液氧/煤油发动机换热器试车台配气系统设计

 在液氧/煤油发动机研制过程中，为了模拟发动机实际工作时的状态，需要增加换热器(含氦气加热器、液氧蒸发器，以下简称两器)系统来满足给液氧、煤油系统增压的需求。为了验证两器系统工作的可靠性，必须建立一套与两器系统配套的配气、节流，流量测量装置。为此需要设计研制一套两器配气系统来与发动机两器系统相配套。由于系统对气体的流量、压力都有一定的要求，如果满足不了，就会造成两器系统试验的失败，另外，气流属于超音速流动，计算设计方面比较复杂，因此，给两器配气系统的设计研制增加了难度。

    2.设计技术要求

    根据液氧/煤油发动机两器系统试验任务书的要求，研制的两器配气系统的主要性能应满足以下要求:

    (1)氦气加热器进口内径巾16mln ，出口巾22m ，出口温度516K;

    (2) 液氧蒸发器出口内径巾5mm，带肩圈法兰。

    (3) 液氧蒸发器出口温度341.2K，流量1.sk沙。

    (4) 氮气流量0.2土0.02k沙;

    (5) 氦加热器进口压力1.25劲.IMPa，出口压力0.8印.IMPa;

    (6) 液氧蒸发器出口压力0.8士0.IMPa;

    (7) 系统不影响发动机推力测量;

    (8) 系统可靠性高，振动小。

    3.关键技术和解决问题的过程及所采取的措施

    3.1总体结构设计

    总体采用试车台抽真空路气源给加热器系统供气，经过第一道节流孔板节流，调整流量在0.2k沙，孔板前加装温度、压力测点以及流量计。在第一道孔板后，通过电磁阀控制气路的通断。然后气流经过加热器，经加热器加热后采用孔板节流，将出口的压力控制在0名MPa左右，保证出口压力。蒸发器路采用孔板直接节流，保证出口压力，并在孔板前加装温度、压力测点，利用孔板前后压差计算出氧气流量。其原理图见图1。

　　　　　　　　 

    3.2 氦气加热器氮气流量计算

    加热器换热工质采用氮气。假设氮气在节流孔板中的流动是一维定常流，当孔板后的压力与孔板前压力之比小于0.528 时，产生一个临界截面，截面上气流流速为声速。此时有流量计算公式:

                

    3.3氦气加热器出口孔板计算

    氦气加热器出口要保证0.8士0.IMPa的压力，孔板出口是大气压，因此也应该是音速孔板。按公式(1) 一(3)计算得到氦气加热器出口孔板直径D厂13.smm。

    由于加热器出口温度高达243℃，孔板出口须引离发动机排放，离加热器出口有一定的距离，因此无法真正做到保证加热器出口压力。

    3.4 液氧蒸发器出口孔板计算

    液氧蒸发器出口压力要求为0.8士0.IMPa，出口温度为341.ZK，出口内径为巾5mm。考虑用DN50mm的不锈钢管引出大门。因此孔板后反压为大气压，满足音速孔板的条件。由于要保证压力，计算孔板的内径采用同加热器一样的方法，并且采用孔板节流，利用压力计算流量。氧气 的 k=l.40，R二260.0J/(k岁K) 时，流量为1.sk留5，代人公式(1)一(3)，计算得到液氧蒸发器出口孔板直径D二31.6mm。

    4.换热器配气系统调试

    4.1氦气加热器配气系统调试

    氦气加热器系统调试原理见图2。

                  

    调试方法：使用Φ25涡轮流量计测量流量，其测量范围为2.2一11.1L/S。氮气由配气间提供的工艺气，压力调整范围在1一8MPa 之间。经讨论后决定压力调整到5.3MPa，此时计算氮气的密度。

                  

    12.3348，0.894，0.(X)413为有量纲的拟合公式系数。

    公式适用范围:氮气温度为一10℃一26℃;氮气压力4.0一6.OMPa。

    氮气流量按下式计算:

                 

    调试第一道孔板时，采用流量计测量流量，调整减压器的出口压力，当压力到5.3MPa时，分别用直径Φ4mm、Φ5mm、Φ6mm的孔板进行节流，根据流量计测得的流量选取合适的孔板。经调试，Φ5孔板所得数据满足流量为0.2k沙的要求因此采用Φ5mm的孔板作为第一道节流孔板，减压器出口压力调整到53MPa。调试第二道孔板在第一道已经确定的情况下，采用必13、少14、少巧孔板进行调试。由公 式 (1)、(2)、(3)可以导出调试状态下和试车状态下氮气的温度和压力之间的关系式:

                

    计算得到当温度为293K时，氮气的压力应该为p1=0.603MPa左右，经过调试，得到结果与Φ14孔板较为接近，调试结果见表1。

                 

    经过调试决定加热器进口采用直径为Φ5mm的孔板，加热器出口采用直径为Φ14的孔板。

    4.2液氧蒸发器出口孔板调试

    由于条件所限，无法用氧气来调试，采用常温氮气来代替氧气进行试验，又由于流量只能用Φ25流量计进行测量，受流量计量程所限，最大只能测得0.5k以5左右的氮气流量，所以需要进行模拟计算才能进行调试。液氧蒸发器原理如图3所示。

               

               

    经过调试得到的数据中，Φ34孔板比较接近要求，其调试数据见表2.

    经过公式(7)反推得到实际工作状态下孔板进口压力应该为0.823MPa。满足0.8士0.IMPa的要求。

    由于蒸发器前后均无流量计对氧流量进行测量，因此孔板测量流量需要一个流量测量公式，通过孔板前的压力温度算得流量。

                

               

    5.热试车验证

    液氧/煤油发动机两器配气系统投产后，经历了l0()一023，100一023A，100一023B3次系统热试车，将测得的数据列于表3。3次试验，两器配气系统均工作良好，基本满足了设计要求，得到了设计的认可。后又用于试验台，效果也很好。10一023，100一o23A，100一023B次试车数据见表3。

               

 

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