一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统的制作方法

1.本发明涉及固体火箭发动机技术领域，具体涉及一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统。

背景技术：

2.试验用发动机要求实现推力随喉径变化呈现阶梯形变化，实现发动机推力随控调节，实现发动机能量智能管理，为验证发动机喷管喉径调整机构的有效性，采用高压氮气模拟高温燃气实现对发动机喷管喉径调整机构进行考核。
3.现有技术采用氮气瓶组用于发动机冷气供应装置，发动机喷管喉径初始值为发动机13mpa下质量流率为16.29kg/s，采用氮气瓶组进行供气，氮气瓶个数太多，且无法满足高压下发动机变喉径时冷气质量流量需要。现有技术中采用氮气瓶组实现对发动机喷管喉径调整机构的考核，氮气瓶组容积与考核发动机容积相比，容积比不是很大，采用氮气瓶组充气时，质量流率无法实现考核用质量流率需求。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题
5.本发明提供一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，以解决现有技术中氮气瓶组充气无法实现考核用质量流率需求等问题。
6.为解决技术问题本发明采用的技术方案
7.一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，包括：高压氮气罐1、压力表 2、安全阀3、高压电磁阀4、手动截止阀5、高压电磁阀控制系统6、氮气输送管路7、测控系统8、管路连接工装9、发动机10、电机11、喷管12，所述压力表2用于实时显示高压氮气罐1的压强，安全阀3安装在高压氮气罐1上部；所述高压氮气罐1下端安装高压电磁阀4和手动截止阀5，高压电磁阀4采用远程控制实现对高压氮气罐1进行压力泄放，手动截止阀5对高压氮气罐1进行压力泄放；所述高压电磁阀控制系统6用于远程实现对高压电磁阀4的操作；所述氮气输送管路7上安装高压电磁阀4和手动截止阀5，对高压氮气输送控制；所述测控系统8用于实现对发动机10上的压强传感器输出的压强信号进行采集；所述管路连接工装9用于实现氮气输送管路7与发动机10之间的连接，所述电机11及长尾喷管12分别安装在发动机10尾端。
8.进一步地，所述高压氮气罐1容积为4.0立方米，额定承压35mpa，用于实现对整个冷气供应系统提供高压氮气。
9.进一步地，整个冷气供应系统输送管路管径为dn97，充气压强设定为 13mpa。
10.进一步地，所述管路连接工装9由前端法兰13、后端法兰14焊接而成，所述前端法兰13与氮气输送管路7末端采用螺栓连接，所述后端法兰14与发动机10采用螺栓连接。
11.进一步地，所述前端法兰13及后端法兰14材料选用06cr19ni10锻件。
12.进一步地，所述发动机10为试验用发动机，内部容积为0.0104m3，试验用压强为
13mpa。
13.进一步地，所述长尾喷管12的喉径为变化喉径，初始值为
14.本发明获得的技术效果
15.本发明基于一种发动机需要进行高压冷气充气的需求，设计了一种冷气输送系统及发动机冷气试验用工装，能够实现发动机在高压下喷管变喉径调节时发动机内部压强呈现阶梯形变化，满足了发动机冷气供应需求。目前，并没有专门装置实现发动机高压冷气供应，而采用气瓶组供气需要无法满足试验用氮气质量流率需求。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1：本发明冷气供应系统示意图；
18.图2：发动机连接示意图；
19.图3：管路连接工装示意图；
20.其中：1-高压氮气罐，2-压力表，3-安全阀，4-高压电磁阀，5-手动截止阀，6
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高压电磁阀控制系统，7-氮气输送管路，8-测控系统，9-管路连接工装，10-发动机，11-电机，12-长尾喷管，13-前端法兰，14-后端法兰。
具体实施方式
21.本发明设计了一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，用于实现发动机喷管喉径变化后，发动机内部压强曲线呈阶梯形变化。包括冷气试验用发动机、高压氮气罐、连接工装等。高压氮气罐为整个冷气供应系统提供高压氮气源，连接工装用于实现将冷气供应装置与试验发动机进行连接。
22.为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对本发明所提出的技术方案的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统由高压氮气罐1、压力表2、安全阀3、高压电磁阀4、手动截止阀5、高压电磁阀控制系统6、氮气输送管路7、测控系统8、管路连接工装9、发动机10、电机11、长尾喷管 12组成。
24.高压氮气罐1容积为4.0立方米，额定承压35mpa，用于实现对整个冷气供应系统提供高压氮气，整个冷气供应系统输送管路管径为dn97，充气压强设定为13mpa，则高压氮气罐1内的高压氮气质量通过公式(1)计算。
25.由气体状态方程：
[0026][0027]
其中，p0为冷流试验用发动机压力，单位mpa；m为氮气分子量，单位g/mol；
[0028]v0
为高压储罐体积，单位为m3；t0为内腔气体温度，单位k，内腔气体温度按20℃估算。
[0029]
压力表2用于实时显示高压氮气罐1的压强，安全阀3安装在高压氮气罐1 上部，高压氮气罐1一旦发生超压，则高压气体通过安全阀3实现泄压，对高压氮气罐1及周围环境内的人员、设备等实现保护。高压氮气罐1下端安装高压电磁阀4和手动截止阀5，高压电磁阀4采用远程控制实现对高压氮气罐1进行压力泄放，以满足冷气试验发动机用冷气压强要求。手动截止阀5用于手动打开、关闭截止阀，实现对高压氮气罐1进行压力泄放。高压电磁阀控制系统6 用于远程实现对高压电磁阀4的打开、关闭操作，以保证对高压氮气罐1的安全操作。氮气输送管路7上安装高压电磁阀4和手动截止阀5，用于实现对高压氮气输送控制。测控系统8用于实现对发动机10上的压强传感器输出的压强信号进行采集。管路连接工装9用于实现氮气输送管路7与发动机10之间的连接，具体尺寸如图3所示。管路连接工装9由前端法兰13、后端法兰14焊接而成。前端法兰13与氮气输送管路7末端采用8个m33的螺栓连接，前端法兰13设计满足hg/t 20615-2009钢制管法兰标准，材料选用06cr19ni10锻件。后端法兰14与发动机10通过32个m10的螺栓进行连接，材料选用06cr19ni10锻件。
[0030]
后端法兰14设计厚度采用公式(2)计算。
[0031][0032]
式中：f：安全系数；pmax：最大工作压强；d1：法兰内径，mm；d
l
：螺栓分布圆直径，mm；d2：法兰外径，mm；σb：材料抗拉强度，mpa；h：法兰厚度，mm；
[0033]
发动机10为试验用发动机，内部容积为0.0104m3，试验用压强为13mpa，发动机10内高压氮气通过长尾喷管12喷出，长尾喷管12的喉径为变化喉径，初始值为发动机10后端盖上安装电机11，电机11带动转轴旋转，转轴处通过螺钉固定连接绝热堵盖，用于实现对长尾喷管12喉径的遮挡。绝热堵盖随着电机11的转动而转动，实现对长尾喷管12喉径的遮挡，所以，喷管等效喉径由初始值逐渐变化至
[0034]
发动机10采用冷气试验时，按照等熵条件，出口为声速流动的临界压强比按公式(3)计算：
[0035][0036]
将氮气的比热比k＝1.4代入可得临界压强比为0.525，由于试验中环境压强 pa＝0.0898mpa，容器压强p0》0.5mpa，满足出口达到声速的条件，因此发动机冷气试验喷管流量处于壅塞状态。
[0037]
由于发动机10喷管形成临界截面、流量处于壅塞状态，因此，可在等效喷喉处计算排气流量：
[0038][0039]
其中，k为流量因子，对常温于氮气或空气，取0.0404；q(λ
t
)为气体流量函数，对
于临界截面(喷喉)，数值为1；at为等效喷管喉部面积，单位mm2。
[0040]
对于整个冷气输送系统，充气时间为20s，则氮气供应质量流率为：
[0041][0042]
29.885＞16.29,满足试验发动机供气量。
[0043]
采用本专利设计的发动机冷气供应系统已经进行了地面试验，试验结果达到了期望要求。采用冷气供应系统进行冷气供应，发动机喉径变化时，压强传感器测试得到的压强曲线呈现阶梯形变化。

技术特征：

1.一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于，包括：高压氮气罐(1)、压力表(2)、安全阀(3)、高压电磁阀(4)、手动截止阀(5)、高压电磁阀控制系统(6)、氮气输送管路(7)、测控系统(8)、管路连接工装(9)、发动机(10)、电机(11)、喷管(12)，所述压力表(2)用于实时显示高压氮气罐(1)的压强，安全阀(3)安装在高压氮气罐(1)上部；所述高压氮气罐(1)下端安装高压电磁阀(4)和手动截止阀(5)，高压电磁阀(4)采用远程控制实现对高压氮气罐(1)进行压力泄放，手动截止阀(5)对高压氮气罐(1)进行压力泄放；所述高压电磁阀控制系统(6)用于远程实现对高压电磁阀(4)的操作；所述氮气输送管路(7)上安装高压电磁阀(4)和手动截止阀(5)，对高压氮气输送控制；所述测控系统(8)对发动机(10)上的压强传感器输出的压强信号进行采集；所述氮气输送管路(7)与发动机(10)通过管路连接工装(9)连接，所述电机(11)及长尾喷管(12)分别安装在发动机(10)尾端。2.根据权利要求1所述的一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于：所述高压氮气罐(1)容积为4.0立方米，额定承压35mpa，用于实现对整个冷气供应系统提供高压氮气。3.根据权利要求1所述的一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于：整个冷气供应系统输送管路管径为dn97，充气压强设定为13mpa。4.根据权利要求1所述的一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于：所述管路连接工装(9)由前端法兰(13)、后端法兰(14)焊接而成，所述前端法兰(13)与氮气输送管路(7)末端采用螺栓连接，所述后端法兰(14)与发动机(10)采用螺栓连接。5.根据权利要求4所述的一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于：所述前端法兰(13)及后端法兰(14)材料选用06cr19ni10锻件。6.根据权利要求1所述的一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于：所述发动机(10)为试验用发动机，内部容积为0.0104m3，试验用压强为13mpa。7.根据权利要求6所述的一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统，其特征在于：所述长尾喷管(12)的喉径为变化喉径，初始值为

技术总结

本发明提供一种发动机用大流量、高压强冷气供应系统。包括高压氮气罐、安全阀、高压电磁阀、手动截止阀、高压电磁阀控制系统、氮气输送管路、测控系统、管路连接工装、发动机、电机、喷管，所述安全阀安在高压氮气罐上部，高压氮气罐下端安装高压电磁阀和手动截止阀，高压电磁阀控制系统远程实现对高压电磁阀的操作，进而控制高压氮气罐的压力泄放；所述测控系统对发动机上的压强传感器输出的压强信号进行采集；所述氮气输送管路与发动机通过管路连接工装连接，所述电机及长尾喷管分别安装在发动机尾端。本发明能够实现发动机在高压下喷管变喉径调节时发动机内部压强呈现阶梯形变化，满足了发动机冷气供应需求。发动机冷气供应需求。发动机冷气供应需求。