一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及空化可视化试验系统及方法，具体涉及一种用于泵压式低温液体火箭发动机的具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统及方法，用于解决现有诱导轮空化试验未考虑介质热效应且无法实现诱导轮内空化流动可视化观测的不足之处。该具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统及方法包括储水机构、试验机构、高速摄像机构和温控机构；试验机构中采用透明材质试验壳体，配合高速摄像机构实现了对试验件内部空化流动的高清拍摄；温控机构中加热装置、控制器、温度传感器之间形成的闭环控制可以实现对试验壳体入口来流温度的准确和稳定控制。同时，本发明专利技术提供一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验方法。化功能的诱导轮空化试验方法。化功能的诱导轮空化试验方法。

【技术实现步骤摘要】
一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统及方法


[0001]本专利技术涉及空化可视化试验系统及方法，具体涉及一种用于泵压式低温液体火箭发动机的具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统及方法。

技术介绍

[0002]液氧、液氢等低温介质由于具有比冲大、无毒无污染等优势，被用作新一代泵压式低温液体火箭发动机推进剂。在特定的工况下，涡轮泵内部会发生空化，导致泵振动量级异常升高，产生强烈破坏作用。空化本质是由液相向汽相转变的相变过程，需要吸收来自主流的热量，导致空化区附近的液体温度下降，相应饱和蒸汽压也受到影响，空化的进一步发展受到抑制，这种抑制效果就是空化热效应。
[0003]为获得涡轮泵的工作特性，通常在循环水洞中开展模型试验，即通过合理的试验装置创造与真实工作状态相似的试验件来流条件，并采集试验件的工作性能数据，其中试验件一般为真实产品或缩尺件。采用模型试验获得涡轮泵的空化性能是液体火箭发动机研制过程中的重要环节，所获得的涡轮泵的空化性能能够用于指导涡轮泵的进一步优化设计。
[0004]由于空化现象的复杂性，可视化是一种重要的试验手段。低温介质由于较强的空化热效应，其空化过程与常温水空化显著不同。直接对液氧等低温介质开展空化可视化试验，具有极高的技术难度，采用高温水模拟低温介质的热效应是可实现性较强的技术途径。根据现有空化热效应相似理论换算，针对转速为18000rpm，以
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183℃液氧为工质的氧泵诱导轮，换算至转速为3000rpm的试验室工况时，需要水温达到90℃。目前针对诱导轮空化的试验研究大部分是基于常温水，直接开展高温水空化试验，可能存在管路热耗散较高导致试验段来流温度不稳定、加热量大、加热控温设备难度大成本高，密封装置失效导致泄漏，传感器易损坏等问题。同时在保证试验装置中压力、温度准确控制的条件下，实现诱导轮内空化流动的可视化观测具有一定的技术难度，

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有诱导轮空化试验未考虑介质热效应且无法实现诱导轮内空化流动可视化观测的不足之处，而提供一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统及方法。
[0006]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0007]一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统，其特殊之处在于：包括储水机构、试验机构、高速摄像机构、温控机构和压力监测机构；
[0008]所述储水机构包括储水罐和设置在储水罐水体内的气囊，所述气囊的进/排气阀门设置在储水罐外；
[0009]所述试验机构包括底座，以及设置在底座上的电机、扭矩仪和试验壳体，所述电机通过扭矩仪与试验壳体内的试验件连接，所述试验壳体为透明材质，试验壳体外设置所述
高速摄像机构；
[0010]所述储水罐的第一出口设置有进/排水阀门，储水罐的第一出口与外部水源相连；储水罐的第二出口通过第一管路与试验壳体的入口相连，所述第一管路上沿水流流动方向依次设置有截止阀和整流段，整流段内部为蜂窝结构；所述试验壳体的出口通过第二管路与储水罐的入口相连，所述第二管路上设置有流量调节机构，流量调节机构包括沿水流流动方向依次设置的工艺泵、流量计和流量阀；
[0011]所述温控机构包括设置在储水罐上的加热装置、位于第一管路上靠近试验壳体处的温度传感器，以及设置在加热装置和温度传感器之间的控制器；
[0012]所述压力检测机构包括位于第一管路上靠近试验壳体处的第一压力传感器和位于第二管路上靠近试验壳体处的第二压力传感器。
[0013]进一步地，所述试验机构还包括支撑座、保持架和转轴；所述扭矩仪和试验壳体内的试验件通过转轴同轴连接，转轴一端通过第一轴承固定在支撑座上，第一轴承内圈与转轴固定，第一轴承外圈与支撑座固定；转轴另一端伸入试验壳体内，转轴与试验壳体之间设置第二轴承，第二轴承内圈与转轴固定，第二轴承外圈通过轴承座固定在支撑座上，试验件通过轴端螺母压紧在转轴端部；转轴位于第二轴承与试验件之间的部分上设置有过渡件，用于减小流阻损失；
[0014]所述试验壳体一端位于轴承座内，试验壳体另一端位于保持架内，支撑座与保持架之间设置有多个固定柱，用于确保连接处不发生泄漏，并且便于更换试验壳体；
[0015]所述支撑座通过多个连接孔与底座固定。
[0016]进一步地，所述整流段通过外部法兰与第一管路固定，整流段内部设置有多个位于整流段径向截面中部的第一通孔、多个位于第一通孔外周的第二通孔和第三通孔；所述第一通孔按照矩阵形式排列，且行数等于列数；第二通孔和第三通孔均分成多组，沿整流段径向截面外周圆周均匀排列；所述第一通孔直径、第二通孔直径、第三通孔直径依次递减；上述结构能够有效减小来流湍流度，保证试验壳体入口来流均匀平稳，提供可靠的试验流动条件。
[0017]进一步地，所述加热装置包括伸入储水罐水体内的套管和设置在套管内的多根加热管，所述套管通过设置在储水罐外壁上的法兰与储水罐固定；加热管的数量根据热负荷要求设置，如果需要更换加热管，直接从套管中取出加热管，无需拆卸法兰。
[0018]进一步地，所述高速摄像机构包括相机，以及设置在相机上的照明装置和存储装置。
[0019]进一步地，所述转轴与第一轴承内圈之间、转轴与第二轴承内圈之间均设置有密封组件，密封组件为包括同轴套设在转轴上的轴套和O型密封圈，所述O型密封圈采用耐高温超过130℃的氟塑料，防止高温下材料发生形变，导致泄漏。
[0020]进一步地，所述储水罐、第一管路、第二管路、整流段均包裹有纳能绝热毯保温材料，用于降低热耗散，保证水体温度的稳定。
[0021]进一步地，所述气囊采用最高可耐120℃高温的橡胶材料，所述过渡件采用耐高温超过130℃的氟塑料。
[0022]同时，本专利技术提供一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验方法，其特殊之处在于，采用上述具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统，包括如下步骤：
[0023]步骤1、开启进/排水阀门对储水罐进行进/排水，使储水罐中水位达到试验预设水位后关闭进/排水阀门；
[0024]步骤2、打开进/排气阀门，保证气囊内压力为0.08Mpa～0.12MPa后关闭进/排气阀门；
[0025]步骤3、开启截止阀、工艺泵、流量阀，保持第一管路、第二管路处于流通状态后，通过进/排气阀门调节气囊内压力，使第一压力传感器的压力值达到试验预设压力；
[0026]步骤4、开启加热装置、温度传感器和控制器对试验系统水体进行循环加热，控制器接收温度传感器反馈的水温依据试验预设水温实时控制加热装置的加热功率；
[0027]步骤5、调节电机转速，直至试验壳体内的试验件转速达到试验预设转速；
[0028]步骤6、调节工艺泵、流量阀直至流量计的流量值达到试验预设流量，同时调节进/排气阀门使第一压力传感器的压力值达到试验预设压力；
[0029]步骤7、确定温度传感器反馈的水温、试验件转速、流量计的流量值和第一压力传感器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统，其特征在于：包括储水机构、试验机构、高速摄像机构(3)、温控机构和压力监测机构；所述储水机构包括储水罐(11)和设置在储水罐(11)水体内的气囊(12)，所述气囊(12)的进/排气阀门(121)设置在储水罐(11)外；所述试验机构包括底座(21)，以及设置在底座(21)上的电机(22)、扭矩仪(23)和试验壳体(24)，所述电机(22)通过扭矩仪(23)与试验壳体(24)内的试验件(01)连接，所述试验壳体(24)为透明材质，试验壳体(24)外设置所述高速摄像机构(3)；所述储水罐(11)的第一出口设置有进/排水阀门(111)，储水罐(11)的第一出口与外部水源相连；储水罐(11)的第二出口通过第一管路(6)与试验壳体(24)的入口相连，所述第一管路(6)上沿水流流动方向依次设置有截止阀(61)和整流段(8)，整流段(8)内部为蜂窝结构；所述试验壳体(24)的出口通过第二管路(7)与储水罐(11)的入口相连，所述第二管路(7)上设置有流量调节机构，流量调节机构包括沿水流流动方向依次设置的工艺泵(91)、流量计(92)和流量阀(93)；所述温控机构包括设置在储水罐(11)上的加热装置(41)、位于第一管路(6)上靠近试验壳体(24)处的温度传感器(42)，以及设置在加热装置(41)和温度传感器(42)之间的控制器(43)；所述压力检测机构包括位于第一管路(6)上靠近试验壳体(24)处的第一压力传感器(51)和位于第二管路(7)上靠近试验壳体(24)处的第二压力传感器(52)。2.根据权利要求1所述的一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统，其特征在于：所述试验机构还包括支撑座(25)、保持架(212)和转轴(26)；所述扭矩仪(23)和试验壳体(24)内的试验件(01)通过转轴(26)同轴连接，转轴(26)一端通过第一轴承(27)固定在支撑座(25)上，第一轴承(27)内圈与转轴(26)固定，第一轴承(27)外圈与支撑座(25)固定；转轴(26)另一端伸入试验壳体(24)内，转轴(26)与试验壳体(24)之间设置第二轴承(28)，第二轴承(28)内圈与转轴(26)固定，第二轴承(28)外圈通过轴承座(29)固定在支撑座(25)上，试验件(01)通过轴端螺母(210)压紧在转轴(26)端部；转轴(26)位于第二轴承(28)与试验件(01)之间的部分上设置有过渡件(211)；所述试验壳体(24)一端位于轴承座(29)内，试验壳体(24)另一端位于保持架(212)内，支撑座(25)与保持架(212)之间设置有多个固定柱(213)；所述支撑座(25)通过多个连接孔(215)与底座(21)固定。3.根据权利要求2所述的一种具有控温、可视化功能的诱导轮空化试验系统，其特征在于：所述整流段(8)通过外部法兰与第一管路(6)固定，整流段(8)内部设置有多个位于整流段(8)径向截面中部的第一通孔(81)、多个位于第一通孔(81)外周的第二通孔(82)和第三通孔(83)；所述第一通孔(81)按照矩阵形式排列，且行数等于列数；第二通孔(82)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晖，许开富，项乐，刘军年，李随波，金路，任众，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：