氢氧火箭发动机内腔露点置换、化验工艺

1.引言

氢氧火箭发动机试验时对内腔露点值严格控制，若内腔露点不满足要求，空气中的水份可能会析出结冰，堵塞发动机内部窄小部位，导致试验失败。

露点，是指在固定气压下，空气中所含气态水达到饱和而凝结成液态水所需降至的温度，亦或是在压力一定的情况下，开始从气相中分离出第一批液滴的温度。若发动机内腔含水量较高，在发动机预冷和主级工作过程中在低温推进剂或吹除气作用下很可能会发生结冰现象，造成发动机冰堵或阀门卡滞等故障，导致发动机吹除气压力、流量等不满足试车条件，甚至引起发动机爆炸等导致试车失败。按照发动机热试车技术条件等要求，发动机内腔露点要低于- .53.5^∘ °C，需要研究可靠高效的发动机露点置换、化验工艺，确保试验安全。

2.发动机内腔置换、化验一般方法

2.1 系统原理图

图1 发动机内腔置换、露点化验配气原理图

上图中氮气源通过高压氮气瓶提供，其露点和纯度经化验合格。气源经过滤器、单向阀等管路附件到达发动机地面配气板，经减压后送至试车间发动机工艺配气台，通过该配气台操作完成发动机内腔置换和露点化验工作。

K1：氮气源来气；J1：气源减压器；P1：减压后压力

F1：减压器放气；K2：检漏氮气去气；K3：发动机充气

P2：发动机内腔压力；F2：检漏氮气前放气；F3：发动机内腔放气

2.2 发动机内腔露点检测工艺要求

常用的露点化验仪器是电容式露点仪，该仪器灵敏度高，在实际使用中要求较高，如不能正确使用，仪器的优点就不能得到充分发挥，也就不能达到预期效果。比如其对使用环境的温湿度要求较高，但氢氧火箭发动机试验台一般是半敞开式环境，受现场人员、环境温度湿度、空气流动等因素影响，会对检测结果造成干扰，在实际操作中经常会遇到因外界干扰造成的检测结果不准确问题。针上述问题，总结出以下使用注意事项：

1）仪器正常工作的环境温度约为 -10^∘ C～50^∘ C，不宜在较高的温度下操作，容易导致测量结果偏差。

2）在大气压下使用，避免直接引入样气，而导致压力过高损坏其电子流量传感器。如在较高压力下工作，可使用压力调节阀。

3）置换用气的氮气气源露点应低于- .53.5^∘ C，纯度合格。

4）发动机内腔充入的氮气压力不高于 0.3MPa

5）检测现场应控制人员数量，且现场除操作人员外尽量减少走动。

6）尽量避免在雨天、雪天等环境湿度较大的天气情况下进行检测操作，空气中的湿度过大时对检测结果影响较大。

7）保证工艺管路清洁、畅通，阀门调节灵活，且发动机被检测入口与露点仪之间的连接管路应尽量短而细，以减小反应时间，工艺管路与发动机内腔连接前要进行不少于 3min 的充分吹除。

8）内腔露点化验前采用正压置换法和吹除法结合进行氮气置换。

9）工艺系统中压力表与露点仪均应保证在校验有效期内。

10)操作地点尽量平整无震动，避免仪器损坏。

2.3 发动机内腔露点检测流程

1）打开发动机地面配气板 K1 氮气源来气开关，气瓶压力一般为 10～20MPa ,经J1 气源减压器，调整其旋钮，旋至工作压力 1.5MPa ，P1 压力表显示正常后，打开 K2 检漏氮气去气开关，将 1.5MPa 氮气送至试车间发动机检漏配气板。

2）打开发动机检漏配气板 K3 发动机充气开关，此开关出口经DN4 软管连接至发动机 C2 口（氢涡轮泵燃气出口），即发动机充气入口，P2 压力表显示压力为发动机内腔压力。

3）将发动机内腔充气至 _0.3MPa ，静置 10 分钟，后由 C3 口（氧涡轮泵燃气出口）将气排出，进行发动机置换，如此反复 8 次再进行露点化验，如化验不合格则需重复上述过程。

4）化验结束后，关闭 K1，打开 F1、F2，将地面配气板、管路余气、发动机内腔余气全部放掉，关闭所有手阀，J1 减压器泄压。

3.发动机内腔置换、露点化验工艺提升

针对某发动机内腔露点正压置换、化验工艺，开展了置换氮气进气口与出气口位置、内腔充气压力、静置时间及置换次数等因素对置换结果的影响进行了多次对比试验，探索出一种更加经济、安全、高效的置换化验工艺方法。

3.1 检测位置

某型号氢氧发动机 C2、C3 口位置高低不同，C2 位置相对较高，发动机上台后，腔内大多为空气，发动机置换介质为氮气，两者密度相近。进行发动机内腔充气时，选择从高点进气，将空气与氮气充分混合，经充分静置混合后由低点C3 排出，此方法能明显提高内腔空气置换效率，减少置换次数，且 C2 口距离试车间配气台更近，充气软管长度更短，减少了软管对内腔真实露点值的干扰。

3.2 内腔充气压力

对于常用的正压置换法，在一定范围内置换的充气压力越高其单次置换效果越好，某型号氢氧发动机内腔充气压力超过 0.4MPa 时需要给发动机供15MPa～22.5MPa 的氦气控制气才能保证密封， 0.4MPa 以下则无此要求。发动机置换、化验时间一般较长，如该过程给发动机供控制气除了增压了操作复杂程度（供气前需对发动机状态进行检查，打开各种保护件等）还增加氦气消耗，提高了成本。故为调高操作可靠性和工作效率同时节约成本，建议该型号发动机内腔置换压力确定为 0.3MPa_⨀

3.3静置时间和置换次数

置换压力确定后，单次置换静置时间和总置换次数成为影响置换效率和效果的主要因素，利用某型号氢氧发动机开展了对比试验。

表1 为某发动机内腔采用相同气源、相同充放气系统、相同检测设备、相同环境下，完成不同置换次数和静置时间后的露点实测值（完成一次置换化验后使发动机内腔通大气半小时以上再进行下次测试）。

表1 不同静置时间和置换次数下的露点化验结果

通过上述试验结果可以看出，相同条件下单次置换静置时间越长（一定范围内）露点化验值越低，静置时间达到 8min 时最少 4 次置换也能满足置换要求且继续延长至 10min 后效果改善不明显；相同条件下置换总次数越多（一定范围内）露点化验值越低，置换次数达到 6 次后单次置换静置时间 3min 也能满足置换要求且继续增加置换次数后效果改善不明显。

因此，针对某型号氢氧发动机采用氮气置换化验工艺建议按置换压力0.3MPa ，单次置换静置时间 8min ，总置换次数6 次执行。

4.结论

发动机内腔露点的控制是氢氧火箭发动机地面试验系统的关键质量控制环节。本文结合实际工作总结了氢氧火箭发动机试验过程中，完成发动机内腔露点置换、化验的工作方法及工艺优化，特别是针对其控制要点及分析部分的经验进行了总结与完善，在实际使用过程中显著提高了工作效率，可为各型号氢氧火箭发动机和其他低温发动机的内腔露点置换、化验工艺提供借鉴。

参考文献

[1]朱森元.氢氧火箭发动机（M）.北京，2004

[2]王石磊.火箭发动机试验台快速高效高可靠试验技术.2015(3)

[3]液体火箭发动机地面试验用气规定.QJ3270-2006