CN203719907U - 发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，包括发动机固定组件、电磁阀加热组件以及发动机加热组件，发动机加热组件包括加热单元以及发动机加热支撑组件，发动机加热支撑组件包括底部圆盘、多个支撑柱以及顶部圆盘，多个支撑柱设置在底、顶部圆盘之间，加热单元包括由多个圆周均匀分布的石英灯管组成的加热源、可控硅电压调整单元、高压电源、A相、B相、C相以及零线接线柱，加热源固定在底、顶部圆盘之间。本实用新型解决了现有的热流环境装置无法达到高热流密度、温度进行调节响应时间短的技术问题，实现发动机燃烧室及喷管区域内的350kW/m²均匀热流密度场加载。

Description

发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置

技术领域

本实用新型涉及航天发动机试验，具体地说涉及航天发动机点火工作过程的热环境模拟试验方法。

背景技术

随着航天姿控动力系统研制工作的深入开展，为研究发动机在高温、高热流作用下的工作特性，必须在发动机点火工作过程中，通过热环境装置实现高温、高热流环境的加载。

在发动机热环境模拟试验中，为模拟发动机真实飞行过程中的气动加热状态，需要在发动机水平、垂直状态下加载350kW/m²热流密度，而且需要在试验过程中对加热热流密度进行实时调节。

大量的热环境模拟试验，在发动机热环境模拟试验技术领域取得了一定成效，但热环境模拟试验主要应用于发动机不工作条件下的热环境加载，并且还存在以下缺陷：

1、现有的热流环境装置普遍采用的加热元件如镍铬丝、硅碳棒等正常工作温度下无法达到如此高的热流密度。

2、在加热控制设计中目前通常采用定功率加热，通过温度进行调节，这样的调节方式平衡时间太长，响应时间短，变化慢，容易产生过加热或欠加热状态，不能保证发动机所需的稳定热流密度场。

3、辐射热流密度高，发动机尺寸小，发动机工作过程中燃烧室产生的高温燃气也会产生相当大的辐射热流。热流密度过高，很容易使加热区域内的气体温度急剧升高，并向四周进行热量传递。对于防止热量传递影响发动机其它区域温度，通常采用的方式是进行绝热隔离与水冷防护。前者适用于高、低温下的热量隔绝，对绝热材料有一定的要求；后者由于水冷防护装置体积较大，对温度场的温度均匀性也有所影响，对于具有高温隔热、多区域温度场的小型发动机试验并不适用。

发明内容

为了解决现有的热流环境装置无法达到很高的热流密度、温度进行调节，平衡时间太长，响应时间短的技术问题，本实用新型提供一种发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置。

本实用新型的技术解决方案：

发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特殊之处在于：包括发动机固定组件、电磁阀加热组件、发动机加热组件、冷却组件以及导流组件，

所述发动机固定组件包括底座、一端固定在底座上的支撑杆、固定在支撑杆另一端的转接架安装法兰以及一端固定在转接架安装法兰上的转接架，所述转接架的另一端支撑于发动机上；

所述电磁阀加热组件包括一端固定在底座上的电磁阀加热组件安装架、保温筒、集气管、固定在电磁阀加热组件安装架另一端上的分隔板以及多个加热环管，所述集气管固定在电磁阀加热组件的安装架上，保温筒的一端固定在转接架安装法兰，保温筒的另一端固定在分隔板上，所述分隔板、转接架安装法兰以及保温筒围成电磁阀加热腔，所述多个加热环管围绕在发动机电磁阀外为且位于电磁阀加热腔内，所述集气管的出口均与多个加热环管连通，所述集气管的入口设置有冷热空气入口接头；

所述发动机加热组件包括固定在分隔板上的加热单元以及发动机加热支撑组件，所述发动机加热支撑组件包括固定在分隔板上的底部圆盘、多个支撑柱以及顶部圆盘，所述多个支撑柱设置在底部圆盘和顶部圆盘之间，所述加热单元包括由多个圆周均匀分布的石英灯管组成的加热源、可控硅电压调整单元、高压电源、A相接线柱、B相接线柱、C相接线柱以及零线接线柱，所述加热源中的多个石英灯管依次分成第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组，所述第一灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与A相接线柱连接，第二灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与B相接线柱连接，第三灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与C相接线柱连接，第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组中的所有石英灯管的负端供电线缆与零线接线柱连接，所述A相接线柱、B相接线柱以及C相接线柱均与可控硅调整单元连接，所述可控硅调整单元与高压电源连接，所述加热源固定在底部圆盘和顶部圆盘之间，

所述冷却组件设置在发动机加热组件的外侧，所述导流组件正对发动机出口。

上述石英灯管包括钨丝、石英玻璃管以及镀在石英玻璃管外侧的包反射层，所述钨丝位于石英玻璃管内，所述石英玻璃管充填有惰性气体。

还包括水冷夹套，所述水冷夹套固定在顶部圆盘上，所述水冷夹套位于发动机的出口处且正对导流组件。

上述冷却组件包括多个冷却环管、降温管以及冷却支架，所述冷却支架固定在分隔板上，所述降温管固定在分隔板上，所述多个冷却环管围绕发热源且固定在冷却支架上，所述降温管的入口端设置有冷气接头，所述降温管与多个冷却环管均连通，所述多个冷却环管的管壁上均设置有多个排气孔。

上述可控硅电压调整单元包括人机界面、可编程逻辑控制器、控制逻辑电路、三个脉冲触发电路、A相可控硅控制电路、B相可控硅控制电路、C相可控硅控制电路以及A相断路器、B相断路器、C相断路器、电压检测电路以及模拟量采集电路，

所述人机界面与可编程逻辑控制器相互通信，所述可编程逻辑控制器的输出端与控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端分为三路，其中一路为依次连接的脉冲触发电路、A相可控硅控制电路和A相断路器，第二路为依次连接的脉冲触发电路、B相可控硅控制电路和B相断路器，第三路为依次连接的脉冲触发电路、C相可控硅控制电路和C相断路器；

所述A相断路器的输出端与A相接线柱连接，所述B相断路器的输出端与B相接线柱连接，所述C相断路器的输出端与C相接线柱连接；

所述电压电流检测电路的输入端采集A相断路器、B相断路器、C相断路器输出电压信号，所述电压电流检测电路的输出端与模拟量采集电路的输入端连接，所述模拟量采集电路的输出端与可编程逻辑控制器连接。

上述导流组件包括导流管和导流筒固定支架，所述导流筒固定支架固定在冷却支架上，所述导流管包括依次连接的燃气收集段、燃气直流段、燃气导流段以及燃气出口段，所述燃气收集段为喇叭口形式，所述燃气导流段为弯头，所述燃气直流段和燃气出口段均为直线段，所述导流管固定在导流筒固定支架上，所述燃气收集段针对发动机出口。

还包括导流管冷却组件，所述导流管冷却组件为设置在导流管外的导流管水冷夹套，所述导流管水冷夹套和导流管外壁之间形成冷却水流道，所述水冷夹套上设置有入水口和出水口，所述冷却水流道内设置有多个夹套水流隔离层。

上述导流管的材料为：1Cr18Ni9Ti。

还包括发动机温度传感器，所述发动机温度传感器用于敏感发动机加热组件区域的温度。

上述分隔板为硅酸铝高温绝热隔板。

本实用新型所具有的优点：

1、本实用新型的安装架，可实现发动机、发动机热环境装置及发动机电磁阀区域加热装置水平、垂直状态安装。

2、本实用新型的发动机热环境装置（发动机加热组件）通过采用高强度石英玻璃管、灯管内充入惰性气体、灯丝内设计悬浮支架、灯外涂刷高温高反射率反射层等技术手段设计了新型石英灯管，实现了灯管可以在水平、垂直状态的应用；通过采用红外辐射石英灯，以发动机加热型面为原型设计圆筒式红外辐射灯阵，实现发动机燃烧室及喷管区域内的350kW/m²均匀热流密度场加载。

3、本实用新型通过应用可控硅调压技术，对石英灯两端电压进行实时调整以改变灯阵的辐射功率，完成对热流密度的精确控制。

4、本实用新型设计了专用燃气导流装置，可避免发动机喷出的火焰对加热装置产生破坏性影响，并在发动机垂直试验时，将将燃气导流成水平状态，导离试验间；

5、设计电磁阀区域加热装置，采用气动加热的方式，实现了电磁阀区域100℃温度控制；

6、采用绝热隔离及空气流动加热相结合的技术措施，保证两种不同的温度场互不影响。

附图说明

图1为可翻转式高热流辐射热环境装置的示意图；

图2为圆柱形石英灯阵的结构示意图；

图3为圆柱形石英灯阵的接线方式示意图；

图4为本实用新型可控硅电压调整单元的结构示意图；

图5为本实用新型导流组件的结构示意图；

图6为导流装置的截面图；

其中附图标记为：1-底座，2-电磁阀加热组件安装架，3-加热环管，4-转接架，5-导流筒固定架，6-冷却支架，7-降温管，8-支撑杆，9-转接架安装法兰，10-冷、热空气入口接头，11-保温筒，12-底部圆盘，13-冷却环管，14-顶部圆盘，15-冷气接头，16-支撑柱，17-水冷夹套，18-导流管，181-燃气收集段，182-燃气直流段，183-燃气导流段，184-燃气出口段，185-冷却夹套，186-入水口，187-出水口，188-夹套水流隔离层，189-温度传感器，1810-安装法兰，19-加热源，191-石英灯管，192-第一灯管组，193-第二灯管组，194-第三灯管组，195-A相接线柱，196-B相接线柱，197-C相接线柱，198-零线接线柱，20-发动机，21-分隔板，22-发动机电磁阀，23-集气管。

具体实施方式

如图1所示，发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，包括发动机固定组件、电磁阀加热组件、发动机加热组件、冷却组件以及导流组件，

发动机固定组件包括底座1、一端固定在底座上的支撑杆8、固定在支撑杆8另一端的转接架安装法兰9以及一端固定在转接架安装法兰9上的转接架4，转接架4的另一端支撑于发动机上；

电磁阀加热组件包括一端固定在底座1上的电磁阀加热组件安装架2、保温筒11、集气管23、固定在电磁阀加热组件安装架2另一端上的分隔板21以及多个加热环管3，集气管23固定在电磁阀加热组件的安装架上，保温筒的一端固定在转接架安装法兰9，保温筒11的另一端固定在分隔板21上，分隔板21、转接架安装法兰9以及保温筒11围成电磁阀加热腔，多个加热环管围绕在发动机电磁阀22外为且位于电磁阀加热腔内，集气管23的出口均与多个加热环管3连通，集气管23的入口设置有冷、热空气入口接头10；

还包括温度传感器，温度传感器用于敏感发动机加热组件区域的温度。

如图2、图3所示，发动机加热组件包括固定在分隔板上的加热单元以及发动机加热支撑组件，发动机加热支撑组件包括固定在分隔板21上的底部圆盘12、多个支撑柱16以及顶部圆盘13，多个支撑柱设置在底部圆盘和顶部圆盘之间且围绕圆盘圆周均布，加热单元包括由多个圆周均匀分布的石英灯管组成的加热源19、可控硅电压调整单元、高压电源、A相接线柱、B相接线柱、C相接线柱以及零线接线柱，加热源中的多个石英灯管191依次分成第一灯管组192、第二灯管组193以及第三灯管组194，第一灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与A相接线柱195连接，第二灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与B相接线柱196连接，第三灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与C相接线柱197连接，第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组中的所有石英灯管的负端供电线缆与零线接线柱198连接，A相接线柱、B相接线柱以及C相接线柱均与可控硅调整单元连接，可控硅调整单元与高压电源连接，加热源固定在底部圆盘和顶部圆盘之间，发动机的燃烧室及喷管穿过分隔板和底部圆盘位于加热源内。

冷却组件设置在发动机加热组件的外侧，导流组件正对发动机出口。

石英灯管的结构为：

石英灯管包括钨丝、石英玻璃管以及镀在石英玻璃管外侧的包反射层，所述钨丝位于石英玻璃管内，石英玻璃管充填有惰性气体。

还包括水冷夹套17，水冷夹套固定在顶部圆盘上，穿过顶部圆盘，水冷夹套一端与发动机出口处连接且位于加热源内，另一端穿过顶部圆盘朝向导流组件。

冷却组件包括多个冷却环管13、降温管7以及冷却支架6，冷却支架6固定在分隔板上，降温管固定在分隔板上，多个冷却环管13围绕发热源且固定在冷却支架上，降温管7的入口端设置有冷气接头15，降温管7与多个冷却环管13均连通，多个冷却环管的管壁上均设置有多个排气孔。

如图4所示，可控硅电压调整单元包括人机界面、可编程逻辑控制器、控制逻辑电路、三个脉冲触发电路、A相可控硅控制电路、B相可控硅控制电路、C相可控硅控制电路以及A相断路器、B相断路器、C相断路器、电压检测电路以及模拟量采集电路，

人机界面与可编程逻辑控制器相互通信，可编程逻辑控制器的输出端与控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端分为三路，其中一路为依次连接的脉冲触发电路、A相可控硅控制电路和A相断路器，第二路为依次连接的脉冲触发电路、B相可控硅控制电路和B相断路器，第三路为依次连接的脉冲触发电路、C相可控硅控制电路和C相断路器；A相断路器的输出端与A相接线柱连接，B相断路器的输出端与B相接线柱连接，C相断路器的输出端与C相接线柱连接；

电压电流检测电路的输入端采集A相断路器、B相断路器、C相断路器输出电压信号，电压电流检测电路的输出端与模拟量采集电路的输入端连接，模拟量采集电路的输出端与可编程逻辑控制器连接。

人机界面与可编程逻辑控制器相互通信，通过人机界面完成石英灯阵供电电压的调整及控制和石英灯阵供电电压的在线监测。可编程逻辑控制器集测量控制于一体，通过可控硅导通角调整，实现对石英灯阵供电电压的调整，再通过对石英灯阵供电电压的实时监测，可实现对石英灯阵供电电压的闭环调节。

可编程逻辑控制器与控制逻辑电路、脉冲触发电路、可控硅控制电路相连接完成对石英灯供电电压的调整及控制。所述电压检测电路与模拟量采集电路、可编程逻辑控制器相连接完成对石英灯阵供电电压监测。可编程逻辑控制器配置了三个电压调整控制通道，分别对石英灯阵的A、B、C三相供电电压进行调整，并配置了三路电压测量通道，分别对石英灯阵的A、B、C三相供电电压进行监测。

如图5、图6所示，导流组件包括导流管和导流筒固定支架，导流筒固定支架固定在冷却支架上，导流管包括依次连接的燃气收集段、燃气直流段、燃气导流段以及燃气出口段，燃气收集段为喇叭口形式，燃气导流段为弯头，燃气直流段和燃气出口段均为直线段，导流管固定在导流筒固定支架上，燃气收集段针对发动机出口。水冷夹套的入水口和出水口其对外接口形式符合QJ2889.5-97的37度焊接直通接头。夹套外壁焊接安装法兰1810，通过安装法兰1810将导流管固定在导流筒固定支架上。夹套上设有插入式温度传感器1809，用于监测冷却水温度。

还包括导流管冷却组件，导流管冷却组件为设置在导流管外的导流管水冷夹套，导流管水冷夹套和导流管外壁之间形成冷却水流道，水冷夹套上设置有入水口和出水口，冷却水流道内设置有多个夹套水流隔离层。一方面可以很好的将冷却夹套与导流管固定，另一方面可以将冷却水流道划分成多个流道。导流管的材料为：1Cr18Ni9Ti。

下面结合附图对本实用新型进行进一步说明：

发动机、电磁阀加热装置及燃气导流筒安装于可翻转式安装架内部。安装架可实现热环境试验过程中，发动机水平、垂直向上或垂直向下状态安装。

发动机燃烧室及喷管部位安装在红外辐射加热装置中，为加热装置通电，利用远程控制装置及可控硅调压装置对加热装置进行控制及调节，保证发动机点火工作过程中，加热热流密度在0～350kW/m²内可调。通过输送管路输送热空气及冷空气至电磁阀加热装置内，利用集气管及加热环管对发动机电磁阀区域进行温度调节，保证该区域内温度保持在100℃左右。上述两种不同温度场之间设置硅酸铝高温绝热隔板进行隔离。发动机喷管出口高温燃气依靠其自身的超高流速通过燃气导流筒改变流向后排入大气。

Claims (10)

1.发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：包括发动机固定组件、电磁阀加热组件、发动机加热组件、冷却组件以及导流组件，

所述发动机固定组件包括底座、一端固定在底座上的支撑杆、固定在支撑杆另一端的转接架安装法兰以及一端固定在转接架安装法兰上的转接架，所述转接架的另一端支撑于发动机上；

所述电磁阀加热组件包括一端固定在底座上的电磁阀加热组件安装架、保温筒、集气管、固定在电磁阀加热组件安装架另一端上的分隔板以及多个加热环管，所述集气管固定在电磁阀加热组件的安装架上，保温筒的一端固定在转接架安装法兰，保温筒的另一端固定在分隔板上，所述分隔板、转接架安装法兰以及保温筒围成电磁阀加热腔，所述多个加热环管围绕在发动机电磁阀外为且位于电磁阀加热腔内，所述集气管的出口均与多个加热环管连通，所述集气管的入口设置有冷热空气入口接头；

所述发动机加热组件包括固定在分隔板上的加热单元以及发动机加热支撑组件，所述发动机加热支撑组件包括固定在分隔板上的底部圆盘、多个支撑柱以及顶部圆盘，所述多个支撑柱设置在底部圆盘和顶部圆盘之间，所述加热单元包括由多个圆周均匀分布的石英灯管组成的加热源、可控硅电压调整单元、高压电源、A相接线柱、B相接线柱、C相接线柱以及零线接线柱，所述加热源中的多个石英灯管依次分成第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组，所述第一灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与A相接线柱连接，第二灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与B相接线柱连接，第三灯管组的所有石英灯管的正端供电线缆与C相接线柱连接，第一灯管组、第二灯管组以及第三灯管组中的所有石英灯管的负端供电线缆与零线接线柱连接，所述A相接线柱、B相接线柱以及C相接线柱均与可控硅调整单元连接，所述可控硅调整单元与高压电源连接，所述加热源固定在底部圆盘和顶部圆盘之间，

所述冷却组件设置在发动机加热组件的外侧，所述导流组件正对发动机出口。

2.根据权利要求1所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：所述石英灯管包括钨丝、石英玻璃管以及镀在石英玻璃管外侧的包反射层，所述钨丝位于石英玻璃管内，所述石英玻璃管充填有惰性气体。

3.根据权利要求1或2所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：还包括水冷夹套，所述水冷夹套固定在顶部圆盘上，所述水冷夹套位于发动机的出口处且正对导流组件。

4.根据权利要求3所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：所述冷却组件包括多个冷却环管、降温管以及冷却支架，所述冷却支架固定在分隔板上，所述降温管固定在分隔板上，所述多个冷却环管围绕发热源且固定在冷却支架上，所述降温管的入口端设置有冷气接头，所述降温管与多个冷却环管均连通，所述多个冷却环管的管壁上均设置有多个排气孔。

5.根据权利要求4所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：所述可控硅电压调整单元包括人机界面、可编程逻辑控制器、控制逻辑电路、三个脉冲触发电路、A相可控硅控制电路、B相可控硅控制电路、C相可控硅控制电路以及A相断路器、B相断路器、C相断路器、电压检测电路以及模拟量采集电路，

所述人机界面与可编程逻辑控制器相互通信，所述可编程逻辑控制器的输出端与控制逻辑电路的输入端连接，所述控制逻辑电路的输出端分为三路，其中一路为依次连接的脉冲触发电路、A相可控硅控制电路和A相断路器，第二路为依次连接的脉冲触发电路、B相可控硅控制电路和B相断路器，第三路为依次连接的脉冲触发电路、C相可控硅控制电路和C相断路器；

所述A相断路器的输出端与A相接线柱连接，所述B相断路器的输出端与B相接线柱连接，所述C相断路器的输出端与C相接线柱连接；

所述电压电流检测电路的输入端采集A相断路器、B相断路器、C相断路器输出电压信号，所述电压电流检测电路的输出端与模拟量采集电路的输入端连接，所述模拟量采集电路的输出端与可编程逻辑控制器连接。

6.根据权利要求5所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：所述导流组件包括导流管和导流筒固定支架，所述导流筒固定支架固定在冷却支架上，所述导流管包括依次连接的燃气收集段、燃气直流段、燃气导流段以及燃气出口段，所述燃气收集段为喇叭口形式，所述燃气导流段为弯头，所述燃气直流段和燃气出口段均为直线段，所述导流管固定在导流筒固定支架上，所述燃气收集段针对发动机出口。

7.根据权利要求6所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：还包括导流管冷却组件，所述导流管冷却组件为设置在导流管外的导流管水冷夹套，所述导流管水冷夹套和导流管外壁之间形成冷却水流道，所述水冷夹套上设置有入水口和出水口，所述冷却水流道内设置有多个夹套水流隔离层。

8.根据权利要求7所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：所述导流管的材料为：1Cr18Ni9Ti。

9.根据权利要求8所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：还包括发动机温度传感器，所述发动机温度传感器用于敏感发动机加热组件区域的温度。

10.根据权利要求9所述的发动机热环境试验用可翻转式高辐射热流环境装置，其特征在于：所述分隔板为硅酸铝高温绝热隔板。