CN112629907A - 一种双路开放式系统试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温换热器试验技术领域，特别涉及一种试验件的双路供气和排气的试验台。一种双路开放式系统试验台，包括：管程和壳程两条气路管路，每条气路管路由进气和排气管路组成；试验台还包括：一条水路管路。本发明采用两路双喉道以及在壳程进排气路中串联了高温换热器方案保证了同一试验件的壳程和管程所需的不同压力和温度的试验需求，且通过减压阀和安全阀的组合式安全系统，解决了氮气系统的安全问题，在实际工作中，已成功完成了多次调试及试验任务，安全系统也有数次成功应用，确保后续试验设施的安全，为型号发动机的研制提供了重要的保障。

Description

一种双路开放式系统试验台

技术领域

本发明涉及高温换热器试验技术领域，特别涉及一种试验件的双路供气和排气的试验台。

背景技术

高温换热器作为闭式布雷顿循环与涡轮动力能量交换的重要部件，需要对其进行试验研究。高温换热器采用气-气列管式换热方案，分为壳程和管程两条不同的气路。为验证高温换热器在大温差条件下的强度及换热性能是否能够满足要求，需要给高温换热器的壳程提供高温低压气流，给管程提供高压低温气流，以验证高温换热器在大温差条件下的加工工艺、结构强度，观察试验后是否损坏。

发明内容

本发明的目的是：提供一种双路开放式系统试验台，为高温换热器提供不同压力、流量和温度的试验工质。

本发明的技术方案是：一种双路开放式系统试验台，包括：管程和壳程两条气路管路，每条气路管路由进气和排气管路组成；试验台还包括：一条水路管路。

高温换热器为试验件，试验件设置有四个气流接口，分别为：壳程进口、壳程出口、管程进口以及管程出口；壳程出口通过壳程排气管路连通大气，在壳程排气管路上依次设置音速喷嘴B、喷水段、壳程排气电动阀以及壳程软管；管程进口处设有管程进气软管，管程进口通过管程进气管路连接第一氮气源，在管程进气管路上依次设有管程手动截止阀、管程电动截止阀、管程减压阀、管程安全阀、管程放气电磁阀、管程进气电磁阀、音速喷嘴C；管程出口处设有管程排气软管，管程出口通过管程排气管路与大气连通，在管程排气管路上设有音速喷嘴D。

加热器的底部设有加热器进气口，顶部设置加热器排气口，加热器进气口与加热器排气口均与加热器内部气流通道连通，加热器还设有加热器进水口、加热器回水口；加热器进气口通过加热器进气管路连接第二氮气源，在加热器进气管路上依次设有壳程手动截止阀、壳程电动截止阀、壳程定压阀、壳程安全阀、壳程电磁阀、音速喷嘴A，在壳程定压阀上接有壳程减压阀；加热器排气口通过加热器排气管路与壳程进口连通；加热器进水口通过供水管路连接供水，在供水管路上依次设置水路手动截止阀A、水路电动截止阀、水路减压阀、水路手动截止阀B以及喷水接入点；喷水接入点通过喷水管路接入喷水段，在喷水管路上设有喷水电磁阀；加热器回水口通过回水管路连接回水，在回水管路上设有回水电动截止阀以及回水手动截止阀。

上述方案中：

关于水路管路中各组件的作用说明：

水路手动截止阀A位于供水管路的最前端，用于在供水管路的水路电动截止阀检修时彻底关断水源，每次试验前手动打开。

水路电动截止阀位于水路手动截止阀A后，用于供水管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。

水路减压阀位于水路电动截止阀后，用于调节水压，并保持供水管路的水压。每次试验前手动将水路减压阀后的压力调节到需要的压力，试验过程中保持阀后的压力不变。

水路手动截止阀B位于水路减压阀后，用于水路电动截止阀和水路减压阀维修时，切断水路用。

回水电动截止阀位于回水管路上，用于回水管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。

回水手动截止阀位于回水电动截止阀后，用于回水电动截止阀维修时，切断水路用。

喷水电磁阀位于喷水管路上，作为为给壳程排气管路喷水段的喷水开关用。试验需要时打开，平常关闭。喷水管路从供水管路的喷水接入点引到喷水段。

试验件壳程为试验件的主要气体流路，从加热器流出的热气流进入试验件壳程的进气管道中，流过壳程的流道后，从壳程的排气管道流出。关于壳程管路中各组件的作用说明：

壳程手动截止阀位于加热器进气管路的最前端，用于壳程电动截止阀检修时彻底关断气源。每次试验前手动打开，试验结束后最后关闭。

壳程电动截止阀位于壳程手动截止阀后，用于加热器进气管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。为管路的安全负责。

壳程减压阀位于壳程定压阀上，壳程定压阀位于壳程电动截止阀后。壳程减压阀与壳程定压阀配套使用，用于调节并稳定壳程管路的进气压力。每次试验前手动将阀后的压力调节到需要的压力，试验过程中保持阀后的压力不变。

壳程安全阀位于壳程定压阀后，在壳程定压阀压力超调或失效的情况下，保障后续管路及设备的安全。

壳程电磁阀位于壳程安全阀、音速喷嘴A之间，作为壳程管路的进气开关用。试验过程中需要通气时打开，不需要通气时关闭。

音速喷嘴A位于壳程电磁阀和加热器之间，靠音速喷嘴的喉道气流保持音速，限制进入加热器和壳程进气管道的流量，并在喷嘴扩张段产生激波，造成压力损失将试验件壳程内的压力保持在设计值。

加热器位于音速喷嘴A与试验件壳程之间，将从音速喷嘴A流出的气流加热后通入试验件壳程的进气管道中。

音速喷嘴B位于试验件壳程的排气管道后，与音速喷嘴A配合使用。因为同一流路上的气体流量相同，同样靠音速喷嘴B的喉道保持音速限制压力，使得加热器和试验件壳程保持需要的试验压力，并在喷嘴扩张段产生激波，使得排气压力稍微高于大气压。

喷水段位于音速喷嘴B后，将音速喷嘴B出来的高温气流在喷水段喷水后降温，排入大气中。

壳程排气电动阀为试验件壳程排气的开关阀，与壳程电动截止阀配合，进行试验。

壳程软管位于喷水段后，用于缓冲试验件壳程排气管道受热后的热应力。

试验件管程为试验件管程的气体流路。从音速喷嘴C流出的常温气流进入试验件管程的进气管道中，流过管程的流道后，从管程的排气管道流出。关于管程管路中各组件的作用说明：

管程手动截止阀位于管程管路的最前端，用于管程管路的电动阀门检修时彻底关断气源。每次试验前手动打开，试验结束后最后关闭。

管程电动截止阀位于管程手动截止阀后，用于管程管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。为管路的安全负责。

管程减压阀位于管程电动截止阀后，用于调节并稳定管程管路的进气压力。每次试验前手动将阀后的压力调节到需要的压力，试验过程中保持阀后的压力不变。

管程安全阀位于管程减压阀后，与管程减压阀配合使用，在减压阀压力超调或失效的情况下，保障后续管路及设备的安全。

管程进气电磁阀位于管程安全阀后音速喷嘴C之前，作为管程管路的进气开关用。试验过程中需要通气时打开，不需要通气时关闭。

管程放气电磁阀位于管程减压阀与管程进气电磁阀之间，用于试验后管道的泄压。试验前关闭，试验结束后打开，放气后关闭。

音速喷嘴C位于管程进气电磁阀与管程进口之间，靠音速喷嘴的喉道气流保持音速，限制进入管程进气管道的流量，并在喷嘴扩张段产生激波，造成压力损失将试验件管程内的压力保持在设计值。

管程排气软管位于管程出口处，用于缓冲试验件管程排气管道受热后的热应力。

管程进气软管位于管程进口处，用于缓冲管程试验件进气管道受热后的热应力。

音速喷嘴D位于试验件管程的排气管道后，与音速喷嘴C配合使用。因为同一流路上的气体流量相同，同样靠音速喷嘴D的喉道保持音速限制压力，使得加热器和试验件壳程保持需要的试验压力，并在喷嘴扩张段产生激波，使得排气压力稍微高于大气压。

本试验台的工作原理为：

试验件有壳程和管程两条气流通道，两条气流通道互不连通，需要分别给壳程和管程供气和排气。管程进常温、高压、小流量氮气的冷氮气，壳程进高温、低压、大流量的热氮气。管程流量为壳程流量的十分之一。为了给试验件的管程和壳程提供不同压力和流量的气体，分别在管程和壳程的进排气路上设置音速喷嘴，利用气流通道上的双音速喉道，对管道的流量和压力进行控制，使其达到使用目标。音速喷嘴原理为在喉道处气流为音速，在喉道后的扩展段产生正激波将超音速气流变为亚音速气流，从而将进气气源的高压力降低到试验件需要的压力。同时在试验件壳程进口前串接加热器，给壳程提供需要的高温气流。

在上述方案的基础上，进一步的，加热器为电磁感应石墨蓄热式加热器。

在上述方案的基础上，进一步的，试验台设置在厂房内，厂房内修建有地坑，地坑周围有护栏；加热器布置在地坑内部，加热器安装在支腿上，支腿通过螺栓连接在地面上。试验件设置在厂房内部的地面上。试验件通过支架固定在地面上，支架底座带有滚轮，允许其有限的运动。加热器排气口与加热器同轴设置，且加热器排气口位于加热器的上端。管程和壳程两条气路管路以及水路管路大部分布置在地坑中。工质管路均通过支架支撑在地面上，用地脚螺栓连接固定。

有益效果：

本发明采用两路双喉道以及在壳程进排气路中串联了高温换热器方案保证了同一试验件的壳程和管程所需的不同压力和温度的试验需求，且通过减压阀和安全阀的组合式安全系统，解决了氮气系统的安全问题，在实际工作中，已成功完成了多次调试及试验任务，安全系统也有数次成功应用，确保后续试验设施的安全，为型号发动机的研制提供了重要的保障。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明实施例2中的路由图；

其中：1-水路手动截止阀A、2-水路电动截止阀、3-水路减压阀、4-水路手动截止阀B、5-喷水接入点、6-加热器进水口、7-加热器回水口、8-加热器排气口、9-回水电动截止阀、10-回水手动截止阀、11-管程出口、12-管程进口、13-壳程进口、14-壳程出口、15-试验件、16-喷水电磁阀、17-音速喷嘴B、18-喷水段、19-壳程排气电动阀、20-壳程软管、21-音速喷嘴C、22-管程进气电磁阀、23-管程安全阀、24-管程手动截止阀、25-管程电动截止阀、26-管程减压阀、27-管程放气电磁阀、28-壳程手动截止阀、29-壳程电动截止阀、30-壳程减压阀、31-壳程定压阀、32-壳程安全阀、33-壳程电磁阀、34-音速喷嘴A、35-管程进气软管、36-音速喷嘴D、37-管程排气软管、38-加热器进气口、39-加热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

参见附图1，一种双路开放式系统试验台，包括：管程和壳程两条气路管路，每条气路管路由进气和排气管路组成；试验台还包括：一条水路管路。本试验台能够为同一试验件提供不同压力、流量和温度的试验工质。

高温换热器为试验件15，试验件15设置有4个气流接口，分别为：壳程进口13、壳程出口14、管程进口12以及管程出口11；壳程出口14通过壳程排气管路连通大气，在壳程排气管路上依次设置音速喷嘴B17、喷水段18、壳程排气电动阀19以及壳程软管20；管程进口12处设有管程进气软管35，管程进口12通过管程进气管路连接第一氮气源，在管程进气管路上依次设有管程手动截止阀24、管程电动截止阀25、管程减压阀26、管程安全阀23、管程放气电磁阀27、管程进气电磁阀22、音速喷嘴C21；管程出口11处设有管程排气软管37，管程出口11通过管程排气管路与大气连通，在管程排气管路上设有音速喷嘴D36。

加热器39的底部设有加热器进气口38，顶部设置加热器排气口8，加热器进气口38与加热器排气口8均与加热器39内部气流通道连通，加热器39还设有加热器进水口6、加热器回水口7；加热器进气口38通过加热器进气管路连接第二氮气源，在加热器进气管路上依次设有壳程手动截止阀28、壳程电动截止阀29、壳程定压阀31、壳程安全阀32、壳程电磁阀33、音速喷嘴A34，在壳程定压阀31上接有壳程减压阀30；加热器排气口8通过加热器排气管路与壳程进口13连通；加热器进水口6通过供水管路连接供水，在供水管路上依次设置水路手动截止阀A1、水路电动截止阀2、水路减压阀3、水路手动截止阀B4以及喷水接入点5；喷水接入点5通过喷水管路接入喷水段18，在喷水管路上设有喷水电磁阀16；加热器回水口7通过回水管路连接回水，在回水管路上设有回水电动截止阀9以及回水手动截止阀10。

关于水路管路中各组件的作用说明：

水路手动截止阀A1位于供水管路的最前端，用于在供水管路的水路电动截止阀2检修时彻底关断水源，每次试验前手动打开。

水路电动截止阀2位于水路手动截止阀A1后，用于供水管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。

水路减压阀3位于水路电动截止阀2后，用于调节水压，并保持供水管路的水压。每次试验前手动将水路减压阀3后的压力调节到需要的压力，试验过程中保持阀后的压力不变。

水路手动截止阀B4位于水路减压阀3后，用于水路电动截止阀2和水路减压阀3维修时，切断水路用。

回水电动截止阀9位于回水管路上，用于回水管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。

回水手动截止阀10位于回水电动截止阀9后，用于回水电动截止阀9维修时，切断水路用。

喷水电磁阀16位于喷水管路上，作为为给壳程排气管路喷水段的喷水开关用。试验需要时打开，平常关闭。喷水管路从供水管路的喷水接入点5引到喷水段18。

试验件壳程为试验件15的主要气体流路，从加热器39流出的热气流进入试验件壳程的进气管道中，流过壳程的流道后，从壳程的排气管道流出。关于壳程管路中各组件的作用说明：

壳程手动截止阀28位于加热器进气管路的最前端，用于壳程电动截止阀29检修时彻底关断气源。每次试验前手动打开，试验结束后最后关闭。

壳程电动截止阀29位于壳程手动截止阀28后，用于加热器进气管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。为管路的安全负责。

壳程减压阀30位于壳程定压阀31上，壳程定压阀31位于壳程电动截止阀29后。壳程减压阀30与壳程定压阀31配套使用，用于调节并稳定壳程管路的进气压力。每次试验前手动将阀后的压力调节到需要的压力，试验过程中保持阀后的压力不变。

壳程安全阀32位于壳程定压阀31后，在壳程定压阀31压力超调或失效的情况下，保障后续管路及设备的安全。

壳程电磁阀33位于壳程安全阀32、音速喷嘴A34之间，作为壳程管路的进气开关用。试验过程中需要通气时打开，不需要通气时关闭。

音速喷嘴A34位于壳程电磁阀33和加热器39之间，靠音速喷嘴的喉道气流保持音速，限制进入加热器39和壳程进气管道的流量，并在喷嘴扩张段产激波，造成压力损失将试验件壳程内的压力保持在设计值。

加热器39位于音速喷嘴A34与试验件壳程之间，将从音速喷嘴A34流出的气流加热后通入试验件壳程的进气管道中。本例中，加热器39为电磁感应石墨蓄热式加热器。

音速喷嘴B17位于试验件壳程的排气管道后，与音速喷嘴A34配合使用。因为同一流路上的气体流量相同，同样靠音速喷嘴B17的喉道保持音速限制压力，使得加热器39和试验件壳程保持需要的试验压力，并在喷嘴扩张段产激波，使得排气压力稍微高于大气压。

喷水段18位于音速喷嘴B17后，将音速喷嘴B17出来的高温气流在喷水段喷水后降温，排入大气中。

壳程排气电动阀19为试验件壳程排气的开关阀，与壳程电动截止阀29配合，进行试验。

壳程软管20位于喷水段18后，用于缓冲试验件壳程排气管道受热后的热应力。

试验件管程为试验件管程的气体流路。从音速喷嘴C21流出的常温气流进入试验件管程的进气管道中，流过管程的流道后，从管程的排气管道流出。关于管程管路中各组件的作用说明：

管程手动截止阀24位于管程管路的最前端，用于管程管路的电动阀门检修时彻底关断气源。每次试验前手动打开，试验结束后最后关闭。

管程电动截止阀25位于管程手动截止阀24后，用于管程管路的彻底关断和开启。每次试验前最先开启，试验结束后最后关闭。为管路的安全负责。

管程减压阀26位于管程电动截止阀25后，用于调节并稳定管程管路的进气压力。每次试验前手动将阀后的压力调节到需要的压力，试验过程中保持阀后的压力不变。

管程安全阀23位于管程减压阀26后，与管程减压阀26配合使用，在减压阀压力超调或失效的情况下，保障后续管路及设备的安全。

管程进气电磁阀22位于管程安全阀23后音速喷嘴C21之前，作为管程管路的进气开关用。试验过程中需要通气时打开，不需要通气时关闭。

管程放气电磁阀27位于管程减压阀26与管程进气电磁阀22之间，用于试验后管道的泄压。试验前关闭，试验结束后打开，放气后关闭。

音速喷嘴C21位于管程进气电磁阀22与管程进口12之间，靠音速喷嘴的喉道气流保持音速，限制进入管程进气管道的流量，并在喷嘴扩张段产激波，造成压力损失将试验件管程内的压力保持在设计值。

管程排气软管37位于管程出口11处，用于缓冲试验件管程排气管道受热后的热应力。

管程进气软管35位于管程进口12处，用于缓冲管程试验件进气管道受热后的热应力。

音速喷嘴D36位于试验件管程的排气管道后，与音速喷嘴C21配合使用。因为同一流路上的气体流量相同，同样靠音速喷嘴D36的喉道保持音速限制压力，使得加热器和试验件壳程保持需要的试验压力，并在喷嘴扩张段产激波，使得排气压力稍微高于大气压。

实施例2：

参见附图2，在实施例1的基础上，对试验台的布置做具体限定：

试验台设置在厂房内，厂房内修建有地坑，地坑周围有护栏；加热器39布置在地坑内部，加热器39安装在支腿上，支腿通过螺栓连接在地面上。试验件15设置在厂房内部的地面上。试验件15通过支架固定在地面上，支架底座带有滚轮，允许其有限的运动。管程和壳程两条气路管路以及水路管路大部分布置在地坑中。工质管路均通过支架支撑在地面上，用地脚螺栓连接固定。

加热器排气口8与加热器39同轴设置，且加热器排气口8位于加热器39的上端。排气管道的一端与加热器排气口8相连，另一端往上延伸后与试验件15的壳程进口连通。加热器进气管路的一端与加热器进气口38相连，另一端通过管路与音速喷嘴A34出口相连，音速喷嘴A34进口连通壳程进气管道。试验件15的壳程出口通过法兰与音速喷嘴B17进口相连，音速喷嘴B17出口通过管道与喷水段18进口连通，喷水段18出口通过管道与壳程软管20进口连通。喷水段18上通过法兰与喷水管道连通。壳程排气电动阀19出口通过管道引出厂房外。试验件15的管程进口通过法兰和管程进气软管35与音速喷嘴C21出口连通，音速喷嘴C21进口连通管程进气管道。试验件15的管程排气口11通过法兰和软管C37与音速喷嘴D36进口连通，音速喷嘴D36出口连通管程排气管道。由此形成试验件的进排气通路。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种双路开放式系统试验台，其特征在于：

高温换热器为试验件(15)，所述试验件(15)设置有四个气流接口，分别为：壳程进口(13)、壳程出口(14)、管程进口(12)以及管程出口(11)；所述壳程出口(14)通过壳程排气管路连通大气，在所述壳程排气管路上依次设置音速喷嘴B(17)、喷水段(18)、壳程排气电动阀(19)以及壳程软管(20)；所述管程进口(12)处设有管程进气软管(35)；所述管程进口(12)通过管程进气管路连接第一氮气源，在所述管程进气管路上依次设有管程手动截止阀(24)、管程电动截止阀(25)、管程减压阀(26)、管程安全阀(23)、管程放气电磁阀(27)、管程进气电磁阀(22)、音速喷嘴C(21)；所述管程出口(11)处设有管程排气软管(37)；所述管程出口(11)通过管程排气管路与大气连通，在所述管程排气管路上设有音速喷嘴D(36)；

加热器(39)的底部设有加热器进气口(38)，顶部设置加热器排气口(8)，所述加热器进气口(38)与所述加热器排气口(8)均与所述加热器(39)内部气流通道连通，所述加热器(39)还设有加热器进水口(6)、加热器回水口(7)；所述加热器进气口(38)通过加热器进气管路连接第二氮气源，在所述加热器进气管路上依次设有壳程手动截止阀(28)、壳程电动截止阀(29)、壳程定压阀(31)、壳程安全阀(32)、壳程电磁阀(33)、音速喷嘴A(34)，在所述壳程定压阀(31)上接有壳程减压阀(30)；所述加热器排气口(8)通过加热器排气管路与所述壳程进口(13)连通；所述加热器进水口(6)通过供水管路连接供水，在所述供水管路上依次设置水路手动截止阀A(1)、水路电动截止阀(2)、水路减压阀(3)、水路手动截止阀B(4)以及喷水接入点(5)；所述喷水接入点(5)通过喷水管路接入所述喷水段(18)，在所述喷水管路上设有喷水电磁阀(16)；所述加热器回水口(7)通过回水管路连接回水，在所述回水管路上设有回水电动截止阀(9)以及回水手动截止阀(10)。

2.如权利要求1所述的一种双路开放式系统试验台，其特征在于：所述加热器排气口(8)与所述加热器(39)同轴设置，且所述加热器排气口(8)位于所述加热器(39)的上端。

3.如权利要求1或2所述的一种双路开放式系统试验台，其特征在于：所述加热器(39)为电磁感应石墨蓄热式加热器。

4.如权利要求1或2所述的一种双路开放式系统试验台，其特征在于：所述加热器(39)通过支架安装在地坑内。

5.如权利要求4所述的一种双路开放式系统试验台，其特征在于：所述试验件(15)通过带滚轮的支架安装在地面上，能够进行有限位置的移动。

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