CN107340081B - 液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，包括管路单元和测试单元；管路单元包括试验段；试验段包括内筒、外筒以及设置在内筒和外筒之间的保温材料；测试单元包括上位机、控温系统、采集设备、设置在稳定段的总温度传感器和总压力传感器、设置在试验段的参考温度传感器；控温系统包括至少两组壁温传感器单元、控温仪和至少一组加热体；加热体设置于内筒的外壁上；采集设备并将壁温传感器温度信息反馈至控温仪；控温仪根据反馈信息分别调节不同加热体功率控制试验段内筒的温度；控温仪及采集设备均与上位机通讯。本发明装置通过改变实验条件可以得到一系列短型热电偶温度传感器导热修正系数，提高了测量准确度。

Description

液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置

技术领域

本发明涉及一种液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置。

背景技术

在液体火箭发动机热试车中，温度参数通常在高温、高压、高速流动的情况下进行测试的。考虑传感器强度问题和安装空间的限制，不能完全按照理想的设计结构和尺寸来选择温度传感器，由于传热和传感器结构及安装方式等原因，导致了温度传感器的稳态特性差异很大，存在的辐射误差、导热误差和速度误差等直接影响温度参数的测量准确度，实际测量的不是气流的真实温度，最高可相差几十度。由于在高温测量中，辐射误差相对于导热误差而言所占份额较大，在发动机设计和传感器结构设计中已进行辐射误差的计算，而导热误差的大小却很难正确估算，根据传感器的结构特点，热电偶测温部分、安装支座及六方螺母部分对导热误差产生影响，往往在设计中被忽略计算。

发明内容

为了获得不同工况和安装条件下导热误差修正系数，本发明提供一套短型热电偶稳态校准装置。

本发明的技术解决方案是提供一种液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特殊之处在于：

包括管路单元和测试单元；

所述管路单元包括依次连接的稳定段1、收缩段2、试验段3以及扩压段4；上述稳定段1接上游管路，上述收缩段2的管径逐渐变小，直至与试验段3管径一致；上述扩压段4管径逐渐变大并与下游管路连接；

上述试验段3包括内筒301、外筒302以及设置在内筒301和外筒302之间的保温材料39；

上述测试单元包括上位机、控温系统、采集设备、设置在稳定段1的总温度传感器12和总压力传感器11、设置在试验段3的参考温度传感器31；

被校短型热电偶32设置在试验段筒体上，且被校短型热电偶32的受感部位于试验段3的中轴线附近；

上述参考温度传感器31设置在试验段筒体上且与被校短型热电偶32相对设置，参考温度传感器31的受感部尽可能靠近被校短型热电偶32的受感部；

上述控温系统包括控温仪、至少两组壁温传感器单元和至少一组加热体34；壁温传感器单元包括至少两个壁温传感器33，上述壁温传感器33设置在试验段筒体不同位置，壁温传感器33的受感部与试验段3内筒壁紧密贴合；上述加热体34设置于内筒301的外壁上；

上述采集设备采集壁温传感器33、总温度传感器12、总压力传感器11、被校短型热电偶32、参考温度传感器31的信息，并将壁温传感器33温度信息反馈至控温仪；上述控温仪根据反馈信息分别通过调节不同加热体34功率控制试验段内筒301的温度；上述控温仪及采集设备均与上位机通讯。

优选地，为了降低导热误差，本发明校准装置还包括被校短型热电偶32的气冷系统，气冷系统包括冷却器管路、气冷安装法兰35及安装在冷却器管路上的调节阀门36，气冷安装法兰包括冷却夹层351，冷却夹层351与冷却器管路相通，冷却器管路的一端为冷却气进口37，另一端为冷却气出口38，法兰体部分作为被校短型热电偶32的安装支座，将被校短型热电偶32固定在试验段上，冷却夹层351位于被校短型热电偶32的根部位置；

上述法兰体通过六方螺母固定在试验段内筒外壁上；

上述法兰体上还设置有壁温出线接头352，上述测试单元还包括用于测量安装支座与六方螺母及被校短型热电偶测温部分的表面温度传感器，上述表面温度传感器的出线通过壁温出线接头352实现。

优选地，为了增加传感器浸入流场的长度，降低导热误差，上述参考温度传感器31采用单屏蔽干烧的结构，能够沿着参考温度传感器的轴线方向调节位置，包括“L”型支撑杆311、偶丝316及热电偶信号引线310；热电偶信号引线310位于支撑杆311的一端引出偶丝316信号并与采集设备连接，上述偶丝316穿过支撑杆311伸出支撑杆311的另一端构成K型热电偶315，K型热电偶315外部设置有带有进出气口的屏蔽罩314；上述支撑杆311上还设置有安装法兰313与可调式紧固座312，通过安装法兰313将参考温度传感器31安装在试验段上，通过可调式紧固座312固定参考温度传感器。

优选地，上述支撑杆311的表面刻制有标尺。

优选地，K型热电偶315的偶丝丝径为0.5mm，K型热电偶315的偶丝伸出长度即裸露部位长度为8mm，K型热电偶315偶丝的接点距屏蔽罩进气口的距离为12mm，屏蔽罩进出气口的面积比为1:1。

优选地，上述壁温传感器33为K型铠装热电偶，包括外壁设有螺纹333的铠装外壳332，通过螺纹333将壁温传感器33安装在试验段筒壁上；K型铠装热电偶内部填充氧化物粉末；铠装外壳332为不锈钢材料。

优选地，K型铠装热电偶的偶丝330伸出长度为5mm，螺纹333底部距试验段内筒壁面距离为4mm；当螺纹旋转入位后，偶丝产生形变，紧贴内筒面，K型铠装热电偶偶丝上套设绝缘瓷管331或绝缘瓷珠，将信号引出加热层和保温层，K型铠装热电偶末端焊接热电偶插头。

优选地，为了避免由于内部换热的差异引起的试验段内筒前后差异过大的问题，本发明校准装置包括3组加热体34，3组壁温传感器单元，每组每组壁温传感器单元包括4个壁温传感器33，每组壁温传感器单元分别位于试验段筒体两端及中间部位。

优选地，上述试验段内筒301及外筒302均为不锈钢材质，试验段3长1000mm，内筒内径80mm，外筒外径326mm。

优选地，上述加热体34的加热元件采用镍铬加热丝，加热丝布置在窄条瓷板中，若干穿有加热丝的窄条瓷板排列在一起，形成能够弯曲的加热板。

本发明的有益效果是：

1、本发明装置采用一种单屏蔽干烧结构的参考温度传感器作为标准，与安装在本装置中的被校短型热电偶在不同工况、不同插入深度、不同基底温度、和不同法兰材质(通过更换不同材质的法兰体实现)条件下，进行测量结果的比对。可以得到一系列短型热电偶温度传感器导热修正系数，提高了测量准确度；

2、本装置试验段采用双层保温结构，长1000mm，内筒内径80mm，外筒外径326mm，内外层均采用不锈钢制作，中间填充保温材料，通过使用保温材料对内筒进行保温，同时降低外筒温度；整个校准装置前后通过法兰连接在校准风洞或燃烧试验器上；

3、本装置通过温控仪分别控制设置在试验段内筒的外侧的加热体功率，来调节内筒壁面温度，减小辐射误差；

4、本装置还包括气冷安装法兰，通过气冷安装法兰将被校短型热电偶安装在试验段上，用于冷却被校温度传感器的根部温度，降低导热误差的影响；

5、试验段内筒上设计了12只壁面温度传感器，用于监控试验段内筒内壁面的温度。采用壁温传感器对试验段内筒前中后三段进行实时温度监测，并可以通过温控系统控制壁面温度跟随主流温度进行调节，有效避免由于内部换热的差异引起的试验段内筒前后差异过大的问题；

6、参考温度传感器采用单屏蔽干烧的结构形式，该传感器的突出特点是采用了“L”型结构，最大程度的增加了传感器浸入流场的长度，进而可以有效地降低导热误差。

附图说明

图1是本发明系统原理图；

图2是本发明试验段结构示意图；

图3是本发明控温系统组成示意图；

图4是本发明分段控温示意图；

图5是试验段本体结构图；

图6导热误差试验段加热体布置图；

图7气冷法兰的结构示意图；

图8是壁温传感器结构示意图；

图9是壁温传感器布局示意图；

图10是参考温度传感器结构示意图。

图中附图标记为：1-稳定段，11-总压力传感器，12-总温度传感器，2-收缩段，3-试验段，301-内筒，302-外筒，31-参考温度传感器，310-热电偶信号引线，311-支撑杆，312-可调式紧固座，313-安装法兰，314-屏蔽罩，315-K型热电偶，316-偶丝，32-被校短型热电偶，321-被校短型热电偶安装支座，33-壁温传感器，330-偶丝，331-绝缘瓷管，332-铠装外壳，333-螺纹，34-加热体，35-气冷安装法兰，351-冷却夹层，352-壁温出线接头，36-调节阀门，37-冷却气进口，38-冷却气出口，39-保温材料，4-扩压段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明以新一代大运载发动机富氧高温温度传感器为研究对象，(其中所用的高温温度传感器即为短型热电偶温度传感器)在一定的气流马赫数、气流温度的稳态条件下，开展短型热电偶温度传感器导热修正校准技术研究，建立一套稳态校准装置。在该装置中，认为参考温度传感器的测温结果是温度标准值，在一定工况条件下，对比被校短型热电偶与参考温度传感器的测温结果，对短型热电偶温度传感器进行校准。

研究发动机在实际气流条件下短型热电偶温度传感器长径比(热电偶测温部分)、安装支座等对导热误差的影响，可以获得不同工况条件下短型热电偶温度传感器导热修正系数，综合分析发动机温度测量影响因素，提高短型热电偶温度传感器测量准确性。

短型热电偶温度传感器的散热包括对流换热和沿程导热，在稳态和忽略辐射误差的情况下，根据传感器的结构特点，首先针对热电偶测温部分、安装支座部分等部分分别计算导热修正系数，然后将导热修正系数综合起来。

安装支座导热修正系数：

短型热电偶温度传感器在测量高温气体温度时，一般支座温度都低于测量端温度。从测量端到支座存在温度梯度，热量将从高温测量端向低温的支座传递，这个过程通常被称为导热。导热的结果使短型热电偶温度传感器指示温度T_j低于气流有效温度即参考温度传感器示值T_g，因而存在导热误差σ_c为：

σ_c＝T_g-T_j

在稳态和忽略辐射误差的情况下，传感器与气流之间的对流换热量Q_v和传感器的导热量Q_c的热平衡为

Q_v＝Q_c

对于热电偶式传感器，当通过壁面插入气流中，如果热电偶横截面上的温度分布均匀，只有沿轴向的温度梯度时，可以得出：

式中：L——浸入长度，单位为m；

F——横截面积，单位为m²；

v——热电偶周长，m；

T_d——支座温度，K。

当传感器为圆柱体时，

式中L为短型热电偶温度传感器浸入长度，m；

d为短型热电偶温度传感器外壳直径，m；

T_d为支座温度，K；

λ为短型热电偶温度传感器的支座的导热系数；

α为对流换热系数。

短型热电偶温度传感器安装支座导热修正系数H₂为：

在稳态和忽略辐射误差的情况下，假设短型热电偶测温部分、安装支座部分、六方螺母导热修正系数H₁、H₂、H₃，然后将导热修正系数综合起来得到热电偶部分导热修正系数：H＝H₁×H₂×H₃，则短型热电偶温度传感器的导热误差：

σ_c＝H×(T_g-T_d)

其中T_d为短型热电偶测温部分、安装支座部分、六方螺母三个部位的平均温度。

本发明装置组成：

本发明短型热电偶温度传感器稳态校准装置主要包括稳定段1、收缩段2、试验段3以及扩压段4几个部段组成，见图1。稳定段1主要起到整流、稳流的作用，另外总温度传感器12及总压力传感器11也布置在稳定段中。收缩段2的主要作用是加速气流，同时尽可能减小气流分离，保证良好的气流品质。其中试验段3根据满足导热误差研究的要求进行研制。

试验段

试验段3是专门设计用于进行导热误差试验的部段，从图2及图5可以看出，试验段3由试验段本体与保温材料39组成，其中试验段本体包括试验段内筒301、试验段外筒302以及前后法兰，组成双层保温结构，长1000mm，内筒内径80mm，外筒外径326mm，前后端分别通过法兰连接在收缩段与扩压段上。试验段内筒301采用高温合金钢2520，试验段外筒302以及两端法兰均采用不锈钢304，内、外筒之间填充保温材料39，通过使用保温材料39对内筒面进行保温，同时降低外筒面温度。内外筒体通过螺栓连接到前后法兰上成为一体，在试验段的安装过程中，可以将试验段内筒301，包括内筒体外侧的加热体34以及保温材料39固定完成后，一起装入试验段外筒302内，再通过紧固两端的螺栓形成一个整体。在需要的时候也可以逐件拆开，方便维护。

试验段上还设置被校短型热电偶32的气冷系统，从图7可以看出，该气冷系统包括冷却器管路、气冷安装法兰35及安装在冷却器管路上的调节阀门36，气冷安装法兰包括法兰体和冷却夹层351，冷却夹层351与冷却器管路相通，冷却器管路的一端为冷却气进口37，另一端为冷却气出口38，被校短型热电偶32通过气冷安装法兰35的法兰体固定在试验段上，冷却夹层351位于被校短型热电偶32的根部位置。被校温度传感器表面焊接若干只表面温度传感器，这些表面温度传感器的出线通过设计在气冷法兰上的壁温出线接头实现。

本发明采用了气冷安装法兰35冷却被校短型热电偶32的根部。被校短型热电偶32安装在被校短型热电偶安装支座321上，被校短型热电32的伸出长度，可以通过调节安装支座的高低在一定范围内进行调节。冷却空气从冷却气进口37进入，经过冷却安装法兰35的冷却夹层，在冷却夹层内与被校短型热电偶32进行热量交换，从而达到冷却传感器根部的作用。

参考温度传感器

理论分析中参考温度传感器提供了温度参考点相对准确的温度基准，准确的参考温度示值是保证系统测温的重要前提，是提高系统测温的稳定性的重要保证。

参考温度传感器31通过法兰安装在试验段3的筒壁上且位于被校短型热电偶32的对面，设计成位置可调的结构；并沿着传感器的轴线方向，在参考温度传感器31的外表面刻制标尺，每次准备试验的时候调节参考温度传感器31的位置，使之尽可能靠近被校短型热电偶32，调节完成后通过可调式紧固座312固定参考温度传感器31的位置，在试验过程中不进行位置调整。

从图10可以看出，参考温度传感器31采用单屏蔽干烧的结构形式，该传感器的突出特点是采用了“L”型结构，包括“L”型支撑杆311，热电偶信号引线310及敏感元件，最大程度的增加了传感器浸入流场的长度，进而可以有效地降低导热误差。为了减小辐射误差，参考温度传感器31还包括设置在K型热电偶315外的屏蔽罩314，屏蔽罩314上设置有进出气口，在壁温跟随控制的基础上可以进一步减小辐射误差。此外，在实验前首先对参考温度传感器开展恢复特性标定试验，对参考传感器进行速度误差的修正。经过上述设计和处理，可用该参考温度传感器31的测量值作为气流有效温度T_g。

该参考温度传感器还包括外壳，在外壳材料的选择上，由于温度不超过700℃，选择不锈钢为外壳材料；敏感元件采用K型热电偶315，丝径为Ф0.5mm。为减小参考温度传感器31的导热误差，需保证偶丝316伸出绝缘瓷管的部分足够长，即保持较大的长径比。

根据理论计算的结果，偶丝伸出部分长度取8mm。偶丝316接点距屏蔽罩进气口的距离取12mm。

屏蔽罩的材料选用不锈钢材料。屏蔽罩314的进、出气口面积比对参考温度传感器31的测温误差有较大影响。对于参考温度传感器31，由于气流马赫数较低，速度误差较小，可主要考虑辐射误差，所以进、出气口面积比可取得小一些，本发明中按照1:1选取。

控温系统

控温系统用于控制壁面温度跟随主流温度(即稳定段内总温度传感器所测温度)，使得壁面温度与主流温度一致，消除辐射误差影响。整套控温系统主要包括壁温传感器33、控温仪、加热体34，控温仪可以通过RS485与上位机通讯，控温系统配套有上位机控温软件，可以实现温度的远程控制，如图3所示。

从图6可以看出，本发明加热体34设置在试验段内筒301的外壁，加热的区域包含整个内筒，加热体分为前、中、后三段，控温也分为独立的三段控制(见图4)。加热体34的加热元件采用镍铬加热丝，加热丝布置在窄条瓷板中，瓷板可以起到绝缘的作用，若干穿有加热丝的窄条瓷板可以排列在一起，可以形成可以弯曲的加热板，将其裹在试验段内筒的外壁。

采集设备与上位机通讯，采集壁温传感器温度、总温度传感器、总压力传感器、被校短型热电偶、参考温度传感器的信息，并将壁温传感器温度信息反馈至控温仪，控温仪根据反馈信息分别通过调节不同加热体功率控制试验段内筒温度。

由于本发明校准装置是由三段控温的方式进行温度控制，采用壁温传感器对试验段内筒前中后三段进行实时温度控制，并可以通过温控系统控制壁面温度跟随主流温度变化，这样可以有效避免由于内部换热的差异引起的试验段内筒前后温度差异过大的问题。

壁温传感器

从图8可以看出，本发明壁温传感器33采用K型铠装热电偶作为感温元件，测量端为裸露形式。铠装外壳通过螺纹333与试验段3固定，如图9。铠装热电偶内部填充氧化物粉末作为绝缘材料，外部套不锈钢金属管作为保护管，既解决了敏感元件的绝缘问题，同时也加强了感温元件本身的强度和安全性。

偶丝330伸出长度和螺纹333旋入长度应确保壁温传感器33受感部与试验段3的内筒壁面紧密贴合。为保证受感部与内筒壁面贴合紧密，设计偶丝伸出长度为5mm，安装孔螺纹底部距内筒壁面距离为4mm，当螺纹旋转入位后，偶丝产生形变，紧贴内筒面。

该壁温传感器的温度测量范围为50～700℃，在外壳材料的选择上，由于温度不超过700℃，选择不锈钢为外壳材料。

壁温传感器位于试验段内筒，温度较高，设计直接焊接K型偶丝，套绝缘瓷管或绝缘瓷珠后将信号引出加热层和保温层，末端焊接热电偶插头，方便与其他设备连接。

Claims (10)

1.液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：

包括管路单元和测试单元；

所述管路单元包括依次连接的稳定段(1)、收缩段(2)、试验段(3)以及扩压段(4)；所述稳定段(1)接上游管路，所述收缩段(2)的管径逐渐变小，直至与试验段(3)管径一致；所述扩压段(4)管径逐渐变大并与下游管路连接；

所述试验段(3)包括内筒(301)、外筒(302)以及设置在内筒(301)和外筒(302)之间的保温材料(39)；

所述测试单元包括上位机、控温系统、采集设备、设置在稳定段(1)的总温度传感器(12)和总压力传感器(11)、设置在试验段(3)的参考温度传感器(31)；

试验段筒体上设置被校短型热电偶(32)的安装支座，用于安装被校短型热电偶(32)，且被校短型热电偶(32)的受感部位于试验段(3)的中轴线附近；

所述参考温度传感器(31)设置在试验段筒体上且与被校短型热电偶(32)的安装支座相对设置，参考温度传感器(31)的受感部尽可能靠近被校短型热电偶(32)的受感部；

所述控温系统包括控温仪、至少两组壁温传感器单元和至少一组加热体(34)；壁温传感器单元包括至少两个壁温传感器(33)，所述壁温传感器(33)设置在试验段筒体不同位置，壁温传感器(33)的受感部与试验段(3)内筒壁紧密贴合；所述加热体(34)设置于内筒(301)的外壁上；

所述采集设备与壁温传感器(33)、总温度传感器(12)、总压力传感器(11)、被校短型热电偶(32)、参考温度传感器(31)连接，用于采集的壁温传感器(33)、总温度传感器(12)、总压力传感器(11)、被校短型热电偶(32)、参考温度传感器(31)的信息，并将壁温传感器(33)温度信息反馈至控温仪；所述控温仪根据反馈信息分别调节不同加热体(34)功率控制试验段内筒(301)的温度；所述控温仪及采集设备均与上位机通讯。

2.根据权利要求1所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：还包括被校短型热电偶(32)的气冷系统，所述气冷系统包括冷却器管路、气冷安装法兰(35)及安装在冷却器管路上的调节阀门(36)，气冷安装法兰包括法兰体和冷却夹层(351)，冷却夹层(351)与冷却器管路相通，冷却器管路的一端为冷却气进口(37)，另一端为冷却气出口(38)，法兰体部分作为被校短型热电偶(32)的安装支座，将被校短型热电偶(32)固定在试验段上，冷却夹层(351)位于被校短型热电偶(32)的根部位置；

所述法兰体通过六方螺母固定在试验段内筒外壁上；

所述法兰体上还设置有壁温出线接头(352)，所述测试单元还包括用于测量安装支座与六方螺母及被校短型热电偶测温部分的表面温度传感器，所述表面温度传感器的出线通过壁温出线接头(352)实现。

3.根据权利要求2所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：所述参考温度传感器(31)采用单屏蔽干烧的结构，能够沿着参考温度传感器的轴线方向调节位置，包括“L”型支撑杆(311)、偶丝(316)及热电偶信号引线(310)；热电偶信号引线(310)位于支撑杆(311)的一端引出偶丝(316)信号并与采集设备连接，所述偶丝(316)穿过支撑杆(311)伸出支撑杆(311)的另一端构成K型热电偶(315)，K型热电偶(315)外部设置有带有进出气口的屏蔽罩(314)；所述支撑杆(311)上还设置有安装法兰(313)与可调式紧固座(312)，通过安装法兰(313)将参考温度传感器(31)安装在试验段上，通过可调式紧固座(312)固定参考温度传感器。

4.根据权利要求3所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：所述支撑杆(311)的表面刻制有标尺。

5.根据权利要求4所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：K型热电偶(315)的偶丝丝径为0.5mm，K型热电偶(315)的裸露部位的长度为8mm，K型热电偶(315)偶丝的接点距屏蔽罩进气口的距离为12mm，屏蔽罩进出气口的面积比为1:1。

6.根据权利要求1至5任一所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：所述壁温传感器(33)为K型铠装热电偶，包括外壁设有螺纹(333)的铠装外壳(332)，通过螺纹(333)将壁温传感器(33)安装在试验段筒壁上；K型铠装热电偶内部填充氧化物粉末；铠装外壳(332)为不锈钢材料。

7.根据权利要求6所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：K型铠装热电偶的偶丝(330)伸出长度为5mm，螺纹(333)底部距试验段内筒壁面距离为4mm；K型铠装热电偶偶丝上套设绝缘瓷管(331)或绝缘瓷珠，将信号引出加热层和保温层，K型铠装热电偶末端焊接热电偶插头。

8.根据权利要求7所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：包括3组加热体(34)，3组壁温传感器单元，每组壁温传感器单元包括4个壁温传感器(33)，每组壁温传感器单元分别位于试验段筒体两端及中间部位。

9.根据权利要求8所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：所述试验段内筒(301)及外筒(302)均为不锈钢材质，试验段(3)长1000mm，内筒内径80mm，外筒外径326mm。

10.根据权利要求9所述液体火箭发动机短型热电偶稳态校准装置，其特征在于：所述加热体(34)的加热元件采用镍铬加热丝，加热丝布置在窄条瓷板中，若干穿有加热丝的窄条瓷板排列在一起，形成能够弯曲的加热板。

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