氢氧火箭发动机试验低温流量校准系统设计

周 磊 陈 锋 王占林 叶 斌

(北京航天试验技术研究所 北京 100074)

氢氧火箭发动机试验低温流量校准系统设计

周 磊 陈 锋 王占林 叶 斌

(北京航天试验技术研究所 北京 100074)

为了保证氢氧火箭发动机低温流量测量的准确性，需要研制低温流量校准系统。从对低温流量校准特点的分析入手，对比动态替代称重法的不同原理，优选适用于低温对象的低温流量校准系统方案，并对称重系统、储液容器、液路系统、气路系统和测控系统进行设计。研制的低温流量校准系统提供了低温真实介质校验能力，校准流量覆盖1—50 kg/s，校准流量计口径Ф30—80 mm，设计流量校准不确定度优于0.5%(k=2)。

流量校准 低温流体 动态替代称重 校准精度

1 引 言

在以氢氧火箭发动机为代表的低温液体火箭发动机研制和试验过程中，低温推进剂流量是确定发动机比冲的重要参数，需要对液氢、液氧、液氮等低温流体的流量进行准确测量。目前试验中使用涡轮流量计进行低温推进剂流量参数测量，计量方式是将流量计在实验室用水介质检定后，安装到现场推进剂供应系统中，利用流量计在水介质下检定结果得到参数测量数据。但是，由于涡轮流量计性能与所测介质特性有关，在水介质下标定、低温介质推进剂中使用时，由于现场安装条件、介质粘度、温度、压力不同，会引入较大的系统误差。根据俄罗斯研究人员在标准流量装置实测结果显示，低温介质工作附加误差在1%—3%[1]。

为获得低温真实介质的流量性能参数，国外普遍采用动态替代称重法对流量计进行校准。美国NASA格林研究中心和国家标准技术研究院(NIST)联合研制的小型液氢容器称重系统[2]作为液氢量化测量基准，重复测量精度达到0.5%；NIST研制的另一套液氮流量校准系统[3]，在流量范围4.5—45 m3/h范围内系统质量流量测量不确定度0.17%(k=2)。

中国目前缺乏低温流量校准能力，与国外0.5%的不确定度存在较大差距，试验获取流量参数的准确性受到限制，无法为发动机性能分析与评定提供准确依据。低温流量真实介质校准系统可以避免介质特性差异对流量参数测量结果的影响，直接应用于液氢/液氧发动机试验对象，提高关键参数流量测量准确性，为发动机比冲性能评定提供准确依据，并可推广应用于各类低温流量测量领域。

2 低温流量校准总体方案

2.1 低温流量校准特点

不同于常温介质，低温介质由于特殊的物性，造成低温系统由于传热传质气化产生背压、气枕温度不均匀等现象[4]，从而使低温介质流量计校准系统更加复杂，需要考虑更多的措施和因素才能达到较好的校准不确定度。表1对比了低温介质流量校准中的特殊性。

表1 低温流量校准与常温流量校准的区别Table 1 Differences between cryogenic flow gauging and normal temperature flow gauging

2.2 低温流量校准总体方案对比与选择

将流量计实验室检定结果用于现场实际工作中时，需要充分考虑应用介质等因素引起的测量不确定度变化，可以通过基于动态替代称重的现场校准方式来解决。动态替代称重法流量校准方法是一种基于质量、时间等基本量值的平均流量校准方法，国内外多个行业的流量计校准均用此方法[5]。

动态替代称重法主要有流出法和流入法两种。流出法是将介质从称重容器中挤压流出通过流量计进行校准的方法，工作原理如图1所示。流入法是用挤压方式使介质通过流量计流入称重容器进行校准的方法，工作原理如图2所示。二者工作过程如表2所示。其中，W为称重传感器测量质量，mt为称重容器自身质量，mL称重容器内介质的质量，mG称重容器内气枕的质量，mW为砝码质量。

图1 流出法校准原理图Fig.1 Schematic diagram of outflow gauging

图2 流入法校准原理图Fig.2 Schematic diagram of inflow gauging

表2中给出了质量流量计算公式，其中气枕质量在t1和t2时刻的变化量、计时器精度、称重传感器精度决定了质量流量的校准不确定度。计时器和称重传感器的精度可以做到很高(如0.02%)，因此增压/排出气体流量的一致性就决定了校准精度。

表2 流出法与流入法动态替代法工作过程Table 2 Dynamic substitution process of inflow and outflow method

表3说明了流入法和流出法称重容器内介质变化过程，并分析二者各自影响。可以看出，在低温流量校准时，流入法需考虑的排出气体流量一致性好，只要测量气枕排出口的压力和温度就可以保证校准结果的不确定度；流出法需考虑增压气体的质量，由于增压状态下气枕温度的复杂性造成增压气体流量在检定过程中时刻变化，使校准结果不确定度变差。流入法排出气体流量一般为校准流量的0.5%且稳定性好；流出法增压气体质量随校准流量及液位变化而变化，一般为校准流量的1.5%—4.0%。因此对于低温介质而言，流入法校准精度要高于流出法，本系统在实施中采用流入法作为低温流量校准方案。

表3 低温流入法和流出法比较(以液氮介质校准为例)Table 3 Differences between inflow and outflow(take example for LN2 gauging)

3 低温流量校准系统

低温流量校准系统如图3所示，主要包括称重系统、储液容器、液路系统、气路系统和测控系统，校准流量覆盖1—50 kg/s，校准流量计口径Ф30—80 mm，校准压力范围0.1—0.8 MPa，设计流量校准不确定度优于0.5%(k=2)。其中，称重系统由称重容器、称重支架、称重砝码及加载器、称重传感器等组成；储液容器存放校准工作所用的低温介质；液路系统由流量计校准管路、介质输送管路、介质回送管路、低温泵及低温阀门等组成；气路系统由高压气源、配气系统、容器增压、控制气、吹除气系统等组成；测控系统包括数据采集系统和控制系统，完成各类参数测量和阀门控制功能。

图3 流入法低温流量校准系统原理图Fig.3 Schematic diagram of cryogenic flow gauging with inflow method

3.1 称重系统

3.1.1 称重传感器

称重传感器的选择一方面需要考虑承载能力，另一方面需要考虑能够满足流量校准不确定度优于0.5%的要求。称量能力方面，在低温介质重量的基础上，需要考虑称重容器重量以及辅助的吊杆、横梁等结构重量，优选总承载重量位于量程50%—85%范围内的称重传感器。称重传感器作为标准传感器，取被测传感器精度的1/10，鉴于传感器的实际量程高于所需实际被测液体的动态变化量，精度要求再次提高，选择线性精度优于0.03%的传感器。

3.1.2 砝码及加载器

根据校准系统技术指标要求及不同校准流量点计算，标准砝码设计为多块，可组合使用。每块砝码外表镀硬铬，耐磨并保护砝码质量稳定，定期送计量部门校准重量。砝码设计为一侧开槽、二处配平结构，利于装拆和平衡调整；砝码和升降机托盘设计为自动对心锥面，便于竖直方向上找正。经由悬挂静平衡试验修调，确保砝码在中心吊杆吊挂状态下的平衡。

鉴于在定位精度、响应速度、自锁、控制及成本方面的优势，加载器采用高精度伺服电机串联2个梯形丝杆蜗轮升降机的方案，保证升降运动同步精度优于0.1 mm。初始砝码加载到吊杆上，在某一流量校准点的校准过程开始时，在预定时刻，砝码加载器顶起，使若干砝码与中心吊杆脱开，卸载砝码；校准结束后，砝码复原，重复以上过程进行下一点的校准。对于本系统设计，砝码升降及稳定时间小于10 s。

3.1.3 自垂平衡结构

低温介质受重力作用竖直向下，为保证整个称重系统的测力环节和受力方向一致，采用多种方式实现系统的自垂平衡。称重传感器的连接采用上下正交的关节轴承，保证力在竖直方向上自由传递。为确保灵活，选择润滑型且有润滑槽的整体式类型，能够承受足够的径向载荷和任一方向0.2倍径向载荷以内的轴向载荷。砝码吊挂处、称重容器吊杆处的连接采用球面-球窝自动调心结构，砝码、称重容器及低温介质的重力传递给称重吊架和称重传感器上时仍为竖直方向，保证力测量方向与称重容器及低温介质的重力方向一致。

3.1.4 称重容器与回收槽

回收槽为立式密闭低温容器，外部进行保温防护。称重容器为立式密闭单壁容器，整体置于回收槽内，由下方的回收槽内低温介质保温。不进行校准工作时，称重容器吊挂于回收槽上。进行校准工作时，称重容器与回收槽脱开，通过称重吊架吊起，全部重量由称重传感器感知，即称重质量不包含回收槽质量和摩擦。

校准过程中，低温介质通过流量计校准管路流入称重容器，并设计缓冲器减小低温介质流入对称重质量测量的冲击影响。称重容器底部配置低温气动阀门，校准过程中关闭，校准结束后打开，将称重容器中的低温介质卸入回收槽中。

3.2 储液容器

储液容器用于存放校准工作所需低温介质，校准工作准备时，低温介质由加注车通过介质加注管路输入储液容器中；校准前与校准过程中，对储液容器进行增压，使介质流经介质输送管路、流量计校准管路进入称重容器，进行系统预冷和校准工作；校准结束后，通过低温泵使称重容器中介质经介质回送管路流回储液容器，供下次校准过程使用。

储液容器为低温真空绝热容器，根据校准过程介质用量计算设计容器容积，容器配置增压气路及压力、温度测量接口，容器内安装液位计实时监测低温介质存量。

3.3 液路系统

液路系统由介质输送管路、流量计校准管路、介质回送管路、低温泵及低温阀门等组成。流量计校准管路安装被校流量计，保证被校流量计前后直管段长度要求。根据不同的流量计口径，可以更换不同直径的校准管路。流量计校准管路上安装低温气动流量调节阀，精确控制管路中低温介质流量。

鉴于低温介质输送的特殊性，管路及阀门采用聚胺酯发泡包覆绝热。对液氧管路进行特殊脱脂处理。采用波纹管补偿低温管路轴向收缩位移，采用双层真空波纹管形式进行低温绝热，波纹管内部设计导流筒减小对测量流场影响。安装过滤器保持校准介质清洁。

为节约低温介质，液路系统设计为间歇循环方式。在工作前进行管路吹除和低温介质填充预冷。校准时关闭回送管路阀门，低温介质由储液容器通过输送管路、校准管路流入称重容器。校准结束，称重容器内低温介质泄入回收槽，打开回送管路阀门，由低温泵将回收槽内低温介质送回储液容器，供下次校准过程使用。

3.4 气路系统

气路系统提供容器增压气、各气动阀门操纵气、容器和管路的吹除气等，由高压气源、配气系统、容器增压系统、控制气系统等组成，如图4所示。以液氮/液氧的低温介质流量校准为例，高压氮气源经过滤器进入配气台中的集气排，分3路通过各自的减压器减压后依次供给储液容器增压、各气动阀门操纵气、系统吹除口。

图4 气路系统原理图Fig.4 Schematic diagram of gas lines system

3.5 测控系统

测控系统完成流量控制、砝码加载控制、关键参数测量、阀门动作控制、安全监控和信息传输等功能，核心测控单元是工控机和PLC，各部分如表4所示。其中，流量控制采用多路孔板自动增压控制策略，由PLC对孔板后压力测点和标准流量计读数反馈控制。砝码加/卸载控制采用PID闭环控制位置，接近开关实现到位和零位反馈触发，并由限位开关做极限位置保护。由PLC高精度采集板卡采集流量、时间、称重、低温介质密度(PT-ρ法)和气枕温度压力等关键参数。根据低温流量校准工艺流程，对校准管路和回送管路的开断、储液容器和称重容器的放气等阀门动作进行PLC控制。采用多种手段对系统进行安全监视，如称重容器和储液容器的上下液位由点式温度液位计进行监视报警，储液容器和称重容器采用爆破膜进行箱压超限保护，试验现场重点部位设置高清摄像头进行视频监控。全部测控数据通过局域网集成传输，并采用综合通讯及广播系统，完成操作员之间的通话协调、指挥员口令的发布广播和警报信号的广播。

表4 测控系统组成Table 4 Constituents of measurement and control system

4 结 论

依据本系统方案，建设了可用于液氮、液氧、液氢、LNG等多种低温介质的低温流量校准系统，在系统方案设计和详细设计中，获得以下经验和结论：

(1)对于传热、传质复杂的低温介质流量校准而言，流入法比流出法在增压/排出气体流量的一致性上更具有优势，易于获得稳定的校准精度。

(2)相对常温流量校准而言，低温流量校准在系统设计上需要考虑保温、变形补偿、气化排放、低温区操作性等特殊性。

(3)砝码加载需要在有效称重时间段内稳定，对砝码加载器的执行速度和稳定加载过程要求较高，伺服电机配合升降机使用具有高精度、平稳、自锁安全等优势，是其中一个较好的实现方式。

(4)对增压流量控制和加载器控制中，具有PID算法的反馈控制可以有效提高控制精度和响应速度。

(5)关键参数测量系统设计中，测量传感器精度选择和位置设置尽可能考虑对校准不确定度的影响，需要格外关注低温气枕状态、流量计附近介质密度等环节。

后续将根据低温流量校准系统调试和测试的实际情况，实施低温介质流量校准不确定度评估与改进，并开展低温流量计真实介质校准工作。

1 А В КнсиAегский，范砧(译). 在低温介质条件下工作的涡轮流量计的变送系数[J]. 国外计量，1987(5)：24，35.

А В КнсиAегский，Fan Zhen(translator). The discharge coefficient for turbine flowmeter under cryogenic fluid condition[J]. Foreign Metering，1987(5)：24，35.

2 Neil T. Van Dresar，James D. Siegwarth. Reference gauging system for a small-scale liquid hydrogen tank[R]. NASA/TM-2003-212455，July 2003.

3 Jennifer L Scott，Michael A Lewis. Uncertainty analysis of the NIST nitrogen flow facility. National Institute of Standards and Technology[R]. U S. Government Printing Office，Washington，1994.

4 王赞社，顾兆林，冯诗愚，等. 低温推进剂贮箱增压过程的传热传质数学模拟[J]. 低温工程，2007，160(6)：28-31，37.

Wang Zanshe，Gu Zhaolin，Feng 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 张喜明，李 雪，王 炎. 重量法标定流量计[J]. 吉林建筑工程学院学报，2014，31(1)：38-40.

Zhang Ximing，Li Xue，Wang Yan. Gravimetric method for calibrating flow meter[J]. Journal of Jilin Institute of Architecture & Civil Engineering，2014，31(1)：38-40.

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

国防科工技术基础科研项目“液氢/液氧发动机试验低温流量现场校准技术研究”(JSJL2012203A006)资助。

周磊，男，35岁，博士、高级工程师。

TB663

A

1000-6516(2016)02-0060-06