CN103883591B - 一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，包括依次连接的入口管、入口锥管、管束式部分、过渡锥管、孔板部分、出口锥管以及出口管，管束式部分包括外直管以及设置在外直管内的管束，管束包括多个沿外直管中轴线向管壁方向依次排布管层，管层包括多个圆周排布且依次焊接的小管，相邻管层中的相邻小管相切，各个小管的轴线彼此平行，最外圈的管层与外直管内壁相切且焊接，最内圈的管层的中心位于外直管的中轴线上；孔板部分包括外圆管以及固定在外圆管内的孔板。本发明解决了现有的进剂供应管道中存在流速分布的畸变的技术问题，本发明能够对流体产生均匀的整流作用。

Description

一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器

技术领域

本发明涉及一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器。

背景技术

推进剂流量的准确测量是发动机试验过程中的一个重要环节，某试车台采用涡轮流量计作为流量测量的主要设备。由于推进剂供应管道上各种管组件、渐缩管、渐扩管、过滤器和弯头都会影响速度分布，形成各种不对称的、径向的、切向的和轴向的速度矢量，即流速分布的畸变，从而影响涡轮流量计的测量，造成流量测量精度降低。为了尽可能地减小速度分布畸变的影响，就需要流量计前有足够长的直管段，但在许多安装场合，由于条件限制，不可能提供足够长的直管段，而加装整流器是消除速度分布畸变和恢复紊流速度分布的有效途径。

发明内容

为了解决现有的进剂供应管道中存在流速分布的畸变，影响涡轮流量计的测量精度的技术问题，本发明提供一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器。

本发明的技术解决方案为：

一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，包括依次连接的入口管、入口锥管、管束式部分、过渡锥管、孔板部分、出口锥管以及出口管，

所述管束式部分包括外直管以及设置在外直管内的管束，所述管束包括多个沿外直管中轴线向管壁方向依次排布管层，管层包括多个圆周排布且依次焊接的小管，相邻管层中的相邻小管相切，各个小管的轴线彼此平行，最外圈的管层与外直管内壁相切且焊接，最内圈的管层的中心位于外直管的中轴线上，所述管束中小管有效流通面积为外直管0.041-0.043倍；

所述孔板部分包括外圆管以及固定在外圆管内的孔板，所述孔板有效流通面积为整个孔板面积的0.561-0.565倍，孔板面积为管束式部分外直管面积的1.96-2.10倍。

上述孔板的最高点开设排气通道，孔板的最低点开设排液通道。

上述外直管的管径大于入口管的直径，所述孔板的直径大于外直管的管径，所述入口管与出口管的管径相等。

上述管束包括3个管层，最内圈管层为1根小管，第二层管层为6根小管，最外圈管层为12根小管。

上述孔板上孔的分布原则为：外疏内密。

上述孔板两侧外边缘做倒角处理与外圆管内壁焊接。

本发明所具有的优点：

1、本发明的管束式部分保证各小管之间的间隙是大小相等且均匀分布，进而使整个横截面对流体产生均匀的整流作用，避免因小管分布不均匀，整个结构非但没有起到整流作用反而产生扰流作用。

2、本发明的非均匀孔板部分不仅能消除管道中旋转流的影响，同时可产生完全的正常流速分布轮廓。

附图说明

图1为本发明一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器的结构示意图；

图2为图1的C-C示意图；

图3为本发明孔板部分的示意图；

图4为图3的A-A示意图；

图5为未使用本发明整流器氧化剂流量数据曲线；

图6为使用本发明整流器后氧化剂流量数据曲线；

其中附图标记为：1-入口管，2-入口锥管，3-外直管，4-小管，5-过渡锥管，6-外圆管，7-孔板，8-出口锥管，9-出口管，10-活套法兰，11-倒角。

具体实施方式

如图1所示，为满足试验台推进剂供应系统改造要求，同时尽可能消除管路中推进剂流速分布畸变对流量测量造成的影响，整流器需设计为入口管与出口管直径相等，设计压力1.6MPa，工作介质为偏二甲肼与四氧化二氮。为方便整流器的安装拆卸，入口管与出口管均设置有活套法兰，主要的整流部件为管束式部分与非均匀孔板部分。由于整流器在推进剂供应管路上倾斜3°安装，为防止整流器在推进剂加注过程中夹气影响试车，同时保证试车完成后整流器内不积留推进剂，在结构中可能存在夹气与积液的地方开设高点排气与低点排液通道。

如图2所示，管束式部分包括外直管以及设置在外直管内的管束，管束包括多个沿外直管中轴线向管壁方向依次排布管层，管层包括多个圆周排布且依次焊接的小管，相邻管层中的相邻小管相切，各个小管的轴线彼此平行，最外圈的管层与外直管内壁相切且焊接，最内圈的管层的中心位于外直管的中轴线上。管束式结构中管子的数目没有规定。管束式部分外直管有效流通面积为整流器入口有效流通面积的1.5-1.7倍。管束中小管有效流通面积为外直管的0.041-0.043倍。同时应用Fluent软件，采用三维稳态隐式求解器，湍流模型选用k-ε二方程模型。计算方法采用SIMPLE算法。控制方程采用三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程，相对直角坐标系下雷诺时均N-S方程组的守恒形式为：

$\frac{\∂U}{\∂l}+\▿\·F+\▿\·F_v=Q$

其中：F，Fv-无粘与粘性通量；U-待求解守恒变量；Q-源项。

如图3、图4所示，孔板部分包括外圆管以及固定在圆管内的孔板，孔板有效流通面积为整个孔板面积的0.561-0.565倍，孔板面积为管束式结构外直管面积的1.96～2.10倍。同样应用Fluent软件，采用三维稳态隐式求解器，湍流模型选用k-ε二方程模型。计算方法采用SIMPLE算法。控制方程采用三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程。

实施例：

选用整流器入口管为DN200，管束式结构中各管子壁厚会占据一部分流通面积，若仍选用DN200的管子则会产生节流作用，为保证管束部分的流通面积大于整流器入口流通面积，同时兼顾整体结构的轻便性，将管束式结构中外直管管径变为DN250。DN250直管内小管分三层均匀布置，最内层1根，第二层6根，最外层12根，共19根。该种布置方式可保证各小管之间的间隙是大小相等且均匀分布，进而使整个横截面对流体产生均匀的整流作用，避免因小管分布不均匀，整个结构非但没有起到整流作用反而产生扰流作用。每根小管长度为510mm，规格为Φ51×3的不锈钢管，可使各小管之间间隙均为2mm，保证焊接的可行性及可靠性。各小管的轴线彼此平行，外圆彼此相切，最外圈小管与DN250管道内壁相切。如图2所示，各小管的轴线除了彼此平行外，还应与管道轴线平行。加工时在各小管两端相切处沿小管轴线方向焊接，焊接长度不小于12mm。管束式部分主要是用于降低管道中液体旋转流的影响，但是不能产生完全正常的流速分布轮廓。

为确保孔板有效流通面积大于整流器入口面积，同时兼顾轻便、美观、耐腐蚀性，增加异径管将孔板设置在DN350的外圆管内，孔板两侧外边缘做倒角处理与外圆管焊接。经强度与流场计算，非均匀孔板最终采用厚度为0.13D的不锈钢板，板上开设35个0.13D（D为外圆管公称直径）的通孔。为防止夹气与积液，在孔板最高点开设排气通道，最低点开设排液通道，结构型式如图3、图4所示。由于35个通孔位置为非均匀排布，孔位置不同所产生的整流效果就不同，经过反复的流场计算，综合考虑强度，加工的可行性，最终选择的孔位置坐标如图3所示，整体上外疏内密，因此，非均匀孔板对管流流动的阻力为边缘部分阻力大，中间部分阻力小，迫使管内边缘流体向中心加速，从而使偏差、旋转等不规则流动状态加速朝充分发展的紊流速度分布发展。非均匀孔板部分不仅能消除管道中旋转流的影响，同时可产生完全的正常流速分布轮廓。

通过多次发动机试验的考核，整流器工作正常，抽取改造前某次试车氧化剂流量数据曲线，如图5所示，可以看出氧化剂流量数据曲线波动较大，观察改造后某次试车氧化剂流量数据曲线，如图6所示，曲线波动明显减少，平稳程度大大增加。可以看出，整流器的设计达到了技术目的，确保了试车流量数据的准确获得。

Claims (6)

1.一种消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，包括依次连接的入口管、入口锥管、管束式部分、过渡锥管、孔板部分、出口锥管以及出口管，

所述管束式部分包括外直管以及设置在外直管内的管束，所述管束包括多个沿外直管中轴线向管壁方向依次排布管层，管层包括多个圆周排布且依次焊接的小管，相邻管层中的相邻小管相切，各个小管的轴线彼此平行，最外圈的管层与外直管内壁相切且焊接，最内圈的管层的中心位于外直管的中轴线上，所述管束中小管有效流通面积为外直管0.041-0.043倍；

所述孔板部分包括外圆管以及固定在外圆管内的孔板，所述孔板有效流通面积为整个孔板面积的0.561-0.565倍，孔板面积为管束式部分外直管面积的1.96-2.10倍。

2.根据权利要求1所述的消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，其特征在于：所述孔板的最高点开设排气通道，孔板的最低点开设排液通道。

3.根据权利要求1或2所述的消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，其特征在于：所述外直管的管径大于入口管的直径，所述孔板的直径大于外直管的管径，所述入口管与出口管的管径相等。

4.根据权利要求3所述的消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，其特征在于：所述管束包括3个管层，最内圈管层为1根小管，第二层管层为6根小管，最外圈管层为12根小管。

5.根据权利要求4所述的消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，其特征在于：所述孔板上孔的分布原则为：外疏内密。

6.根据权利要求5所述的消除发动机试验中推进剂流动畸变的整流器，其特征在于：所述孔板两侧外边缘做倒角处理与外圆管内壁焊接。