(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811131152.X
(22)申请日 2018.09.27
(71)申请人 北京航天长征飞行器研究所
地址 100076 北京市丰台区北京9200信箱
76分箱6号
申请人 中国运载火箭技术研究院
(72)发明人 李文浩 邹样辉 田宁 赵玲
张昕 孟刚 水涌涛 周岩
张利嵩 那伟 杨驰 朱连波
袁雷 李彦良 夏吝时 曹知红
姜一通 岳晖 张凯 齐斌 毕琛
徐秀明 宋文潇 李红亮 王树信
(74)专利代理机构 中国航天科技专利中心
11009
代理人 张辉
(51)Int.Cl.G01M 9/04(2006.01)
(54)发明名称大流量高压氧气长时间供应系统(57)摘要大流量高压氧气长时间供应系统，包括N套充灌设备、M组存储设备和流量调节系统。每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器，每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀和一套供应阀，L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀；每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接，汽化器出口与M个充气阀连接；流量调节系统包括音速孔板、控制系统和减压阀；M套供应阀下游管路铺设至风洞加热器氧气管道入口；管路上依 次设置有减压阀和音速孔板；控制系统与每组减压阀连接。本发明既满足了氧气流量可精确调节，又保证了高压氧气供应
过程中的安全性。权利要求书2页 说明书4页 附图1页CN 109238625 A 2019.01.18
C N 109238625
A
1.大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：包括N套充灌设备、M组存储设备和流量调节系统，每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器，每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀和一套供应阀，L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀；每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接，汽化器出口与M个充气阀连接；流量调节系统包括音速孔板、控制系统和减压阀；M套供应阀下游管路与风洞加热器氧气管道入口连接；管路上依次设置有减压阀和音速孔板；所述减压阀为多组并联形式，控制系统与每组减压阀连接，能够远程控制每组减压阀的出口压力。
2.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：每套供应阀包括一个主阀和一个旁通阀，所述主阀和旁通阀并联，旁通阀通径小于主阀通径。
3.根据权利要求2所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：所述主阀采用一体式直通型、
“高进低出”结构，中腔为内压自密封结构，并采用双重防转机构。
4.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：所述音速孔板喉道截面积A*通过如下公式确定：
其中，为氧气供应流量，C＝0.04248，R＝259.8，T 0为环境温度，P0为减压阀出口压力。
5.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：所述每组减压阀包括一个主减压阀、一个比例减压阀和一个电子压力控制器；控制系统通过电子压力控制器调节比例减压阀压力，通过比例减压阀控制主减压阀的出口压力，实现三级控制。
6.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：减压阀入口及出口分别设置阻火段。
7.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：在每个充气阀和对应的L个氧气储罐之间设置有第一放空阀，当储罐内的压力低于2MPa时，利用第一放空阀进行低压氧气排气操作；
M套供应阀和减压阀之间设置有第二放空阀，与第二放空阀连接的排气管道上设置有节流孔板，当供应系统压力为2‐21MPa时，利用第二放空阀进行高压氧气排气操作。
8.根据权利要求7所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：所述节流孔板喉道截面积A*通过如下公式确定：
其中A为排气管道通径，C＝0.04248，R＝259.8，T0为环境温度，u为排气管道流速。
9.根据权利要求1所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：所述供应系统工作流程如下：
(1)风洞试验前，低温泵将来自液氧储罐的液氧充入汽化器产生氧气，然后通过充气管道充入多组氧气储罐，为长时间供应提供所需的氧气；
(2)试验时，控制系统对减压阀出口压力进行调节，在音速孔板的节流作用下，保证氧气的供应流量满足设计要求；
(3)氧气长时间供应过程中，针对氧气流量随氧气温度的降低而增加问题，利用控制系
统对减压阀出口压力进行微调，保证氧气流量不变；
(4)试验结束后，对高压氧气进行排气。
10.根据权利要求9所述的大流量高压氧气长时间供应系统，其特征在于：所述步骤(3)中，控制系统对减压阀出口压力进行微调的依据为氧气长时间供应过程中减压阀出口氧气温度的变化，其中温度变化曲线通过调试过程获得，具体方法为：调试过程中，在所述供应系统氧气储罐中充入氮气，供应过程中全程记录减压阀出口处的温度，获得温度变化曲线。
大流量高压氧气长时间供应系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种大流量(大于20kg/s)高压(大于20MPa)氧气长时间供应系统，属于地面防热试验技术领域。
背景技术
[0002]高温燃气流超声速风洞是高超声速飞行器防热系统考核的重要设备之一，具有大功率、高热流等特点。燃气流超声速风洞试验系统主要包括能源供应系统、加热器、试验舱、扩压器、排气系统等。
氧气煤油在加热器内燃烧产生高温高压燃气，通过超音速喷管形成满足需要的高温燃气，在试验舱内对模型进行考核，之后进过扩压器和排气系统排出。[0003]氧气是强烈的氧化剂、助燃剂，随着压力、温度、浓度的升高，其助燃性也逐步提高。许多在大气中不可燃的材料会在富氧环境中燃烧，易燃材料会更容易点燃，且烧得更快。火灾会更迅速的蔓延，通常还会带有近似爆炸的效果。在空气中不起作用的火源在氧气系统中可以成为至关重要的起火因素。设计、建设氧气系统时需考虑氧气的危害性并减少事故的发生。
[0004]为保证煤油氧气稳定燃烧，高压氧气长时间可靠供应是风洞运行的先决条件。现有的氧气供应系统的流量很少有大于20kg/s的，也不能精确调节氧气流量，无法满足大流量长时间供应需要，且大流量供气过程中氧气的使用安全风险更高。燃气流超声速风洞工作时最高流量可达27.5kg/s，最长工作时间1000s，供应压力大于13MPa，这是目前氧气供应系统无法满足的。
发明内容
[0005]本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供大流量高压氧气长时间供应系统，既满足了氧气流量可精确调节，又保证了高压氧气使用过程中的安全性。[0006]本发明的技术解决方案是：大流量高压氧气长时间供应系统，包括N套充灌设备、M 组存储设备和流量调节系统，每套充灌设备包括一个液氧储罐、一个低温泵、一个汽化器，每组存储设备包括L个氧气储罐、一个充气阀和一
套供应阀，L个氧气储罐共用一个充气阀和一套供应阀；每个液氧储罐出口通过低温泵与汽化器入口连接，汽化器出口与M个充气阀连接；流量调节系统包括音速孔板、控制系统和减压阀；M套供应阀下游管路与风洞加热器氧气管道入口连接；管路上依次设置有减压阀和音速孔板；所述减压阀为多组并联形式，控制系统与每组减压阀连接，能够远程控制每组减压阀的出口压力。
[0007]每套供应阀包括一个主阀和一个旁通阀，所述主阀和旁通阀并联，旁通阀通径小于主阀通径。
[0008]所述主阀采用一体式直通型、“高进低出”结构，中腔为内压自密封结构，并采用双重防转机构。
[0009]所述音速孔板喉道截面积A*通过如下公式确定：
[0010]
[0011]其中，为氧气供应流量，C＝0.04248，R＝259.8，T0为环境温度，P0为减压阀出口压力。
[0012]所述每组减压阀包括一个主减压阀、一个比例减压阀和一个电子压力控制器；控制系统通过电子压力控制器调节比例减压阀压力，通过比例减压阀控制主减压阀的出口压力，实现三级控制。
[0013]减压阀入口及出口分别设置阻火段。
[0014]在每个充气阀和对应的L个氧气储罐之间设置有第一放空阀，当储罐内的压力低于2MPa时，利用第一放空阀进行低压氧气排气操作；
[0015]M套供应阀和减压阀之间设置有第二放空阀，与第二放空阀连接的排气管道上设置有节流孔板，当供应系统压力为2-21MPa时，利用第二放空阀进行高压氧气排气操作。[0016]所述节流孔板喉道截面积A*通过如下公式确定：
[0017]
[0018]其中A为排气管道通径，C＝0.04248，R＝259.8，T0为环境温度，u为排气管道流速。[0019]所述供应系统工作流程如下：
[0020](1)风洞试验前，低温泵将来自液氧储罐的液氧充入汽化器产生氧气，然后通过充气管道充入多组氧气储罐，为长时间供应提供所需的氧气；
[0021](2)试验时，控制系统对减压阀出口压力进行调节，在音速孔板的节流作用下，保证氧气的供应流量满足设计要求；
[0022](3)氧气长时间供应过程中，针对氧气流量随氧气温度的降低而增加问题，利用控制系统对减压阀出口压力进行微调，保证氧气流量不变；
[0023](4)试验结束后，对高压氧气进行排气；
[0024]所述步骤(3)中，控制系统对减压阀出口压力进行微调的依据为氧气长时间供应过程中减压阀出口氧气温度的变化，其中温度变化曲线通过调试过程获得，具体方法为：调试过程中，在所述供应系统氧气储罐中充入氮气，供应过程中全程记录减压阀出口处的温度，获得温度变化曲线。
[0025]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0026](1)本发明通过多组存储设备同时供应、三组减压阀同时工作，
[0027]实现大流量长时间供气。
[0028](2)本发明氧气储罐、充气阀、供应阀的设计压力为25MPa，
[0029]实现高压氧气供应。
[0030](3)本发明充气阀、供应阀的阀体、阀瓣采用蒙乃尔合金，减压阀入口及出口分别设置阻火段，以及系统建立过程中对清洁度的控制，都保证了高压氧气供应过程中的安全性。
[0031](4)本发明控制系统通过三级控制，实现对减压阀出口处的压力调节，实现对大流量的调节，同时能够根据温度变化对减压阀出口压力进行微调，保证了长时间供应过程中
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