一种用于航天器推进剂加注的小管径气流两相流的检测装置

摘要

本发明公开了一种用于航天器推进剂加注的小管径气流两相流的检测装置，该检测装置包括有分流器、起旋器、气泡检测器、切向导管、管接头和超声波探头。切向导管连接在分流器与起旋器上，起旋器与气泡检测器之间连接有管接头，超声波探头安装在气泡检测器上。本发明检测装置利用超声波信号检测气液两相流中气泡大小、数目以及气液两相流流量，属于无损检测设备。其外形小巧，结构紧凑，是专为检测航天器推进剂加注管道中的气液两相流而设计的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气流两相流的检测装置，更特别地说，是指一种用 于航天器推进剂加注的小管径气流两相流的检测装置，属于无损检测设 备技术领域。

背景技术

在向航天器储箱加注推进剂的过程中，推进剂中常常出现气泡和液 体推进剂混杂的情况，影响推进剂流量测量精度和航天器的安全。随着 我国航天事业的高速发展，对高精度的推进剂测量装置的需求也在不断 扩大。气液两相流检测装置是一种检测推进剂中气泡大小，数目以及推 进剂流量的设备。目前，已有的气液两相流检测装置，往往只能够检测 出气泡在管道内某一局部位置气体的含量，无法对气泡大小，数目进行 测量。此外，航天器推进剂管道直径一般比较小(小于10毫米)，而传 统的测量两相流流量的设备(如超声波多普勒流量计)不适用于小管径 管道。本发明采用非浸入式的超声波测量方法，用于检测航天器推进剂 加注管道中的两相流推进剂。

发明内容

为了实现对航天器推进剂加注管道中的气泡大小以及数目的检测， 本发明设计了一种用于航天器推进剂加注过程中的小管径气流两相流的 检测装置。本发明的检测装置是专门针对航天器的小管径管道而研制的， 具有结构小型化有特点。它是一种利用超声波信号检测气液两相流中气 泡大小、数目以及气液两相流流量的新型装置。该装置外形小巧，结构 紧凑，可以用于航天器推进剂加注管道中气液两相流检测，属于无损检 测设备技术领域。

本发明设计了一种用于航天器推进剂加注的小管径气流两相流的检 测装置，该检测装置用于实现推进剂加注过程中从管道至航天器推进剂 储箱之间的管道中推进剂的气泡大小和数目的检测；具体地，该检测装 置包括有分流器(1)、起旋器(2)、气泡检测器(3)、四个切向导管、 三个管接头和四个超声波探头；

分流器(1)的一端是具有锥部端面(1E)的锥形结构，另一端是具 有上面板(1F)的平板面结构；分流器(1)的上面板(1F)上设有A盲 孔(1F1)；分流器(1)的第一锥面板(1A)上设有AA斜通孔(1A1)； 该AA斜通孔(1A1)的一端与A盲孔(1F1)导通，另一端与第一切向导 管(6A)的一端连接；分流器(1)的第二锥面板(1B)上设有AB斜通 孔(1B1)；该AB斜通孔(1B1)的一端与A盲孔(1F1)导通，另一端与 第二切向导管(6B)的一端连接；分流器(1)的第三锥面板(1C)上设 有AC斜通孔(1C1)；该AC斜通孔(1C1)的一端与A盲孔(1F1)导通， 另一端与第三切向导管(6C)的一端连接；分流器(1)的第四锥面板(1D) 上设有AD斜通孔(1D1)；该AD斜通孔(1D1)的一端与A盲孔(1F1) 导通，另一端与第四切向导管(6D)的一端连接；

起旋器(2)为六面体结构；起旋器(2)的AE面板(2E)上设有B 盲孔(2E1)；B盲孔(2E1)沿展至通孔汇合处，且B盲孔(2E1)分别与 AA通孔(2A1)、AB通孔(2B1)、AC通孔(2C1)和AD通孔(2D1)的一 端导通；起旋器(2)的AA面板(2A)上设有AA通孔(2A1)；该AA通 孔(2A1)的一端与B盲孔(2E1)导通，另一端与第一切向导管(6A) 的另一端连接；起旋器(2)的AB面板(2B)上设有AB通孔(2B1)；该 AB通孔(2B1)的一端与B盲孔(2E1)导通，另一端与第二切向导管(6B) 的另一端连接；起旋器(2)的AC面板(2C)上设有AC通孔(2C1)；该 AC通孔(2C1)的一端与B盲孔(2E1)导通，另一端与第三切向导管(6C) 的另一端连接；起旋器(2)的AD面板(2D)上设有AD通孔(2D1)；该 AD通孔(2D1)的一端与B盲孔(2E1)导通，另一端与第四切向导管(6D) 的另一端连接；

气泡检测器(3)为六面体结构；气泡检测器(3)上设有BA面板(3A)、 BB面板(3B)、BC面板(3C)、BD面板(3D)、BE面板(3E)和BF面板 (3F)；气泡检测器(3)的中部设有中心通孔(3G)，且中心通孔(3G) 贯穿BE面板(3E)与BF面板(3F)，中心通孔(3G)用于推进剂通过； BA面板(3A)上设有AA盲孔(3A1)和AB盲孔(3A2)；AA盲孔(3A1) 中安装有第一发射超声波探头(5A)；AB盲孔(3A2)中安装有第二发射 超声波探头(5B)；BC面板(3C)上设有AC盲孔(3C1)和AD盲孔(3C2)； AC盲孔(3C1)中安装有第二接收超声波探头(5D)；AD盲孔(3C2)中 安装有第一接收超声波探头(5C)；

切向导管从一端至另一端上顺次设有A连接段(6A1)、A过渡段(6A3)、 平直段(6A5)、B过渡段(6A4)和B连接段(6A2)；

将第一管接头(4A)的一端连接在航天器推进剂加注管道的出口， 第一管接头(4A)的另一端连接在连接在分流器(1)的上面板(1F)的 A盲孔(1F1)入口处；第二管接头(4B)连接在起旋器(2)与气泡检测 器(3)之间；气泡检测器(3)的中心通孔(3G)的出口处连接有第三 管接头(4C)的一端，第三管接头(4C)的另一端连接在航天器推进剂 储箱。

本发明小管径气流两相流的检测装置的优点在于：

①本发明设计的起旋器将进入的两相流转换为旋转的两相流，使得旋转 两相流中的气泡受到向心力的作用，只能沿着起旋器中心轴线运动， 从而保证被超声波探头检测到。

②利用两组对称布局(一组为第一发射超声波探头5A与第二接收超声波 探头5D形成，另一组为形成第二发射超声波探头5B与第一接收超声 波探头5C)的超声波探头，通过检测气泡经过不同超声波探头的时间， 就可以计算获得气泡的运动速度，进而获取出两相流的流量。

③利用安装在气泡检测器上相对的一组超声波探头，就能够同时检测气 泡大小和数目，使得整个气泡检测装置结构紧凑。

④超声波探头垂直于两相流流动方向安装，更佳适合小管径管道中两相 流的检测。

⑤所以零件采用钛合金加工而成，适用于航天器使用环境，抗腐蚀性好。

附图说明

图1是本发明的小管径气流两相流的检测装置的正视图。

图1A是本发明的小管径气流两相流的检测装置的立体结构图。

图2是本发明分流器的结构图。

图2A是本发明分流器的剖面图。

图3是本发明起旋器的结构图。

图3A是本发明起旋器的另一视角结构图。

图3B是本发明起旋器的剖面图。

图3C是本发明起旋器的剖面正视图。

图4是本发明气泡检测器的结构图。

图4A是本发明气泡检测器的另一视角结构图。

图4B是本发明气泡检测器的剖面图。

图5A是本发明切向导管的结构图。

图5B是本发明U形切向导管的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明设计的一种用于航天器推进剂加注的 小管径气流两相流的检测装置，该检测装置用于实现推进剂加注过程中 从管道至航天器推进剂储箱之间的管道中推进剂的气泡大小和数目；其 包括有分流器1、起旋器2、气泡检测器3、切向导管、管接头和超声波 探头。

其中，切向导管是指结构相同的第一切向导管6A、第二切向导管6B、 第三切向导管6C和第四切向导管6D。由于为钛合金材料加工，而切向导 管是用来实现分流器1与起旋器2中推进剂导通的，故以推进剂流动的 最短距离为最佳。因此切向导管上设计有连接段、过渡段和平直段，其 构形可以是U形外形结构如图5B、或者如图5A所示的不规则结构。

其中，管接头有第一管接头4A、第二管接头4B和第三管接头4C。 第一管接头4A连接在分流器1的上面板1F上，第二管接头4B连接在起 旋器2与气泡检测器3之间，第三管接头4C连接在气泡检测器3的BE 面板3E上。在本发明中，管接头主要用于导通推进剂，在以推进剂流动 的最短距离为最佳时，管接头设计为较短。

其中，超声波探头有第一发射超声波探头5A、第二发射超声波探头 5B、第一接收超声波探头5C和第二接收超声波探头5D。第一发射超声波 探头5A与第二接收超声波探头5D构成第一探头组，第一探头组为对称 安装在气泡检测器3的相对面板上；第二发射超声波探头5B与第一接收 超声波探头5C构成第二探头组，第二探头组为对称安装在气泡检测器3 的相对面板上；且保持第一发射超声波探头5A与第二发射超声波探头5B 在同一面板上，第一接收超声波探头5C与第二接收超声波探头5D在同 一面板上。

在本发明中，为了适用于航天器使用环境，达到较好的抗腐蚀性， 以及长寿命，所有零件采用钛合金加工而成。

分流器1

参见图1、图1A、图2、图2A所示，分流器1为一体成型结构件。 分流器1的一端是具有锥部端面1E的锥形结构，另一端是具有上面板1F 的平板面结构。

分流器1的上面板1F上设有A盲孔1F1。在本发明中，A盲孔1F1 沿展至分流器1的锥形部分，且A盲孔1F1分别与AA斜通孔1A1、AB斜 通孔1B1、AC斜通孔1C1和AD斜通孔1D1的一端导通。

分流器1的第一锥面板1A上设有AA斜通孔1A1；该AA斜通孔1A1 的一端与A盲孔1F1导通，另一端与第一切向导管6A的一端连接。

分流器1的第二锥面板1B上设有AB斜通孔1B1；该AB斜通孔1B1 的一端与A盲孔1F1导通，另一端与第二切向导管6B的一端连接。

分流器1的第三锥面板1C上设有AC斜通孔1C1；该AC斜通孔1C1 的一端与A盲孔1F1导通，另一端与第三切向导管6C的一端连接。

分流器1的第四锥面板1D上设有AD斜通孔1D1；该AD斜通孔1D1 的一端与A盲孔1F1导通，另一端与第四切向导管6D的一端连接。

在本发明中，通过分流器1上设计的结构相同的四个斜通孔(1A1、 1B1、1C1、1D1)将经过A盲孔1F1的含有气泡的推进剂流入各自的切向 导管(6A、6B、6C、6D)中，实现对含有气泡的推进剂的分流，从而为 在起旋器2中形成旋转两相流提供了条件。

在本发明中，为了达到最佳分流效果，需要对推进剂流入与流出的 流量进行限制。参见图2A所示，A盲孔1F1的内直径记为d_F，AA斜通孔 1A1的内直径记为d_A，且d_F＝2d_A。

起旋器2

参见图1、图1A、图3、图3A、图3B、图3C所示，起旋器2为一体 成型结构件，且为六面体。

起旋器2的AE面板2E上设有B盲孔2E1。在本发明中，B盲孔2E1 沿展至通孔汇合处，且B盲孔2E1分别与AA通孔2A1、AB通孔2B1、AC 通孔2C1和AD通孔2D1的一端导通。

起旋器2的AA面板2A上设有AA通孔2A1；该AA通孔2A1的一端与 B盲孔2E1导通，另一端与第一切向导管6A的另一端连接。

起旋器2的AB面板2B上设有AB通孔2B1；该AB通孔2B1的一端与 B盲孔2E1导通，另一端与第二切向导管6B的另一端连接。

起旋器2的AC面板2C上设有AC通孔2C1；该AC通孔2C1的一端与 B盲孔2E1导通，另一端与第三切向导管6C的另一端连接。

起旋器2的AD面板2D上设有AD通孔2D1；该AD通孔2D1的一端与 B盲孔2E1导通，另一端与第四切向导管6D的另一端连接。

在本发明中，为了达到最佳旋流效果，需要对推进剂流入与流出的 流量进行限制。参见图3C所示，B盲孔2E1的内直径记为b_E，AA通孔 2A1的内直径记为b_A，且b_E＝2b_A。

气泡检测器3

参见图1、图1A、图4、图4A、图4B所示，气泡检测器3为一体成 型结构件，且为六面体。

气泡检测器3上设有BA面板3A、BB面板3B、BC面板3C、BD面板 3D、BE面板3E和BF面板3F。气泡检测器3的中部设有中心通孔3G，且 中心通孔3G贯穿BE面板3E与BF面板3F，中心通孔3G用于推进剂通过。 其中：

BA面板3A上设有AA盲孔3A1和AB盲孔3A2。AA盲孔3A1中安装有 第一发射超声波探头5A。AB盲孔3A2中安装有第二发射超声波探头5B。

BC面板3C上设有AC盲孔3C1和AD盲孔3C2。AC盲孔3C1中安装有 第二接收超声波探头5D。AD盲孔3C2中安装有第一接收超声波探头5C。

在本发明中，为了使超声波探头得到最佳的测量值，需要对安装超 声波探头的盲孔与中心通孔之间的壁厚进行限制。参见图4B所示，中心 通孔3G的内直径记为d_G，AA盲孔3A1的内直径记为b₃，AA盲孔3A1与 中心通孔3G的壁厚记为d₃，为了采集到最佳检测信号，d₃＜1mm， b₃＝10d₃～12d₃，d_G＝8d₃～10d₃。

在本发明中，推进剂沿中心线上的孔(如盲孔、中心通孔)的孔径 保持一致大小，即d_F＝b_E＝d_G。

切向导管

参见图1、图1A、图5A、图5B所示，切向导管为一体成型结构件。 切向导管的结构可以如图5A所示，也可以是图5B所示的U形管。为了 满足分流器1与起旋器2之间的最短距离设计，一般地，切向导管从一 端至另一端上顺次设有A连接段6A1、A过渡段6A3、平直段6A5、B过渡 段6A4和B连接段6A2。

切向导管的A连接段6A1连接在分流器1上的斜通孔处，切向导管 的B连接段6A2连接在起旋器2的通孔处。

本发明设计的检测装置的结构装配：

将第一管接头4A的一端连接在航天器推进剂加注管道的出口，第一 管接头4A的另一端连接在连接在分流器1的上面板1F的A盲孔1F1的 入口处；第一切向导管6A、第二切向导管6B、第三切向导管6C和第四 切向导管6D的一端分别安装在分流器1的四个面板上，第一切向导管6A、 第二切向导管6B、第三切向导管6C和第四切向导管6D的另一端分别安 装在起旋器2的四个面板上；第二管接头4B连接在起旋器2与气泡检测 器3之间；第一超声波探头5A、第二超声波探头5B、第三超声波探头5C 和第四超声波探头5D分别安装在气泡检测器3的四个盲孔中；气泡检测 器3的中心通孔3G的出口处连接有第三管接头4C的一端，第三管接头 4C的另一端连接在航天器推进剂储箱。

含有气泡的推进剂的检测过程：

当含有气泡的推进剂经过中心通孔3G时，当存在气泡时超声波探头 检测到的超声波能量信号出现衰减，超声波探头的接收信号也会有明显 的衰减。由于气泡的轨迹刚好位于测量管路的中心而不会偏离超声波的 传播路径，所以当相同直径的气泡经过探头时，造成的超声波能量的衰 减也一致。通过分析接收探头产生的信号就能够计算出气泡的大小和数 目了。

另一方面，由于第一探头组(5A、5D)和第二探头组(5B、5C)在 垂直方向上的距离足够近，当气液两相流经过第一探头组和第二探头组 时，其形态不会发生太大的变化，气泡对超声波能量的衰减也差不多， 因此超声波探头的接收信号的形态也具有相似性，通过对超声波探头5D 和超声波探头5C的两组接收信号进行相关计算，就可以计算出超声波探 头5C接收信号相对于超声波探头5D接收信号的延迟。由于超声波探头 5D和超声波探头5C之间的距离已知，该距离除以信号延迟时间就可以获 得气泡的运动速度。由于两相流的流速较高，气泡和推进剂之间的速度 滑移很小，可以认为气泡的速度近似等于推进剂流动的速度，这样就可 以计算出推进剂的流量了。