CN111595476B - 液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件 - Google Patents

液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及温度测量装置，具体涉及一种液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件。本发明的目的是解决现有铠装温度传感器存在密封结构与液氧煤油发动机试验系统工艺管路传感器安装接口不匹配、密封性能差、测量精度低、响应速度慢、可靠性差的问题，提供一种液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件。该组件包括铂电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器，三者均包括测温单元、铠装壳体、外套螺母、紧固螺母、护线簧和外引线端；铠装壳体的球头与管路上的喇叭口型焊接直通接口配合；铂电阻温度传感器为触底式；热敏电阻温度传感器的测温头位于感温端头内，且感温端头上开设有液流孔；热电偶温度传感器为露头式。

Description

液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件
技术领域
本发明涉及温度测量装置，具体涉及一种液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件。
背景技术
为了监测和控制液氧煤油发动机试验过程，测量发动机以及试验系统在-200℃～600℃温度范围内的发动机性能数据，需要在发动机以及试验系统工艺管路中安装大量不同类型的铠装温度传感器。其中，安装于发动机的传感器由产品自带，采用端面密封形式。安装于泵前管路、推进剂供应管路、蒸发器管路以及其它试验系统管路的传感器则由试验单位提供和安装。
在众多温度测点中，液氧供应系统入口温度是判断发动机预冷是否充足，发动机试验能否进行的条件，也是计算发动性能数据的参数之一；液氧供应系统管路内的液氧温度是计算液氧密度，提供液氧流量的重要参数；蒸发器出口气体温度是确定火箭贮箱增压能力是否满足飞行要求的关键参数。因此，试验系统不同管径管路安装的各类型温度传感器，对于掌握试验工艺系统性能状态非常重要。
用于火箭飞行的液氧煤油发动机在交付总体飞行前，均需进行工艺验收试车，以获得发动机的准确性能，用于总体进行加注量计算及弹道设计。而准确、可靠地获得发动机试验中的关键温度参数，可以保证火箭的入轨精度和飞行成功。
对于需要试验单位提供和安装的安装于试验系统管路中的铠装温度传感器，试验系统中已设计的安装接口为喇叭口型焊接直通接口，故安装于试验系统管路中的铠装温度传感器需满足以下三个要求：
第一，接口匹配，密封性能好，能够承受一定压力，从而保证试验系统的密封性，不产生泄漏；
第二，测量精度要高，响应速度快；
第三，可靠性高，不在试验过程中出现故障、多余物，以致对发动机或试验系统造成破坏。
而市场上常见铠装温度传感器的结构形式为端面密封形式，与试验系统安装传感器的喇叭口型焊接直通接口不匹配，无法通过市场采购直接获取，且市场采购的传感器测量精度不满足要求。
因此，需要根据发动机试验温度测点的测量要求，研制接口匹配、密封性能好、精度满足要求、响应速度快和可靠性高的铠装温度传感器。
发明内容
本发明的目的是解决现有铠装温度传感器存在密封结构与液氧煤油发动机试验系统工艺管路传感器安装接口不匹配、密封性能差、测量精度低、响应速度慢、可靠性差的技术问题，提供一种快速响应、高可靠性的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，其特殊之处在于：包括安装于泵前管路上的铂电阻温度传感器和/或热敏电阻温度传感器、安装于推进剂供应管路上的铂电阻温度传感器和/或热敏电阻温度传感器、安装于蒸发器管路上的热电偶温度传感器；
所述热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和铂电阻温度传感器均包括铠装壳体、外套螺母、紧固螺母、护线簧、外引线端和测温单元；
所述测温单元设置于铠装壳体内；
所述铠装壳体为一体件，铠装壳体沿其轴向依次分为紧固段、球头密封段和感温端头；
所述紧固段与所述紧固螺母螺纹连接；
所述球头密封段的端面与管路上的喇叭口型焊接直通接口通过所述外套螺母螺纹连接；
所述球头密封段的球头与管路上的喇叭口型焊接直通接口配合；
所述球头密封段内部设有密封垫；
所述护线簧通过紧固螺母固定；
所述紧固段内部与球头密封段内部的密封垫之间充填导热绝缘密封材料；
所述铂电阻温度传感器的测温单元为铂电阻测温单元，铂电阻测温单元的铂电阻测温头位于铠装壳体的感温端头内，且与感温端头底部相接触；
所述热敏电阻温度传感器的测温单元为热敏电阻测温单元，热敏电阻测温单元的热敏电阻测温头位于铠装壳体的感温端头内，且感温端头上开设有液流孔；
所述热电偶温度传感器的测温单元为热电偶测温单元，热电偶测温单元的热电偶测温头露出铠装壳体的感温端头，且感温端头为逐步收缩状；
所述球头密封段内部的密封垫上设有仅允许引出线通过的插线孔；
所述铂电阻测温单元的铂电阻引出线、热敏电阻测温单元的热敏电阻引出线、热电偶测温单元的热电偶引出线均依次穿过各自温度传感器的铠装壳体、紧固螺母、护线簧进入外引线端。
进一步地，为了提供足够的机械保护强度，所述铠装壳体采用0Cr18Ni9不锈钢材料。
进一步地，为了提高测量精度，所述铂电阻温度传感器在铂电阻测温单元的两个铂电阻引出线端分别引出两根外引线。
进一步地，为了提高测量精度，所述热敏电阻温度传感器在热敏电阻测温单元的两个热敏电阻引出线端分别引出两根外引线。
进一步地，为了根据具体实验需要调节铠装壳体长度，所述铠装壳体还包括用于调节铠装壳体长度的保护套段。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，采用球型密封结构形式，球头密封段的球头与管路上的喇叭口型焊接直通接口配合，使得测温组件中的各个温度传感器安装快捷、连接可靠性高，密封性能优，能够承受一定的压力，从而保证试验系统的密封性，不产生泄漏，且能够安装于不同管径，满足不同管径管路内流体温度测量。
2、本发明提供的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，包含适用于液氧煤油发动机试验系统不同工艺管路温度测量的三种温度传感器，包括热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和铂电阻温度传感器，温度测量范围广，可达-200℃～600℃，各个温度传感器采用分段结构形式，保证了不同规格温度传感器的加工通用性。
3、本发明提供的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，通过各个温度传感器感温端头的结构设计，使得温度传感器响应速度快，测量精度高，可实现不同类型温度传感器的快速、准确温度测量。具体结构形式为：热电偶温度传感器测温单元的测温头采用露头式；热敏电阻温度传感器测温单元的测温头位于铠装壳体感温端头内，且感温端头上开设有液流孔，由于热敏电阻是半导体材料，需要直接与介质接触才能准确测量温度，在铠装壳体感温端头开设液流孔，一方面保证流体直接与测温单元的测温头接触，另一方面，可以避免对管路内流场造成影响；为了保证温度传感器的重复使用性能和可靠性(即不在试验过程中出现故障、多余物，以致对发动机或试验系统造成破坏)，铂电阻温度传感器测温单元的测温头采用触底式。
4、为进一步提高测量精度，本发明提供的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件中，铂电阻温度传感器和热敏电阻温度传感器的测温单元均采用四线制，即均在测温单元的两个引出线端各引出两根外引线，以提高温度测量精度。
5、本发明提供的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件中，铠装温度传感器的工作环境覆盖高温、中温以及低温度，为了增强铠装壳体通用性，提供足够的机械保护强度，选择0Cr18Ni9不锈钢材料，该材料强度高，且可以承受800℃的高温，与液氧、煤油、氮气、氦气等介质相容。同时，铠装壳体材料的选择结合球头密封形式可以保证本发明的测温组件可以承受一定压力。
附图说明
图1为本发明测温组件中铂电阻温度传感器的结构示意图；
图2为图1中铠装壳体的结构示意图；
图3为现有焊接直通配套的球头密封形式；
图4为图2铠装壳体的球头密封段半剖视图；
图5为图4的A-A面剖视图；
图6为图1中感温端头处的剖视图；
图7为本发明测温组件中热敏电阻温度传感器的结构示意图；
图8为图7中感温端头处的剖视图；
图9为本发明测温组件中热电偶温度传感器的结构示意图；
图10为图9中铠装壳体球头密封段、保护套段和感温端头部分的结构示意图；
图11为图9中感温端头处的剖视图；
图12为高中温热电偶温度传感器所得试车数据曲线，其中铠装壳体的保护套段长度为0；
图13为低温铂电阻温度传感器所得试车数据曲线，其中铠装壳体的保护套段长度为40mm；
图14为低温热敏电阻温度传感器所得试车数据曲线，其中铠装壳体的保护套段长度为40mm；
附图标记说明：
1-铠装壳体、2-外套螺母、3-紧固螺母、4-护线簧、5-外引线端；
11-紧固段、12-球头密封段、121-球头、13-保护套段、14-感温端头、141-液流孔；
611-铂电阻测温头、612-铂电阻引出线；
621-热敏电阻测温头、622-热敏电阻引出线；
631-热电偶测温头、632-热电偶引出线；
7-现有球头密封面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
本发明提供的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，根据发动机试验温度测量范围、测量不确定度(即精度要求)、温度响应时间，设计测温组件的结构形式，即根据试验参数测量要求、温度传感器的类型设计的铠装温度传感器。如图1至图2、图4至图11所示，该测温组件包括安装于泵前管路上的铂电阻温度传感器和/或热敏电阻温度传感器、安装于推进剂供应管路上的铂电阻温度传感器和/或热敏电阻温度传感器、安装于蒸发器管路上的热电偶温度传感器。传感器整体结构设计过程中，为了便于多规格传感器加工、组装，采用了多组件的设计方法，所述热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和铂电阻温度传感器均采用多段式设计，包括铠装壳体1、外套螺母2、紧固螺母3、护线簧4、外引线端5和测温单元；所述测温单元设置于铠装壳体1内。
试验系统管路已预留传感器安装60°焊接直通接口，温度传感器密封结构设计过程中，借鉴现有焊接直通配套的球头密封形式并进行相应调整，图3中球面即为现有球头密封面7，在本发明的铠装温度传感器中采用密封球头结构形式，球头前端为温度传感器铠装壳体的保护套段13，后部用于温度传感器引线引出。故所述铠装壳体1为一体件，铠装壳体1沿其轴向依次分为紧固段11、球头密封段12、保护套段13(保护套段13用于调节铠装壳体1)的长度，保护套段13长度可以为0，即可以不包含保护套段13；所述紧固段11与所述紧固螺母3螺纹连接；所述球头密封段12的端面与管路上的喇叭口型焊接直通接口通过所述外套螺母2螺纹连接；所述球头密封段12的球头121与管路上的喇叭口型焊接直通接口配合；所述球头密封段12内部设有密封垫，密封垫上设有仅允许引出线通过的插线孔；所述护线簧4通过紧固螺母3固定；所述紧固段11内部与球头密封段12内部的密封垫之间充填导热绝缘密封材料。
根据温度传感器类型不同，测温单元的测温头和铠装壳体1的感温端头14采用不同的结构。
所述热电偶温度传感器的测温单元为热电偶测温单元，热电偶测温单元的热电偶测温头631采用露头式，即热电偶测温头631露出铠装壳体1的感温端头14，且感温端头14为逐步收缩状。
所述热敏电阻温度传感器的测温单元为热敏电阻测温单元，热敏电阻测温单元的热敏电阻测温头621位于铠装壳体1的感温端头14内，且感温端头14上开设有液流孔141；由于热敏电阻是半导体材料，需要直接与介质接触才能准确测量温度，在铠装壳体1的感温端头14开设液流孔141，一方面保证流体直接与热敏电阻测温头621接触，另一方面，可以避免对管路内流场造成影响。
为了提高温度测量精度、缩短响应时间，保证传感器的重复使用性能，所述铂电阻温度传感器的测温单元为铂电阻测温单元，铂电阻测温单元的铂电阻测温头611采用触底式，即铂电阻测温头611位于铠装壳体1的感温端头14内，且与感温端头14底部相接触；铂电阻是一种金属导体，其阻值随温度变化而增大。
所述铂电阻测温单元采用四线制，即在铂电阻测温单元的两个铂电阻引出线端各引出两根外引线，以提高温度测量精度。同理，所述热敏电阻测温单元也采用四线制，即在热敏电阻测温单元的两个热敏电阻引出线端分别引出两根外引线。
所述铂电阻测温单元的铂电阻引出线612、热敏电阻测温单元的热敏电阻引出线622、热电偶测温单元的热电偶引出线632均依次穿过各自温度传感器的铠装壳体1、紧固螺母3、护线簧4进入外引线端5。
铠装温度传感器工作环境覆盖高温、中温以及低温度，为了增强铠装壳体1通用性，提供足够的机械保护强度，选择0Cr18Ni9不锈钢材料，可以承受800℃的高温，与液氧、煤油、氮气、氦气等介质相容。
由于测点位置的不同，传感器的插入深度也不相同。目前试验工艺管路安装的铠装温度传感器，最长插入深度为100mm，最短插入深度为40mm，常用的有50mm、80mm等规格，即插入深度为40mm时，保护套段13长度L为0，球头密封段12的端面至感温端头14末端(即图中最右端)的长度为40mm，此为图12试车时的长度；插入深度为100mm时，保护套段13长度L为60mm。所以所述铠装壳体1的长度可以为40mm、50mm、80mm或100mm。
图12为中高温热电偶温度传感器所得试车数据曲线，从数据曲线看，中高温热电偶温度传感器温度响应速度快，曲线光滑，温度加速性数据满足设计要求。图13为低温铂电阻温度传感器所得试车数据曲线，图14为低温热敏电阻温度传感器所得试车数据曲线，从数据曲线看，两者响应速度一致，温度变化趋势一致，温度测量值接近。经过多批次液氧煤油发动机试验，得到的三种温度传感器测量数据，测量数据一致性好，与设计值吻合，满足发动机试验参数测量要求。将本发明的测温组件应用于液氧煤油发动机试验的低温、中温、高温温度测量，各个温度传感器响应速度快，可靠性高，可以提供准确的参数测量值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，其特征在于：包括安装于泵前管路上的铂电阻温度传感器和/或热敏电阻温度传感器、安装于推进剂供应管路上的铂电阻温度传感器和/或热敏电阻温度传感器、安装于蒸发器管路上的热电偶温度传感器；
所述热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器和铂电阻温度传感器均包括铠装壳体(1)、外套螺母(2)、紧固螺母(3)、护线簧(4)、外引线端(5)和测温单元；
所述测温单元设置于铠装壳体(1)内；
所述铠装壳体(1)为一体件，铠装壳体(1)沿其轴向依次分为紧固段(11)、球头密封段(12)和感温端头(14)；
所述紧固段(11)与所述紧固螺母(3)螺纹连接；
所述球头密封段(12)的端面与管路上的喇叭口型焊接直通接口通过外套螺母(2)连接；
所述球头密封段(12)的球头(121)与管路上的喇叭口型焊接直通接口配合；
所述球头密封段(12)内部设有密封垫；
所述护线簧(4)通过紧固螺母(3)固定；
所述紧固段(11)内部与球头密封段(12)内部的密封垫之间充填导热绝缘密封材料；
所述铂电阻温度传感器的测温单元为铂电阻测温单元，铂电阻测温单元的铂电阻测温头(611)位于铠装壳体(1)的感温端头(14)内，且与感温端头(14)底部相接触；
所述热敏电阻温度传感器的测温单元为热敏电阻测温单元，热敏电阻测温单元的热敏电阻测温头(621)位于铠装壳体(1)的感温端头(14)内，且感温端头(14)上开设有液流孔(141)；
所述热电偶温度传感器的测温单元为热电偶测温单元，热电偶测温单元的热电偶测温头(631)露出铠装壳体(1)的感温端头(14)，且感温端头(14)为逐步收缩状；
所述球头密封段(12)内部的密封垫上设有仅允许引出线通过的插线孔；
所述铂电阻测温单元的铂电阻引出线(612)、热敏电阻测温单元的热敏电阻引出线(622)、热电偶测温单元的热电偶引出线(632)均依次穿过各自温度传感器的铠装壳体(1)、紧固螺母(3)、护线簧(4)进入外引线端(5)。
2.根据权利要求1所述的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，其特征在于：所述铠装壳体(1)采用0Cr18Ni9不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，其特征在于：所述铂电阻温度传感器在铂电阻测温单元的两个铂电阻引出线端分别引出两根外引线。
4.根据权利要求1或2或3所述的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，其特征在于：所述热敏电阻温度传感器在热敏电阻测温单元的两个热敏电阻引出线端分别引出两根外引线。
5.根据权利要求4所述的液氧煤油发动机试验系统工艺管路用测温组件，其特征在于：所述铠装壳体(1)还包括用于调节铠装壳体(1)长度的保护套段(13)。
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