系統及氦氣滅火系統。更換液氫貯箱爆破膜片，并在爆破膜片出口設置氮氣消防系統。在試驗準備、檢查過程中，嚴格操作，認真完成試驗記錄檢查表所需參數要求。成立緊急事故處理小組，落實處理流程與方式，確保試驗過程中發生的事故能夠快速、有效處置，避免造成嚴重后果。

4 結 論

按照本文方案所設計的氫氧發動機推力室身部液氫傳熱試驗系統已成功完成多次試驗。試驗結果表明，該液氫傳熱試驗系統的工藝系統、控制系統、工藝輔助系統安全、可靠。試驗的圓滿完成為某型號氫氧發動機研制工作的順利進行奠定了基礎。

1 郭霄峰. 液體火箭發動機試驗[M]. 北京∶ 中國宇航出版社, 1990

2 李偉民. 液氧/煤油發動機試驗系統[J]. 火箭推進, 2005, 31(6)∶ 54～60

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1009-8119（2015）07（1）-0056-04