CN112729852A - 三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置及试验方法，解决现有对三组元涡轮机动力燃烧分系统各组件的研究缺乏深入、系统性的试验验证，无法突破三组元推进剂的比例精确控制、可靠增压输送、安全可靠点火、稳定高效燃烧组织等技术难题，导致无法保证动力系统的高效能功转换和长时间安全可靠工作的问题。试验装置包括设置在试验台上用于对待测比例控制器、待测混流器、待测变量燃料泵、待测燃料剪切阀、待测燃烧室以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置进行联合试验的能源供应单元、变频驱动单元、冷却单元、润滑单元、负载单元、排气管路、废液存储单元、控制单元、以及测试单元。

Description

三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于涡轮机动力系统技术领域，具体涉及三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置及试验方法。

背景技术

随着水中航行器的需求以及科技的进步，其上的水中自发射装置战技性能正向高航速、远航程、低噪声、精确制导、智能化等方向发展。水中自发射装置的能源动力系统也由采用单组元燃料向能量密度更高的三组元推进剂发展。采用三组元推进剂的水中自发射装置涡轮机动力燃烧分系统包括比例控制器、变量燃料泵、燃料剪切阀、燃烧室、动力系统控制装置等多个组件，是动力系统的重要组成部分，其工作特性直接影响动力系统整体工作性能。

目前，国外对于三组元推进剂的涡轮机动力系统研究未见突破性发展，而中国对采用三组元推进剂的水中自发射装置涡轮机动力系统研究起步较晚且基础薄弱、技术积累差，对动力燃烧分系统中各组件的研究缺乏深入、系统性的试验验证，无法突破三组元推进剂的比例精确控制、可靠增压输送、安全可靠点火、稳定高效燃烧组织等技术难题，导致无法保证动力系统的高效能功转换和长时间安全可靠工作。

鉴于此，需通过试验手段对动力燃烧分系统中各组件进行性能测试，为水中自发射装置满足战技性能要求提供前提和基础。

发明内容

本发明的目的在于解决现有对三组元涡轮机动力燃烧分系统各组件的研究缺乏深入、系统性的试验验证，无法突破三组元推进剂的比例精确控制、可靠增压输送、安全可靠点火、稳定高效燃烧组织等技术难题，导致无法保证动力系统的高效能功转换和长时间安全可靠工作；而提供一种三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特殊之处在于，包括设置在试验台上用于对待测比例控制器、待测混流器、待测变量燃料泵、待测燃料剪切阀、待测燃烧室以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置进行联合试验的能源供应单元、变频驱动单元、冷却单元、润滑单元、负载单元、排气管路、废液存储单元、控制单元、以及测试单元；控制待测变量燃料泵流量的动力系统控制装置也属于被测件；

所述能源供应单元依次通过待测比例控制器、待测混流器为待测变量燃料泵供应三组元推进剂；

所述待测变量燃料泵通过待测燃料剪切阀与待测燃烧室的入口连接；

所述待测燃料剪切阀的入口还通过清洗管路与待测混流器的出口连接，待测燃料剪切阀的溢流口与废液存储单元连接；

所述变频驱动单元驱动待测变量燃料泵的主轴旋转，通过改变待测变量然燃料泵的转速，以改变输出流量，进而实现变工况工作；

所述待测燃烧室由试验台进行启动，启动的方式为药柱点火；

所述待测燃烧室的出口通过负载单元与排气管路连接；

所述负载单元用于模拟涡轮机动力系统发动机负载；

所述润滑单元用于给待测变量燃料泵以及变频驱动单元提供润滑；

所述冷却单元用于对联合试验装置中的各个单元进行冷却；

所述控制单元用于控制试验进程，监测试验状态并调节试验工况；

所述测试单元用于采集并处理被测件的试验参数。

进一步地，为了使联合试验符合环保要求，还包括废气中和液供应单元和废气冷却单元；

所述废气中和液供应单元用于中和待测燃烧室产生的废气，其中，中和液为质量浓度为20％的NaOH溶液；

所述废气冷却单元用于对待测燃烧室产生的废气进行冷却。

进一步地，所述能源供应单元存储三组元推进剂并采用氮气挤压罐内推进剂；

所述变频驱动单元包括变频电机和增速齿轮箱；

所述负载单元为当量喷喉，当量喷喉结构简单，便于加工和更换，通过使用不同规格的当量喷喉，可模拟发动机不同工况下负载；

所述冷却单元采用高压泵向待测燃烧室、试验台和排气管路供应符合流量要求的冷却水。

进一步地，为了延长试验装置的寿命，还包括清洗单元；

所述清洗单元与待测比例控制器的三个入口连接，用于对待测比例控制器、待测混流器以及待测燃料剪切阀的溢流管路进行试后清洗。

进一步地，所述废液存储单元包括第一废液罐和第二废液罐；所述待测燃料剪切阀的溢流口依次通过气控截止阀、三通以及手动截止阀与第一废液罐连接；所述待测燃料剪切阀的溢流口还通过试验台上的剪切销与第二废液罐连接；所述三通的第二出口依次通过手动截止阀、单向阀与第二废液罐连接。

进一步地，所述废气中和液供应单元连接在当量喷喉靠近出口的位置，连接管路上依次设置有气控截止阀、涡轮流量计、单向阀、截流孔板以及气控截止阀。

进一步地，所述测试单元采集并处理的试验参数包括流量、温度以及压力。

本发明还提供了采用上述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置进行试验的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)将待测比例控制器、待测混流器、待测变量燃烧泵、待测燃料剪切阀、待测燃烧室以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置按要求安装在试验台上；

2)控制单元对能源供应单元进行挤代压力和流量初始参数设置后，三组元推进剂经待测比例控制器、待测混流器后进入待测变量燃料泵；

3)控制单元启动变频驱动单元，驱动待测变量燃料泵工作，对三组元推进剂进行增压后经待测燃料剪切阀溢流口流入废液存储单元；对三组元推进剂进行增压是为了保证三组元推进剂在进入待测燃烧室之前充分混合，并保证按规定时刻进入待测燃烧室燃烧；

4)试验台向待测燃烧室的电爆管供电，启动电爆管，引燃启动药柱，实现待测燃烧室的启动；

5)电爆管动作规定时间后，由控制单元关闭待测燃料剪切阀溢流路的气控截止阀，待测燃料剪切阀内压力升高直至燃料剪切阀自身剪切销剪断，三组元推进剂供入待测燃烧室燃烧；

6)通过待测动力系统控制装置调节待测变量燃料泵配流盘相位角、通过控制单元调节变频驱动单元的转速，改变供入待测燃烧室的变量燃料泵输出流量，实现燃烧分系统变工况工作；

7)通过测试单元采集并处理被测件不同工况下的试验参数，对三组元涡轮机动力燃烧分系统的性能进行分析。

进一步地，所述测试单元采集并处理的试验参数包括流量、温度以及压力。

本发明的优点是：

1.本发明可为由比例控制器、变量燃料泵、燃料剪切阀、燃烧室、动力系统控制装置等组成的三组元鱼雷涡轮机动力燃烧分系统提供模拟工作条件，实现在陆地试验中模拟燃烧分系统启动、变工况、停车工作过程。适用于三组元水下自发射装置涡轮机动力燃烧分系统参数匹配、工作特性研究和性能评估。

2.本发明采用与三组元鱼雷涡轮机动力系统相同的药柱点火启动方式可真实模拟动力系统启动过程，通过调节驱动电机转速和变量燃料泵配流盘相位角实现系统变流量、变压力工作，可对采用三组元推进剂的水下自发射装置涡轮机动力燃烧分系统中各被测件进行全工况的分析研究，为设计人员提供强力有效的试验结论，便于进行对产品进行设计研发。

附图说明

图1为本发明三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置；

附图标号如下：

1-第一组元存储罐，2-第二组元存储罐，3-第三组元存储罐，4-清洗单元，5-待测动力系统控制装置，6-待测比例控制器，7-待测混流器，8-待测变量燃料泵，9-待测燃料剪切阀，10-待测燃烧室，11-当量喷喉，12-排气管路，13-第二废液罐，14-剪切销，15-第一废液罐，16-废气中和液供应单元，17-单向阀，18-涡轮流量计，19-气控溢流阀，20-气控截止阀，21-流量调节阀，22-手动截止阀，23-截流孔板，24-温度测点，25-压力测点，26-三通。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1所示，三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置包括设置在试验台上用于对待测比例控制器6、待测混流器7、待测变量燃料泵8、待测燃料剪切阀9、待测燃烧室10、以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置5进行联合试验的能源供应单元、变频驱动单元、冷却单元、负载单元、排气管路12、废液存储单元、控制单元、废气中和液供应单元16、废气冷却单元、清洗单元4、润滑单元以及测试单元。

由能源供应单元模拟产品供应三组元推进剂，由变频驱动单元驱动待测变量燃料泵8，由冷却单元对被测件相关部位进行冷却，由负载单元模拟发动机负载，本实施例中，负载单元为当量喷喉11，由电磁阀和气控阀对供应单元中各阀件进行控制，由废气中和液供应单元16中和废气中的酸性产物，由清洗单元4对连接管路及被测件进行试后冲洗；由控制单元对试验流程进行控制并采集存储处理流量、温度、压力等试验参数；且待测燃烧室10采用药柱点火启动方式模拟产品启动过程，通过调节驱动单元转速和待测变量燃料泵8配流盘相位角实现三组元涡轮机动力燃烧分系统变工况工作。

待测比例控制器6、待测混流器7、待测变量燃料泵8、待测燃料剪切阀9、待测燃烧室10以及待测动力系统控制装置5安装在试验台上。能源供应单元采用三个组元罐存储三组元推进剂并采用氮气挤压罐内推进剂，依次通过待测比例控制器6、待测混流器7为待测变量燃料泵8供应三组元推进剂；变频驱动单元包括变频电机和增速齿轮箱，按照实际产品工作条件输出设定转速驱动待测变量燃料泵8工作；润滑单元用于为待测变量燃料泵8和增速齿轮箱提供一定压力和流量的润滑油；冷却单元采用高压泵向待测燃烧室10、试验台和排气管路12供应符合流量要求的冷却水；废气中和液供应单元16使用中和液为质量浓度为20％的NaOH溶液中和废气中的酸性产物；废液存储单元用于存储试验前和试验过程中产生的废液，以及存储试后的清洗废液；清洗单元4在燃烧试验后提供一定压力和流量的清洗液，用于对待测比例控制器6、待测混流器7以及燃料剪切阀溢流管路进行试后清洗；废气冷却单元用于对试验产生的废气进行冷却经排气管路12排出；控制单元用于控制试验进程，监测试验状态并调节试验工况，紧急情况下具备停止试验和报警的功能；测试单元对试验参数进行记录并实时显示，试验后具备数据打印和处理功能，试验参数包括流量、温度以及压力。

其中，能源供应单元包括第一组元存储罐1、第二组元存储罐2和第三组元存储罐3；三个组元存储罐与待测比例控制器6连接的三个管路上均设置有气控截止阀20、涡轮流量计18、单向阀17和截流孔板23；且第三组元罐的气控截止阀20的前侧和后侧还分别设置有流量调节阀21和气控溢流阀19。清洗单元4通过管路连接在三个截流孔板23的前端，且主路上设置有气控截止阀20，支路上设置有单向阀17。待测比例控制器6的出口与待测混流器7的入口连接，待测混流器7的出口通过气控截止阀20将主路一分为二，一路为清洗管路，与待测燃料剪切阀9的入口连接，其上依次设置有单向阀17和手动截止阀22，另一路为燃料供应管路，与待测变量燃料泵8连接，其上设置有手动截止阀22，待测变量燃料泵8经待测燃料剪切阀9与待测燃烧室10的入口连通，待测燃烧室10的出口通过当量喷喉11与排气管路12连通；废气中和液单元连接在当量喷喉11靠近出口的位置，连接管路上依次设置有气控截止阀20、涡轮流量计18、单向阀17、截流孔板23以及气控截止阀20。待测燃料剪切阀9的溢流口与废液存储单元连通；其中，废液存储单元包括第一废液罐15和第二废液罐13；待测燃料剪切阀9的溢流口依次通过气控截止阀20、三通26以及手动截止阀22与第一废液罐15连接；待测燃料剪切阀9的溢流口还通过试验台上的剪切销14与第二废液罐13连接，三通26的第二出口依次通过手动截止阀22、单向阀17与第二废液罐13连接。

在开始试验前，打开第一废液罐15管路上的气控截止阀20以及第一废液罐15第二废液罐13连通管路上的手动截止阀22，关闭第一废液罐15管路上的手动截止阀22，对三组元推进剂进行增压，使三组元推进剂经待测比例控制器6、待测混流器7、待测变量燃料泵8以及待测燃料剪切阀9，通过溢流口流入第二废液罐13，待三组元推进剂混合均匀；准备试验，此时关闭第一废液罐15管路上的气控截止阀20，待测燃料剪切阀9内压力逐渐升高直至燃料剪切阀自身剪切销剪断，三组元推进剂供入待测燃烧室10燃烧；而试验台上的剪切销14的作用类似于安全阀，当待测燃料泵后的压力超过某一设定值，达到剪切销14的剪断压力时，剪切销14剪断，导通到第二废液罐13的旁路，燃料流入第二废液罐13，对泵后进行泄压以防止压力过高损坏被测产品和试验设备；此时第二废液罐13内的液体均为燃料，可进行回收利用。试验结束后，需对待测比例控制器6、待测混流器7以及待测燃料剪切阀9的溢流管路进行试后清洗，此时，关闭待测燃料泵前的手动截止阀22，打开第一废液罐15管路上的手控截止阀、气控截止阀20，关闭试验台剪切销14以及第一废液罐15和第二废液罐13连通管路上的手控截止阀，清洗液依次清洗待测比例控制器6、待测混流器7、待测燃料剪切阀9后流入第一废液罐15中。

采用上述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

1)将待测比例控制器、待测混流器、待测变量燃烧泵、待测燃料剪切阀、待测燃烧室以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置按要求安装在试验台上；

2)控制单元对能源供应单元进行挤代压力和流量初始参数设置后，三组元推进剂经待测比例控制器、待测混流器后进入待测变量燃料泵；

3)控制单元启动变频驱动单元，驱动待测变量燃料泵工作，对三组元推进剂进行增压后经待测燃料剪切阀溢流口流入废液存储单元；对三组元推进剂进行增压是为了保证三组元推进剂在进入待测燃烧室之前充分混合，并保证按规定时刻进入待测燃烧室燃烧；

4)试验台向待测燃烧室的电爆管供电，启动电爆管，引燃启动药柱，实现待测燃烧室的启动；

5)电爆管动作规定时间后，由控制单元关闭待测燃料剪切阀溢流路的气控截止阀，待测燃料剪切阀内压力升高直至燃料剪切阀自身剪切销剪断，三组元推进剂供入待测燃烧室燃烧；

6)通过待测动力系统控制装置调节待测变量燃料泵配流盘相位角、通过控制单元调节变频驱动单元的转速，改变供入待测燃烧室的变量燃料泵输出流量，实现燃烧分系统变工况工作；

7)通过测试单元采集并处理被测件不同工况下的试验参数(流量、温度测点的温度以及压力测点的压力)，对三组元涡轮机动力燃烧分系统的性能进行分析。

通过测量待测比例控制器3路组元流量、3路入口压力和出口压力，可对不同流量和入口压力下比例控制器的比例分配性能进行分析和评估。

通过测量待测变量燃料泵泵后压力和待测燃料剪切阀后压力，可对待测燃料剪切阀开启压力、工作性能进行分析和评估。

通过测量不同工况下驱动电机转速、3路组元流量、待测变量燃料泵泵后压力，可对待测变量燃料泵增压和变流量调节性能进行分析和评估。

通过测量不同工况下待测燃烧室内燃烧温度、燃烧压力，可对燃烧组织性能进行分析和评估；同时可验证被测比例控制器和混流器工作性能。

通过测量不同工况下待测变量燃料泵流量，可分析和评估待测动力系统控制装置对待测变量燃料泵输出流量的调控性能。

因此，可通过该动力燃烧分系统联合试验装置，对各组件进行更加深入、系统性的试验验证，对三组元推进剂进行精确的比例控制、可靠增压输送，安全可靠点火，稳定高效燃烧，为动力系统的高效能功转换和长时间安全可靠工作提供研发基础。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：包括设置在试验台上用于对待测比例控制器(6)、待测混流器(7)、待测变量燃料泵(8)、待测燃料剪切阀(9)、待测燃烧室(10)以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置(5)进行联合试验的能源供应单元、变频驱动单元、冷却单元、润滑单元、负载单元、排气管路(12)、废液存储单元、控制单元、以及测试单元；

所述能源供应单元依次通过待测比例控制器(6)、待测混流器(7)为待测变量燃料泵(8)供应三组元推进剂；

所述待测变量燃料泵(8)通过待测燃料剪切阀(9)与待测燃烧室(10)的入口连接；

所述待测燃料剪切阀(9)的入口还通过清洗管路与待测混流器(7)的出口连接，待测燃料剪切阀(9)的溢流口与废液存储单元连接；

所述变频驱动单元驱动待测变量燃料泵(8)的主轴旋转；

所述待测燃烧室(10)由试验台进行启动，启动的方式为药柱点火；

所述待测燃烧室(10)的出口通过负载单元与排气管路(12)连接；

所述负载单元用于模拟涡轮机动力系统发动机负载；

所述润滑单元用于给待测变量燃料泵(8)以及变频驱动单元提供润滑；

所述冷却单元用于对联合试验装置中的各个单元进行冷却；

所述控制单元用于控制试验进程，监测试验状态并调节试验工况；

所述测试单元用于采集并处理被测件的试验参数。

2.根据权利要求1所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：还包括废气中和液供应单元(16)和废气冷却单元；

所述废气中和液供应单元(16)用于中和待测燃烧室(10)产生的废气，其中，中和液为质量浓度为20％的NaOH溶液；

所述废气冷却单元用于对待测燃烧室(10)产生的废气进行冷却。

3.根据权利要求2所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：

所述能源供应单元存储三组元推进剂并采用氮气挤压罐内燃料；

所述变频驱动单元包括变频电机和增速齿轮箱；

所述负载单元为当量喷喉(11)；

所述冷却单元采用高压泵向待测燃烧室(10)、试验台和排气管路(12)供应符合流量要求的冷却水。

4.根据权利要求3所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：

还包括清洗单元(4)；

所述清洗单元(4)与待测比例控制器(6)的三个入口连接，用于对待测比例控制器(6)、待测混流器(7)以及待测燃料剪切阀(9)的溢流管路进行试后清洗。

5.根据权利要求4所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：

所述废液存储单元包括第一废液罐(15)和第二废液罐(13)；

所述待测燃料剪切阀(9)的溢流口依次通过气控截止阀(20)、三通(26)以及手动截止阀(22)与第一废液罐(15)连接；

所述待测燃料剪切阀(9)的溢流口还通过试验台上的剪切销(14)与第二废液罐(13)连接；

所述三通(26)的第二出口依次通过手动截止阀(22)、单向阀(17)与第二废液罐(13)连接。

6.根据权利要求5所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：

所述废气中和液供应单元(16)连接在当量喷喉(11)靠近出口的位置，连接管路上依次设置有气控截止阀(20)、涡轮流量计(18)、单向阀(17)、截流孔板(23)以及气控截止阀(20)。

7.根据权利要求6所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置，其特征在于：

所述测试单元采集并处理的试验参数包括流量、温度以及压力。

8.采用权利要求1所述三组元涡轮机动力燃烧分系统联合试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待测比例控制器、待测混流器、待测变量燃烧泵、待测燃料剪切阀、待测燃烧室以及控制变量燃料泵流量的待测动力系统控制装置按要求安装在试验台上；

2)控制单元对能源供应单元进行挤代压力和流量初始参数设置后，三组元推进剂经待测比例控制器、待测混流器后进入待测变量燃料泵；

3)控制单元启动变频驱动单元，驱动待测变量燃料泵工作，对三组元推进剂进行增压后经待测燃料剪切阀溢流口流入废液存储单元；

4)试验台向待测燃烧室的电爆管供电，启动电爆管，引燃启动药柱，实现待测燃烧室的启动；

5)电爆管动作规定时间后，由控制单元关闭待测燃料剪切阀溢流路的气控截止阀，待测燃料剪切阀内压力升高直至燃料剪切阀自身剪切销剪断，三组元推进剂供入待测燃烧室燃烧；

6)通过待测动力系统控制装置调节待测变量燃料泵配流盘相位角、通过控制单元调节变频驱动单元的转速，改变供入待测燃烧室的变量燃料泵输出流量，实现燃烧分系统变工况工作；

7)通过测试单元采集并处理被测件不同工况下的试验参数，对三组元涡轮机动力燃烧分系统的性能进行分析。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于：

所述测试单元采集并处理的试验参数包括流量、温度以及压力。

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