CN113899552A - 一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，解决现有供应系统的可靠和同步性较差，仅能实现单一作动过程的问题。该系统包括高压气源、阀前管路、第一高压手阀、一次电磁阀、第二高压手阀、二次电磁阀及两个阀后管路；阀前管路包括一个进口和两个出口，阀前管路进口与高压气源相连通，其中一个出口通过第一高压手阀与一次电磁阀进口相连通，一次电磁阀出口与其中一个阀后管路进口相连通；阀前管路另一个出口通过第二高压手阀与二次电磁阀进口相连通，二次电磁阀出口与另一个阀后管路进口相连通；一次电磁阀和二次电磁阀上均包覆有热防护结构，热防护结构包括由内向外依次交替叠层的气溶胶层和锡箔纸层，且气溶胶层和锡箔纸层均至少为3层。

Description

一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统

技术领域

本发明涉及一种作动气供应系统，具体涉及一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统。

背景技术

亚燃冲压发动机研制试验任务需要进行动力系统匹配性试验，以考核动力系统与总体的匹配协调性，确定发动机性能是否满足总体要求。针对动力匹配试验任务要求，发动机喷管作动系统的设计是发动机动力匹配试验中重要的工艺过程。发动机根据设计的预定工况，试验过程中需要在预定时刻完成一次收缩和一次扩张的作动过程，以实现尾喷管喉道面积的变化，进而实现发动机工作轨道的变化。

在亚燃冲压发动机试验过程中，发动机的喷管需按照预定时序作动，则供应系统需保证作动过程可靠和作动过程的同时性。但现有供应系统的可靠和同步性较差，不适用于亚燃冲压发动机的试验环境；以及仅能实现单一的作动过程，无法实现一次收缩和一次扩张的作动过程。

发明内容

为了解决现有供应系统的可靠和同步性较差，不适用于亚燃冲压发动机的试验环境，以及仅能实现单一的作动过程，无法实现一次收缩和一次扩张作动过程的技术问题，本发明提供了一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特殊之处在于：包括高压气源、阀前管路、第一高压手阀、一次电磁阀、第二高压手阀、二次电磁阀以及两个阀后管路；

所述阀前管路包括一个进口和两个出口，阀前管路的进口与高压气源相连通，其中一个出口通过第一高压手阀与一次电磁阀进口相连通，一次电磁阀的出口与其中一个阀后管路的进口相连通；

所述阀前管路的另一个出口通过第二高压手阀与二次电磁阀进口相连通，二次电磁阀出口与另一个阀后管路的进口相连通；

两个阀后管路的出口均用于与亚燃冲压发动机的喷管结构入口相连通；

所述阀前管路的材质为不锈钢材或高温合金钢，阀前管路的热膨胀量小于10mm/m；

所述阀后管路的材质为不锈钢材或高温合金钢，阀后管路的长度小于186.6mm；

所述一次电磁阀和二次电磁阀上均包覆有热防护结构，热防护结构包括由内向外依次交替叠层的气溶胶层和锡箔纸层，且气溶胶层和锡箔纸层均至少为3层。

进一步地，所述阀前管路的材质为0Cr18Ni9，规格为Φ26mm×3mm，长度为500mm；

所述阀后管路的材质为0Cr18Ni9,规格为Φ16mm×3mm，长度为180mm。

进一步地，所述高压气源采用16m³、35MPa高压气瓶；

所述气溶胶层和锡箔纸层均为5层。

进一步地，所述阀前管路的进口侧设有过滤器，优选过滤器规格为DN20PN350,5um。

进一步地，所述第一高压手阀和一次电磁阀之间的阀前管路上、第二高压手阀和二次电磁阀之间的阀前管路上均设有压力传感器。

进一步地，所述两个阀后管路上均设有压力传感器；

所述第一高压手阀进口侧和第二高压手阀进口侧的阀前管路上均设有压力传感器。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明供应系统阀后管路采用厚壁高强度管路实现自身与发动机刚性固定，确保发动机工作过程中管路振幅不超1mm；阀前管路采用管路柔性设计保证管路热膨胀余量，确保在1000K左右，整个管路补偿量达到2mm/m，保证压力供应稳定。

2、本发明采用多层气溶胶、锡箔纸交替匹配的热防护方法，在高温(900K)辐射环境下满足长程试车热防护要求。

3、本发明高压气源为高压气瓶，采用高压、大容积、直连供应，保证高压作动气供应稳定。

4、本发明供应系统结构简单、工艺可靠性高。

附图说明

图1是本发明亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统的原理图；

图2是本发明亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统的布置图；

图3是本发明亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统中热防护结构的结构示意图(仅示出2层气溶胶层和锡箔纸层)；

其中，附图标记如下：

1-高压气源，2-阀前管路，3-过滤器，4-第一高压手阀，5-热防护结构，51-气溶胶层，52-锡箔纸层，6-一次电磁阀，7-阀后管路，8-喷管结构，9-压力传感器，10-二次电磁阀，11-第二高压手阀。

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详细描述。

由于亚燃冲压发动机试验过程中温度高、振动高、试验时间长，为保证作动气供应按预定时序供应，本发明作动气供应系统考虑如下因素：亚燃冲压发动机后端喷管处的燃气温度高，则供应系统需要较高的热防护要求。在发动机试验时，整个试验台和发动机会产生明显的振动，则供应系统需要具有一定的刚性。发动机喷管作动时间需要严格控制，并要求作动气充填时间短，因此阀后的管路长度受到限制。发动机作动过程要求供气压力高，且保证压力供应稳定，则供应系统需要具有一定稳定性。

如图1所示，本发明亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，包括高压气源1、阀前管路2、第一高压手阀4、一次电磁阀6、第二高压手阀11、二次电磁阀10以及两个阀后管路7；阀前管路2包括一个进口和两个出口，阀前管路2的进口与高压气源1相连通，其中一个出口通过第一高压手阀4与一次电磁阀6进口相连通，一次电磁阀6的出口与其中一个阀后管路7的进口相连通；阀前管路2的另一个出口通过第二高压手阀11与二次电磁阀10进口相连通，二次电磁阀10出口与另一个阀后管路7的进口相连通；两个阀后管路7的出口均用于与亚燃冲压发动机的喷管结构8入口相连通；阀后管路7采用厚壁高强度管路；一次电磁阀6和二次电磁阀10上均包覆有热防护结构5。

针对亚燃冲压发动机长程试验中出现强振、热膨胀现象，为满足高压和阀后管路短距离苛刻条件的供气要求，在试验过程中发动机的喷管按照预定时序作动，本发明通过高压气源1直接供应，高压气源1具有大容积且高压，即采用高压、大容积、直连供应保证高压作动气供应稳定；按照时序依次打开一次电磁阀6和二次电磁阀10，实现喷管作动；在试验过程中，由于喷管处的温度高，真空条件下，一次电磁阀6和二次电磁阀10散热特性明显下降，因此本发明在一次电磁阀6和二次电磁阀10上包覆有热防护结构5，保证喷管作动过程的可靠性和同时性。一次电磁阀6和二次电磁阀10后端的阀后管路7采用厚壁高强度管路,实现自身与发动机刚性固定，阀前管路2采用管路柔性设计,保证管路热膨胀余量,2mm/m。

本实施例供应系统在阀前管路2的进口侧设有过滤器3，用于去除多余杂物，过滤器3规格为DN20 PN350,5um。

为了提高作动气的气供应稳定，本实施例高压气源1采用16m³、35MPa高压气瓶直接供应。16m³、35MPa高压气瓶的氮气通过阀前管路2直接供应试验舱内亚燃冲压发动机喷管附近；氮气经过滤器3去除多余杂物后，分为两路后分别经过第一高压手阀4和第二高压手阀11，在一次电磁阀6前设有第一高压手阀4、在二次电磁阀10前设置第二高压手阀11，用于供气系统阀前隔离；并在一次电磁阀6和二次电磁阀10的前后均设置压力传感器9，即第一高压手阀4和一次电磁阀6之间的阀前管路2上、第二高压手阀11和二次电磁阀10之间的阀前管路2上均设有压力传感器9，以及两个阀后管路7上均设有压力传感器9，用于监测供应系统的压力变化，评估喷管作动情况。为了进一步精确监测供应系统的压力，第一高压手阀4进口侧和第二高压手阀11进口侧的阀前管路2上也均设有压力传感器9。

本实施例阀后管路7采用厚壁管路的强度实现自身与发动机刚性固定，可以有效解决发动机高强度振动时的管路和电磁阀固定问题，因此本实施例将阀后管路7设计为规格为Φ16mm×3mm，材质为0Cr18Ni9，阀后管路7的长度L为180mm。主要根据电磁阀打开后，气体进入到喷管容腔内的充填压力达到50％，且时间不能超过0.2s，同时根据高压气体进入喷管路的容腔管路的压力损失不超过0.2Mpa两个因素综合决定。针对阀后管路7壁厚为3mm，主要是考虑到气体的压力和阀后管路悬臂长度为180mm时,能够保证发动机在工作时振幅不超过0.1mm。

根据材料力学中的最大挠度，阀后管路7属于单独悬梁结构，其挠度计算公式如下：

W＝-(F L^3)/3EI

式中：F—电磁阀重力，N；

L—管道悬臂长度，mm；

E—弹性模量，GPa；

I—管道惯性矩,mm⁴；

W—管道变形量，mm；

通过挠度公式可以计算出，在受到电磁阀重力影响和管道变形量要求下，阀后管路的允许悬臂长度。

本实施例已知w＝0.1mm；F＝50N；E＝200GPa；I＝5449.5mm⁴，则可以计算出：

L＝186.6mm；

从中可以看出，本实施例阀后管路7设计悬臂长度为180mm满足挠度要求。

由于试车过程中亚燃冲压发动机相对于试验台会发生轴向位移，在设计电磁阀前端的阀前管路2时，本实施例考虑了管路随发动机轴向移动的距离和轴向自由度，因此将阀前管路2设计为规格为Φ26mm×3mm，材质为0Cr18Ni9，该阀前管路2采用柔性设计，保证管路最大膨胀量为10mm/m。

根据材料力学中，管道受到温度的影响后，出现热胀冷缩现象。根据下式可计算出管道膨胀量

△l＝L×a×△T

式中：△l—管道膨胀量mm/m；

△T—试验前后管道的温差，K；

a—管道受温度后的膨胀量，K^-1，取值为1.25×10^-6；

假设环境温度为300K；已知试验时温度为900K，L＝1m，则计算出，

△l＝7.5mm/m＜10mm/m

通过计算看出，发动机在工作过程中管道的膨胀量为7.5mm/m，因此本实施例所设计的阀前管路2补偿量能够满足发动机工作时的热膨胀量。

本实施例喷管作动气供应系统的接口在喷管末端，也是整个亚燃冲压发动机温度最高之处。同时满足高压和阀后管路＜200mm的供气要求，因此，一次电磁阀6和二次电磁阀10必须长时间处于高温(900K)辐射环境下，并且还要在1400s时能够稳定工作。针对高温、真空、辐射的试验环境，对电磁阀整体的热防护是电磁阀能否在规定时刻稳定工作的必要保证。采用传统的热防护材料(石棉布)无法满足条件。因此本发明热防护结构5采用多层气溶胶、锡箔纸交替匹配，具体结构为包括由内向外依次交替叠层的气溶胶层51和锡箔纸层52，且气溶胶层51和锡箔纸层52均至少为3层，本实施例采用气溶胶层51和锡箔纸层52均为5层。热防护结构5制作的具体方法如下：如图3所示，采用气溶胶对阀体(一次电磁阀6和二次电磁阀10)进行包覆后形成气溶胶层51，再用锡箔纸材料进行包覆并进行捆扎形成锡箔纸层52，如此往复各5层进行交替包覆，完成一次电磁阀6和二次电磁阀10上包覆热防护结构5。

本实施例喷管作动气供应系统在真空环境下的传热分析如下：

(1)热环境下对表面的气溶胶和锡箔纸直接有对流换热过程；

(2)热环境对管路系统有强烈的热辐射；

(3)包覆层内锡箔纸和气溶胶之间产生热传导；

(4)最后锡箔纸与管路系统壁面产生热传导。

在整个试验过程中，锡箔纸不断反射热辐射带来的热量，产生一定的热阻；同时气溶胶具有低传热系数，因此可以降低传热效率，产生明显的热阻。因此，通过气溶胶和锡箔纸交替包覆后，可以实现高温、高辐射的绝热过程。

本实施例喷管作动气供应系统在在试验舱内的布置图，如图2所示，其中，高压气瓶部分设置在气源场地。该供应系统的具体工作过程如下：

作动氮气存储在高压气瓶内，经过过滤器3后，一分为二分别经第一高压手阀4、第二高压手阀11(工作时在电磁阀打开之前，两个手阀均处于打开状态)进入各分支的一次电磁阀6和二次电磁阀10，当一次电磁阀6按照预定时序打开后，氮气体通入到发动机的喷管结构8内，完成第一次作动，然后关闭一次电磁阀6。试验进行到规定时刻后，二次电磁阀10按照预定时序打开，氮气体通入到发动机的喷管结构8，完成第二次作动，然后关闭二次电磁阀10。

在高温(900K)辐射环境下，本实施例采用热防护结构5对阀体(一次电磁阀6和二次电磁阀10)进行了热辐射和高温的热防护，完成了长程试车热防护考核，在预定时序中保证了一次电磁阀6和二次电磁阀10在预定时序中动作正常；以及阀体(一次电磁阀6和二次电磁阀10)后端自身刚性固定、阀体(一次电磁阀6和二次电磁阀10)前端柔性供应技术，应用于亚燃冲压发动机长程试车，克服高温、振动、热膨胀等复杂环境，满足高压和电磁阀后管道＜200mm的供气要求，同时保证在试车1400s后能够实现二次作动气按照时序稳定供应的要求。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：包括高压气源(1)、阀前管路(2)、第一高压手阀(4)、一次电磁阀(6)、第二高压手阀(11)、二次电磁阀(10)以及两个阀后管路(7)；

所述阀前管路(2)包括一个进口和两个出口，阀前管路(2)的进口与高压气源(1)相连通，其中一个出口通过第一高压手阀(4)与一次电磁阀(6)进口相连通，一次电磁阀(6)的出口与其中一个阀后管路(7)的进口相连通；

所述阀前管路(2)的另一个出口通过第二高压手阀(11)与二次电磁阀(10)进口相连通，二次电磁阀(10)出口与另一个阀后管路(7)的进口相连通；

两个阀后管路(7)的出口均用于与亚燃冲压发动机的喷管结构(8)入口相连通；

所述阀前管路(2)的材质为不锈钢材或高温合金钢；

所述阀后管路(7)的材质为不锈钢材或高温合金钢；

所述一次电磁阀(6)和二次电磁阀(10)上均包覆有热防护结构(5)，热防护结构(5)包括由内向外依次交替叠层的气溶胶层(51)和锡箔纸层(52)，且气溶胶层(51)和锡箔纸层(52)均至少为3层。

2.根据权利要求1所述亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：所述阀前管路(2)的材质为0Cr18Ni9，规格为Φ26mm×3mm，长度为500mm；

所述阀后管路(7)的材质为0Cr18Ni9,规格为Φ16mm×3mm，长度为180mm。

3.根据权利要求2所述亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：所述高压气源(1)采用16m³、35MPa高压气瓶；

所述气溶胶层(51)和锡箔纸层(52)均为5层。

4.根据权利要求1至3任一所述亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：所述阀前管路(2)的进口侧设有过滤器(3)。

5.根据权利要求4所述亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：所述第一高压手阀(4)和一次电磁阀(6)之间的阀前管路(2)上、第二高压手阀(11)和二次电磁阀(10)之间的阀前管路(2)上均设有压力传感器(9)。

6.根据权利要求5所述亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：所述两个阀后管路(7)上均设有压力传感器(9)；

所述第一高压手阀(4)进口侧和第二高压手阀(11)进口侧的阀前管路(2)上均设有压力传感器(9)。

7.根据权利要求6所述亚燃冲压发动机喷管作动气供应系统，其特征在于：所述过滤器(3)规格为DN20 PN350,5um。

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