一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，解决了管路结构高温、内压工作状态下侧向剪切变形等效模拟的技术难点，在一定程度上排除了由于管路轴向伸长导致工装摩擦对侧向刚度造成的影响。试验系统能够同步模拟“温度+内压+侧向剪切变形”并考核结构强度、刚度、密封性能，可以为各类发动机相关管路结构提供设计依据。

A test system for lateral stiffness of pipeline system under high temperature internal pressure and shear deformation

The invention discloses a lateral stiffness test system for high temperature internal pressure shear deformation of pipeline system, which solves the technical difficulty of equivalent simulation of lateral shear deformation of pipeline structure under high temperature and internal pressure working conditions, and to a certain extent eliminates the impact of tooling friction on lateral stiffness caused by axial extension of pipeline. The test system can simultaneously simulate \temperature + internal pressure + lateral shear deformation\ and assess the structural strength, rigidity and sealing performance, which can provide design basis for various engine related pipeline structures.

【技术实现步骤摘要】
一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统
本专利技术涉及地面综合模拟试验
，尤其涉及导弹、火箭及其它各类飞行器发动机燃气管路系统的高温、内压、侧向变形等工作状态的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统。
技术介绍
管路系统是飞行器发动机的一个重要分系统，按功能可分为输送、增压、排焰等不同的管路系统。管路功能不同，所承受的热、力学综合环境也有所差异。受综合环境的影响，管路结构会出现强度下降、密封性能减弱、固有力学特性变化等问题，严重情况下甚至会出现管路泄漏及破坏。如何对管路系统在地面进行全面的试验考核一直是试验部门面临的重要技术问题。以往针对管路系统的地面模拟试验，主要面向于自生增压管路和伺服排焰管等管路结构温度、压力、振动载荷环境的叠加模拟，对于金属软管等轴向尺寸较小的管路结构在温度、压力、侧向变形作用下的结构响应关注较少。然而，金属软管作为一种有效的结构连接组件，在发动机管路系统中大量存在。实际使用中，金属软管入口端与系统本体结构固结、出口端在壁面约束下发生平行错动，结构内部在燃气流作用下受热、冲压。高温环境下管路剪切刚度降低，内压作用下管路剪切刚度增大，高温、内压叠加载荷环境对于结构刚度的影响难以准确评估。侧向刚度的变化导致连接部位作用力发生变化，进一步影响到管路和连接结构的可靠性，必须在正式使用前通过地面试验模拟结构的工作状态并考核其设计余量。采用试验手段模拟金属软管“温度+压力+侧向剪切变形”叠加载荷环境，需要解决如下问题：1、在管路高温、内压状态下施加侧向变形；2、保证管路发生剪切错动而非弯曲变形；3、测量剪切变形对应的侧向力载荷；4、排除管路受热轴向膨胀导致工装摩擦对侧向力测量造成的影响。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供了一种面向金属软管结构设计高温管路剪切变形侧向刚度试验测试系统。采用空压机及空气加热器，以高温空气作为加热介质，实现了工作状态下管路内部高温气流、压力的模拟；在管路出口端设计联排滚动轴承限位工装，保证在侧向力作用下结构发生剪切变形，并且极大程度消除了管路由于轴向膨胀引起的工装摩擦；通过与出口端加载工装连接的50kg高分辨率测力计实时记录管路不同剪切错动位移量对应的拉力载荷值。该试验系统能够同步模拟发动机内部管路结构“温度+内压+侧向剪切变形”工作状态，考核结构强度、刚度及密封性能，为管路结构提供设计依据。本专利技术所采用的技术方案如下：一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，该试验测试系统包括介质供给设备、加热设备、加载限位与固定支撑装置、压力调节装置以及冷却设备：介质供给设备，用于为参试管路提供流动加热介质以真实模拟实际工作状态下管路内部的高温燃气流及压力；加热设备，包括空气加热器、可控硅、以及控制系统，其中控制系统用于对空气加热器以及可控硅进行控制，并实现功率调节，该加热设备用于加热参试管路内的流动介质以达到目标温度；加载限位与固定支撑装置，包括参试管路入口端固支工装、参试管路出口端加载限位工装、以及竖向加载油缸，所述参试管路入口端固支工装用于模拟结构固定边界，所述参试管路出口端加载限位工装用于在壁面约束条件下对结构施加剪切变形；压力调节装置，用于实时调节试验测试系统内部的气体压力至试验测试要求的水平，压力调节装置包括高压气体缓冲罐出口端的进气流量调节阀和冷却设备出口端的排气流量调节阀；冷却设备为水冷却热交换器，用于在所述试验测试系统内的高温气体在向外界环境排放之前，使之降温以保证排放的安全性。进一步的，介质供给设备包括空气压缩机和高压气体缓冲罐两部分，空气压缩机用于对介质加压，以满足参试管路内部压力边界的要求，通过空气压缩机将压缩后的高密度空气送入高压气体缓冲罐作为气源。进一步的，在参试管路前、后端内部截面分别安装进口温度及压力传感器、出口温度及压力传感器，根据传感器的压力反馈信号实时调节进气流量调节阀、排气流量调节阀的封闭大小，以控制试验测试系统内部的气体压力，根据传感器的温度反馈信号，所述控制系统采用控制系统对空气加热器以及可控硅进行控制，以对管路内流动介质的温度进行实时调节。进一步的，所述空气压缩机采用XR-55A-10型压缩机，额定使用功率55kW，公称容积流量8.5m3/min，额定排气压力1.0MPa，所述高压气体缓冲罐采用Ⅰ类压力容器标准，设计压力1.365MPa，容积2m3；所述空气压缩机与所述高压气体缓冲罐之间采用金属耐压管道连接，为所述试验测试系统提供足够流量的压缩空气作为气源。进一步的，所述加热设备中的空气加热器采用了AEH125型空气加热器，该空气加热器的出口温度满足400℃～700℃高温区间，高温状态设计压力为2.0MPa。进一步的，所述竖向加载油缸采用采用1.0t小量程伺服加载油缸，并配备BK-2A型50kg高分辨率测力计；所述参试管路出口端加载限位工装包括参试管路出口端加载工装和参试管路出口端限位工装，所述参试管路出口端加载限位工装分别与所述竖向加载油缸中的伺服加载油缸和测力计连接，用于施加剪切错动变形量，并测量对应的竖向拉力值。进一步的，伺服加载油缸沿铅垂方向竖直向下安装，伺服加载油缸中的作动筒通过连杆与参试管路出口端加载工装的滑动钢板上的加载悬吊孔连接，滑动钢板与参试管路出口端加载工装主体管路正交焊接。进一步的，所述滑动钢板左右两侧边缘对称嵌套在所述出口端加载工装的联排轴承支架的U型滑槽内，所述U型滑槽内表面的三个竖向铅垂面竖直安装规格统一的外径Ф12mm的滚动轴承，所述出口端加载工装通过螺钉固定在铸块上。进一步的，参试管路的出口端与所述出口端加载工装的主体管路、参试管路的入口端与所述参试管路入口端固支工装主体管路均通过固定法兰连接，所述参试管路入口端固支工装通过螺钉固定在铸块上。进一步的，所述压力调节装置中的压力的调节分为手动调节和自动调节两种方式；其中，所述手动调节方式具体包括：在参试管路的进气端安装有进气流量调节阀，在所述试验测试系统的排气端安装有排气流量调节阀，依靠这两个调节阀门来调节参试管路内部的压力，使参试管路内部气体的压力动态保持在一定量值上；所述自动调节方式具体包括：采用电磁阀、自动控制仪组成压力动态控制系统，对管内介质的压力进行实时调节。本专利技术的技术方案所能获得的有益效果包括：1)本专利技术解决了管路结构高温、内压工作状态下侧向剪切变形等效模拟的技术难点，在一定程度上排除了由于管路轴向伸长导致工装摩擦对侧向刚度造成的影响。试验系统能够同步模拟“温度+内压+侧向剪切变形”并考核结构强度、刚度、密封性能，可以为各类发动机相关管路结构提供设计依据。2)该试验系统实现了管路结构实际工作状态下“温度+内压+剪切变形”的同步等效模拟。通过在参试管路出口端限位工装竖向滑槽内部设计联排滚动轴承消除了加载工装与限位工装间的滑动摩擦，极大程度减小了其对剪切刚度的不利影响；在此基础上，通过单独测量加载工装与波纹管在相同剪切变形量下的拉力载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，该试验测试系统包括介质供给设备、加热设备、加载限位与固定支撑装置、压力调节装置以及冷却设备，其特征在于：/n介质供给设备，用于为参试管路提供流动加热介质以真实模拟实际工作状态下管路内部的高温燃气流及压力；/n加热设备，包括空气加热器、可控硅、以及控制系统，其中控制系统用于对空气加热器以及可控硅进行控制，并实现功率调节，该加热设备用于加热参试管路内的流动介质以达到目标温度；/n加载限位与固定支撑装置，包括参试管路入口端固支工装、参试管路出口端加载限位工装、以及竖向加载油缸，所述参试管路入口端固支工装用于模拟结构固定边界，所述参试管路出口端加载限位工装用于在壁面约束条件下对结构施加剪切变形；/n压力调节装置，用于实时调节试验测试系统内部的气体压力至试验测试要求的水平，压力调节装置包括高压气体缓冲罐出口端的进气流量调节阀和冷却设备出口端的排气流量调节阀；/n冷却设备为水冷却热交换器，用于在所述试验测试系统内的高温气体在向外界环境排放之前，使之降温以保证排放的安全性。/n

【技术特征摘要】
1.一种管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，该试验测试系统包括介质供给设备、加热设备、加载限位与固定支撑装置、压力调节装置以及冷却设备，其特征在于：
介质供给设备，用于为参试管路提供流动加热介质以真实模拟实际工作状态下管路内部的高温燃气流及压力；
加热设备，包括空气加热器、可控硅、以及控制系统，其中控制系统用于对空气加热器以及可控硅进行控制，并实现功率调节，该加热设备用于加热参试管路内的流动介质以达到目标温度；
加载限位与固定支撑装置，包括参试管路入口端固支工装、参试管路出口端加载限位工装、以及竖向加载油缸，所述参试管路入口端固支工装用于模拟结构固定边界，所述参试管路出口端加载限位工装用于在壁面约束条件下对结构施加剪切变形；
压力调节装置，用于实时调节试验测试系统内部的气体压力至试验测试要求的水平，压力调节装置包括高压气体缓冲罐出口端的进气流量调节阀和冷却设备出口端的排气流量调节阀；
冷却设备为水冷却热交换器，用于在所述试验测试系统内的高温气体在向外界环境排放之前，使之降温以保证排放的安全性。


2.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：介质供给设备包括空气压缩机和高压气体缓冲罐两部分，空气压缩机用于对介质加压，以满足参试管路内部压力边界的要求，通过空气压缩机将压缩后的高密度空气送入高压气体缓冲罐作为气源。


3.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：在参试管路前、后端内部截面分别安装进口温度及压力传感器、出口温度及压力传感器，根据传感器的压力反馈信号实时调节进气流量调节阀、排气流量调节阀的封闭大小，以控制试验测试系统内部的气体压力，根据传感器的温度反馈信号，所述控制系统通过控制程序对空气加热器以及可控硅进行控制，以对管路内流动介质的温度进行实时调节。


4.根据权利要求1所述的管路系统高温内压剪切变形侧向刚度试验测试系统，其特征在于：
所述空气压缩机采用XR-55A-10型压缩机，额定使用功率55kW，公称容积流量8.5m3/min，额定排气压力1.0MPa，所述高压气体缓冲罐采用Ⅰ类压力容器标准，设计压力1.365MPa，容积2m3；
所述空气压缩机与所述高压气体缓冲罐之间采用金属耐压管道连接，为所述试验测试系统提供足够流量的压缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛宇轩，田玉坤，马星博，何钦华，杜安革，
申请(专利权)人：北京强度环境研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11