CN104748970A - 一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统，包括固定模块和可移动模块；固定模块包括手动截止阀、过滤器、减压器、压力表，可移动模块包括音速喷嘴、电磁阀、单向阀、压力传感器；本发明的试验系统进行模块化设计，中间采用了相应的软管进行连接，保证了阀门与发动机距离最近要求，且减少了硬性不锈钢管链接过程中的应力集中现象，减少了多次试验过程中不必要的对发动机连接管路进行改造的操作。

Description

一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统

技术领域

本发明涉及一种适用于气气燃烧发动机地面试验的气体试验系统，属于航天发动机地面试验装置。具体来说是一种适用于地面小推力发动机试验的气体供应装置及多光学燃烧诊断试验装置。

背景技术

在航天发动机领域，全流量补燃循环发动机是液体火箭发动机的一种新的循环方式发动机，气气燃烧喷注器技术是其核心技术之一，因此气气喷注器燃烧的研究成为了主要的研究方向。在试验的过程中，保证精确的喷注器推进剂介质入口压力和入口流量成为基本要求。一般在大型发动机工程应用试验过程中，管路供应试验系统较为复杂且相应的阀门等设备较为笨重，不适合小推力发动机进行原理性研究试验。另外，在发动机试验过程中，为了保证距离发动机最近的一道阀门和发动机接嘴之间的管路气体介质充填过程时间最短，则需要保证最后一道阀门离发动机接嘴最近。

发明内容

本发明的目的是建立一种适用于小推力发动机试验的气体供应系统及对简单发动机进行原理性演示，针对试验系统，该供应系统消除了以往系统平台中笨重只能在特定区域进行试验的弊端，使得试验系统能够方便运输，达到小流量试验的要求。发动机系统采用模块化设计，中间采用软管进行连接，其中固定模块在实际操作中集成在一个移动式的小车上，形成固定式操作空间，可移动模块在实际过程中可以根据试验件的安放位置进行调整，保证发动机最后一道阀门的位置距离发动机最近，由于阀门构件属于基本固定长度，则模块之间软管的长度成为了很好的选择。本发明在模块化的过程中，在保证试验安全可靠进行的条件下，整合了试验系统所需的必要构件，例如氢气管路置换装置，利用标定后的音速喷嘴来控制系统流量等，达到整体系统精简的目标。

一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统，包括固定模块和可移动模块；

固定模块包括手动截止阀、过滤器、减压器、压力表，具体的：手动截止阀(A01)一端连接氧气气瓶(A00)，另一端连接过滤器(A02)；过滤器(A02)的另一端连接减压器(A03)，减压器(A03)后端分成一个三通，分别连接压力表(A04)和手动截止阀(A05)；手动截止阀(B01)一端连接氮气气瓶(B00)，另一端连接过滤器(B02)；过滤器(B02)的另一端分成一个三通，分别连接减压器(B04)和手动截止阀(B03)，减压器(B04)后端分成一个四通，分别连接压力表(B05)、手动截止阀(B06)和手动截止阀(B07)；手动截止阀(C01)一端连接氢气瓶(C00)，另一端连接过滤器(C02)；过滤器(C02)后端分成一个三通，分别连接减压器(C03)和手动截止阀(B03)，减压器(C03)后端分成一个三通，分别连接压力表(C04)和手动截止阀(C05)；

可移动模块包括音速喷嘴、电磁阀、，单向阀、压力传感器；

软管(L1)一端连接手动截止阀(A05)，另外一端分别连接压力表(A06)与音速喷嘴(A07)，软管(L2)一端连接手动截止阀(B06)，另外一端连接电磁阀(B08)，软管(L3)一端连接手动截止阀(B07)，另外一端连接电磁阀(B09)，软管(L4)一端连接手动截止阀(C05)，另外一端分别连接压力表(C06)和音速喷嘴(C07)；电磁阀(A08)一端连接音速喷嘴(A07)另外一端连接小型发动机，单向阀(B10)一端连接电磁阀(B08)，另外一端连接小型发动机，单向阀(B11)一端连接电磁阀(B09)，另外一端连接小型发动机，电磁阀(C08)一端连接音速喷嘴(C08)，另外一端连接小型发动机。

本发明的优点在于：

(1)本发明的试验系统进行模块化设计，中间采用了相应的软管进行连接，保证了阀门与发动机距离最近要求，且减少了硬性不锈钢管链接过程中的应力集中现象，减少了多次试验过程中不必要的对发动机连接管路进行改造的操作；

(2)本发明采用火箭发动机中常用的同轴剪切喷注器，石英玻璃作为透明燃烧室，火花塞放置在尾端对发动机工作过程进行点火，此种装置相对一般发动机简单可靠，容易实施，可以进行此类发动机的性能研究及演示试验目的。

附图说明

图1是本发明的供应系统原理图；

图2是典型的单喷嘴原理性发动机试验件；

图中：

A00-氧气气瓶           A01-手动截止阀         A02-过滤器

A03-减压器             A04-压力表             A05-手动截止阀

L1-软管                A06-压力传感器         A07-音速喷嘴

A08-电磁阀             B00-氮气气瓶           B01-手动截止阀

B02-过滤器             B03-手动截止阀         B04-减压器

B05-压力表             B06-手动截止阀         B07-手动截止阀

L2-软管                L3-软管                B08-电磁阀

B09-电磁阀             B10-单向阀             B11-单向阀

C00-氢气瓶             C01-手动截止阀         C02-过滤器

C03-减压器             C04-压力表             C05-手动截止阀

L4-软管                C06-压力传感器         C07-音速喷嘴

C08-电磁阀

C001-氧气接嘴          C002-O型圈             C003-螺钉垫片

C004-氧喷嘴压盖        C005-氢气套筒          C006-O型圈

C007-氢气接嘴          C008-O型圈             C009-石墨垫圈

C010-石英玻璃管        C011-燃烧室压盖        C012-火花塞

C013-石墨垫圈          C014-氢气喷嘴          C015-氧气喷嘴

C016-O型圈

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统，中间采用全透明石英玻璃作为发动机燃烧室，方便了各类光学燃烧诊断装置进行观测，主要包含红外热像仪，高速摄影仪，以及激光诱导荧光设备等装置。点火装置设置在燃烧室尾端，消除点火装置对燃烧火焰的影响。此类燃烧装置具有燃烧过程稳定，点火正常，能够很好的将各光学燃烧诊断装置进行整合观测，得到氢氧燃烧过程的全方位光学数据，具有很好的光学燃烧诊断演示效果。

本发明是一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统，如图1和图2所示。

首先试验供应系统如图1所示，主要由两个模块构成，一个是原有固定模块(模块1)部分，另一个是可移动模块(模块2)，固定模块由手动截止阀(A01、B01、C01等)、过滤器(A02、B02、C02)、减压器(A03、B04、C03)、压力表(A04、B05、C04)等装置构成。此部分实现的功能为对上游的高压气源通过减压器降压到达预期试验压力附近。在模块1中设计了试验前氢气置换功能，试验开始之前，通过打开手动截止阀(B03)，将氮气作为氢气路的气源，对氢气管路中留存的空气进行置换，防止氢气与空气进行混合，达到氢气的爆炸裕度。可移动模块由音速喷嘴(A07、C07)，电磁阀(A08、B08、B09、C08)，单向阀(B10、B11)、压力传感器(A06、C06)等装置构成。此部分实现的功能为衔接模块1和小型发动机，将模块1中提供的试验压力通过音速喷嘴(A07、C07)转化为小型发动机试验流量参数。一般条件下，氮气吹除系统中电磁阀(B08、B09)后的压力值小于对应的氢氧管路电磁阀压力，电磁阀(B08、B09)后端压力高于前端压力容易将阀门反向顶开，形成不同气体混合的后果，造成试验失败，因此氮气吹除电磁阀(B08、B09)后端设置了单向阀(B10)和单向阀(B11)，依靠单向阀的特性来保证试验的气体正常运动。

系统的连接关系如下：

模块1中，手动截止阀(A01)一端连接氧气气瓶(A00)，另一端连接过滤器(A02)。过滤器(A02)的另一端连接减压器(A03)，减压器(A03)后端分成一个三通，分别连接压力表(A04)和手动截止阀(A05)。手动截止阀(B01)一端连接氮气气瓶(B00)，另一端连接过滤器(B02)。过滤器(B02)的另一端分成一个三通，分别连接减压器(B04)和手动截止阀(B03)，减压器(B04)后端分成一个四通，分别连接压力表(B05)、手动截止阀(B06)和手动截止阀(B07)。手动截止阀(C01)一端连接氢气瓶(C00)，另一端连接过滤器(C02)。过滤器(C02)后端分成一个三通，分别连接减压器(C03)和手动截止阀(B03)，减压器(C03)后端分成一个三通，分别连接压力表(C04)和手动截止阀(C05)。模块2与模块1之间通过软管(L1，L2，L3，L4)进行连接，其中软管(L1)一端连接手动截止阀(A05)，另外一端分别连接压力表(A06)与音速喷嘴(A07)，软管(L2)一端连接手动截止阀(B06)，另外一端连接电磁阀(B08)，软管(L3)一端连接手动截止阀(B07)，另外一端连接电磁阀(B09)，软管(L4)一端连接手动截止阀(C05)，另外一端分别连接压力表(C06)和音速喷嘴(C07)。模块2中，电磁阀(A08)一端连接音速喷嘴(A07)另外一端连接小型发动机，单向阀(B10)一端连接电磁阀(B08)，另外一端连接小型发动机，单向阀(B11)一端连接电磁阀(B09)，另外一端连接小型发动机，电磁阀(C08)一端连接音速喷嘴(C08)，另外一端连接小型发动机。

小流量气气燃烧装置如图2所示，此小型发动机采用火箭发动机上常用的同轴剪切类型喷嘴，喷嘴后采用石英玻璃(C010)作为光学观察目标区域，由火花塞(C012)在尾部对氢氧气体进行点火，点火形成的爆燃波，在整个区域的氢氧混合区域提供一个着火点。此类燃烧装置为研究气气同轴剪切喷注器在大气压环境下的性能提供了条件。试验过程中，点火稳定，简单可靠，方便实施。此原理性发动机模型的主要优点为在较低燃烧室压力条件下，对燃烧状态进行全方位的观测，避免了其他类型透明燃烧装置设置观察窗等复杂结构，无法进行多方位观测或是无法观测燃烧室特定区域(如喷嘴出口)的缺点。此种结构较为适合针对燃烧现象的多光学诊断研究及演示试验。对于喷嘴的密封结构，采用了常用的O型圈密封方式，此种方式结构简单，容易安装。对于燃烧室密封，采用抗高温的石墨垫圈。原理性发动机装配过程如下：首先将O型圈(C006)和O型圈(C008)安装在氢气喷嘴(C014)密封槽中，将O型圈(C016)安装在氧气喷嘴(C015)密封槽中，将氧气喷嘴(C015)与氢气喷嘴(C014)进行装配，两者之间通过O型圈(C016)进行密封。将氢气接嘴(C007)焊接在氢气套筒(C005)上，将氢气喷嘴(C014)外轮廓与氢气套筒(C005)进行装配，两者之间通过O型圈(C006)和O型圈(C008)进行密封，接下来将O型圈(C002)套在氧气喷嘴(C015)上，利用螺钉垫片(C003)将氧喷嘴压盖(C004)与氧气喷嘴(C015)压紧，中间通过O型圈(C002)进行密封。氧气接嘴(C001)与氧喷嘴压盖(C004)之间通过焊接相连接。石英玻璃管(C010)与氢气套筒(C005)之间使用石墨垫圈(C009)进行密封，石英玻璃管(C010)与燃烧室压盖(C011)之间通过是石墨垫圈(C013)进行连接，火花塞(C012)嵌入燃烧室压盖(C011)中，对燃烧室内氢氧混合气体进行点火。

试验系统及小型燃烧装置具体工作过程如下：

整体系统工作分为试验前准备阶段、试验过程、及完成阶段。

在准备阶段，主要的任务为确保试验过程中，小型发动机入口压力值为设计压力值。主要的工作分为两步，预先调节减压器后压力略高于设计压力值，接下来对发动机进行冷试，预先调节的压力随着气流的运动，压力值由静态压力变为动态压力，数值会有减小。因此需要逐渐的调节减压器后端的静压，将最后的减压器动态压力调节为发动机所需设计值。操作如下：确认所有的手动截止阀处于关闭状态，检查所有压力表处于零点位置。电磁阀能够在电信号的状态下正常动作。接下来对氢气管路中的空气进行置换，打开氮气瓶(B00)，打开手动截止阀(B01)，打开手动截止阀(B03)，调节减压器(C03)至较小的压力值，打开手动截止阀(C05)，通过电信号打开电磁阀(C08)，对氢气管路进行吹除。吹除完毕后，关闭电磁阀(C08)，关闭手动截止阀(C05)，关闭手动截止阀(B03)，将减压器(C03)复位。至此，氢气管路中的空气已经全部置换成氮气。最后调节所有的气路压力到达预计值，打开氧气气瓶(A00)，打开手动截止阀(A01)，调节减压器(A03)出口压力到设计压力值，通过压力表(A04)进行观测。打开手动截止阀(A05)，至此氧气路初步调节完毕。调节减压器(B04)出口压力值为设计压力值，打开手动截止阀(B06)和手动截止阀(B07)，至此氮气吹除路调节完毕，氮气路电磁阀(B08)和电磁阀(B09)前端没有设计压力传感器，主要原因为氮气作为实验的辅助气体，在试验前和试验后为发动机提供吹除气体，无需特别准确的数值，压力表(B05)已经能够满足指示要求。最后打开氢气气瓶(C00)，打开手动截止阀(C01)，调节减压器(C03)出口压力略高于设计压力值，通过压力表(C04)来观测，打开手动截止阀(C05)，至此氢气路调节初步完毕。接下来开始进行发动机的冷吹，通过电控信号打开电磁阀(A08)和电磁阀(C08),通过传感器(A06)记录氧气冷吹前后压力值，传感器(C06)记录氢气冷吹前后压力值。若压力传感器(A06)和压力传感器(C06)记录的数值未达到预先设计的压力值，通过调节减压器(A03)和减压器(C03)，直至达到目标。至此，试验准备阶段完成。

试验过程中，通过设定电控信号的时序，来控制四个电磁阀(A08、B08、B09、C08)的开关时序。一般条件下，氢氧管路都需要在氮气充分吹除之后再进行试验，然后根据试验工况来调节氢氧开关及火花塞点火时间的先后，达到初期氢氧爆燃着火的能量最高，可以对整个燃烧场进行着火。试验结束后，首先关闭氢氧管路的电磁阀(A08、C08)，同时打开氮气吹除电磁阀(B08、B09)，对管路进行吹除操作，防止小型发动机中出现回火的状况。

试验完成后，需要对系统进行关闭及拆除工作。首先关闭氧气气瓶(A00)、氮气气瓶(B00)及氢气气瓶(C00)。打开电磁阀(A08)，直至压力表(A04)示数标零，关闭电磁阀(A08)。打开电磁阀(C08)，直至压力表(C04)示数标零，关闭电磁阀(C08)。打开电磁阀(B08)，直至压力表(B05)示数标零，关闭电磁阀(B08)。关闭手动截止阀(A01、A05、B01、B06、B07、C01、C05)，至此可以将软管(L1、L2、L3、L4)进行拆除，模块2和模块1分开放置。至此试验完成阶段完毕。

Claims (2)

1.一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统，包括固定模块和可移动模块；

固定模块包括手动截止阀、过滤器、减压器、压力表，具体的：手动截止阀(A01)一端连接氧气气瓶(A00)，另一端连接过滤器(A02)；过滤器(A02)的另一端连接减压器(A03)，减压器(A03)后端分成一个三通，分别连接压力表(A04)和手动截止阀(A05)；手动截止阀(B01)一端连接氮气气瓶(B00)，另一端连接过滤器(B02)；过滤器(B02)的另一端分成一个三通，分别连接减压器(B04)和手动截止阀(B03)，减压器(B04)后端分成一个四通，分别连接压力表(B05)、手动截止阀(B06)和手动截止阀(B07)；手动截止阀(C01)一端连接氢气瓶(C00)，另一端连接过滤器(C02)；过滤器(C02)后端分成一个三通，分别连接减压器(C03)和手动截止阀(B03)，减压器(C03)后端分成一个三通，分别连接压力表(C04)和手动截止阀(C05)；

可移动模块包括音速喷嘴、电磁阀、，单向阀、压力传感器；

软管(L1)一端连接手动截止阀(A05)，另外一端分别连接压力表(A06)与音速喷嘴(A07)，软管(L2)一端连接手动截止阀(B06)，另外一端连接电磁阀(B08)，软管(L3)一端连接手动截止阀(B07)，另外一端连接电磁阀(B09)，软管(L4)一端连接手动截止阀(C05)，另外一端分别连接压力表(C06)和音速喷嘴(C07)；电磁阀(A08)一端连接音速喷嘴(A07)另外一端连接小型发动机，单向阀(B10)一端连接电磁阀(B08)，另外一端连接小型发动机，单向阀(B11)一端连接电磁阀(B09)，另外一端连接小型发动机，电磁阀(C08)一端连接音速喷嘴(C08)，另外一端连接小型发动机。

2.根据权利要求1所述的一种适用于小推力发动机试验的气体试验系统，所述的小型发动机具体为：O型圈(C006)和O型圈(C008)分别安装在氢气喷嘴(C014)的两个密封槽中，O型圈(C016)安装在氧气喷嘴(C015)的密封槽中，将氧气喷嘴(C015)与氢气喷嘴(C014)进行装配，两者之间通过O型圈(C016)进行密封；将氢气接嘴(C007)焊接在氢气套筒(C005)上，将氢气喷嘴(C014)外轮廓与氢气套筒(C005)进行装配，两者之间通过O型圈(C006)和O型圈(C008)进行密封，O型圈(C002)套在氧气喷嘴(C015)上，利用螺钉垫片(C003)将氧气压盖(C004)与氧气喷嘴(C015)压紧，中间通过O型圈(C002)进行密封；氧气接嘴(C001)与氧气压盖(C004)之间通过焊接相连接；石英玻璃管(C010)与氢气套筒(C005)之间使用石墨垫圈(C009)进行密封，石英玻璃管(C010)与燃烧室压盖(C011)之间通过是石墨垫圈(C013)进行连接，火花塞(C012)嵌入燃烧室压盖(C011)中，对燃烧室内氢氧混合气体进行点火。