液體火箭發動機短型熱電偶穩態校準裝置的制作方法

本發明涉及一種液體火箭發動機短型熱電偶穩態校準裝置。

背景技術：

在液體火箭發動機熱試車中，溫度參數通常在高溫、高壓、高速流動的情況下進行測試的。考慮傳感器強度問題和安裝空間的限制，不能完全按照理想的設計結構和尺寸來選擇溫度傳感器，由于傳熱和傳感器結構及安裝方式等原因，導致了溫度傳感器的穩態特性差異很大，存在的輻射誤差、導熱誤差和速度誤差等直接影響溫度參數的測量準確度，實際測量的不是氣流的真實溫度，最高可相差幾十度。由于在高溫測量中，輻射誤差相對于導熱誤差而言所占份額較大，在發動機設計和傳感器結構設計中已進行輻射誤差的計算，而導熱誤差的大小卻很難正確估算，根據傳感器的結構特點，熱電偶測溫部分、安裝支座及六方螺母部分對導熱誤差產生影響，往往在設計中被忽略計算。

技術實現要素：

為了獲得不同工況和安裝條件下導熱誤差修正系數，本發明提供一套短型熱電偶穩態校準裝置。

本發明的技術解決方案是提供一種液體火箭發動機短型熱電偶穩態校準裝置，其特殊之處在于：

包括管路單元和測試單元；

所述管路單元包括依次連接的穩定段1、收縮段2、試驗段3以及擴壓段4；上述穩定段1接上游管路，上述收縮段2的管徑逐漸變小，直至與試驗段3管徑一致；上述擴壓段4管徑逐漸變大并與下游管路連接；

上述試驗段3包括內筒301、外筒302以及設置在內筒301和外筒302之間的保溫材料39；

上述測試單元包括上位機、控溫系統、采集設備、設置在穩定段1的總溫度傳感器12和總壓力傳感器11、設置在試驗段3的參考溫度傳感器31；

被校短型熱電偶32設置在試驗段筒體上，且被校短型熱電偶32的受感部位于試驗段3的中軸線附近；

上述參考溫度傳感器31設置在試驗段筒體上且與被校短型熱電偶32相對設置，參考溫度傳感器31的受感部盡可能靠近被校短型熱電偶32的受感部；

上述控溫系統包括控溫儀、至少兩組壁溫傳感器單元和至少一組加熱體34；壁溫傳感器單元包括至少兩個壁溫傳感器33，上述壁溫傳感器33設置在試驗段筒體不同位置，壁溫傳感器33的受感部與試驗段3內筒壁緊密貼合；上述加熱體34設置于內筒301的外壁上；

上述采集設備采集壁溫傳感器33、總溫度傳感器12、總壓力傳感器11、被校短型熱電偶32、參考溫度傳感器31的信息，并將壁溫傳感器33溫度信息反饋至控溫儀；上述控溫儀根據反饋信息分別通過調節不同加熱體34功率控制試驗段內筒301的溫度；上述控溫儀及采集設備均與上位機通訊。

優選地，為了降低導熱誤差，本發明校準裝置還包括被校短型熱電偶32的氣冷系統，氣冷系統包括冷卻器管路、氣冷安裝法蘭35及安裝在冷卻器管路上的調節閥門36，氣冷安裝法蘭包括冷卻夾層351，冷卻夾層351與冷卻器管路相通，冷卻器管路的一端為冷卻氣進口37，另一端為冷卻氣出口38，法蘭體部分作為被校短型熱電偶32的安裝支座，將被校短型熱電偶32固定在試驗段上，冷卻夾層351位于被校短型熱電偶32的根部位置；

上述法蘭體通過六方螺母固定在試驗段內筒外壁上；

上述法蘭體上還設置有壁溫出線接頭352，上述測試單元還包括用于測量安裝支座與六方螺母及被校短型熱電偶測溫部分的表面溫度傳感器，上述表面溫度傳感器的出線通過壁溫出線接頭352實現。

優選地，為了增加傳感器浸入流場的長度，降低導熱誤差，上述參考溫度傳感器31采用單屏蔽干燒的結構，能夠沿著參考溫度傳感器的軸線方向調節位置，包括“l”型支撐桿311、偶絲316及熱電偶信號引線310；熱電偶信號引線310位于支撐桿311的一端引出偶絲316信號并與采集設備連接，上述偶絲316穿過支撐桿311伸出支撐桿311的另一端構成k型熱電偶315，k型熱電偶315外部設置有帶有進出氣口的屏蔽罩314；上述支撐桿311上還設置有安裝法蘭313與可調式緊固座312，通過安裝法蘭313將參考溫度傳感器31安裝在試驗段上，通過可調式緊固座312固定參考溫度傳感器。

優選地，上述支撐桿311的表面刻制有標尺。

優選地，k型熱電偶315的偶絲絲徑為0.5mm，k型熱電偶315的偶絲伸出長度即裸露部位長度為8mm，k型熱電偶315偶絲的接點距屏蔽罩進氣口的距離為12mm，屏蔽罩進出氣口的面積比為1:1。

優選地，上述壁溫傳感器33為k型鎧裝熱電偶，包括外壁設有螺紋333的鎧裝外殼332，通過螺紋333將壁溫傳感器33安裝在試驗段筒壁上；k型鎧裝熱電偶內部填充氧化物粉末；鎧裝外殼332為不銹鋼材料。

優選地，k型鎧裝熱電偶的偶絲330伸出長度為5mm，螺紋333底部距試驗段內筒壁面距離為4mm；當螺紋旋轉入位后，偶絲產生形變，緊貼內筒面，k型鎧裝熱電偶偶絲上套設絕緣瓷管331或絕緣瓷珠，將信號引出加熱層和保溫層，k型鎧裝熱電偶末端焊接熱電偶插頭。

優選地，為了避免由于內部換熱的差異引起的試驗段內筒前后差異過大的問題，本發明校準裝置包括3組加熱體34，3組壁溫傳感器單元，每組每組壁溫傳感器單元包括4個壁溫傳感器33，每組壁溫傳感器單元分別位于試驗段筒體兩端及中間部位。

優選地，上述試驗段內筒301及外筒302均為不銹鋼材質，試驗段3長1000mm，內筒內徑80mm，外筒外徑326mm。

優選地，上述加熱體34的加熱元件采用鎳鉻加熱絲，加熱絲布置在窄條瓷板中，若干穿有加熱絲的窄條瓷板排列在一起，形成能夠彎曲的加熱板。

本發明的有益效果是：

1、本發明裝置采用一種單屏蔽干燒結構的參考溫度傳感器作為標準，與安裝在本裝置中的被校短型熱電偶在不同工況、不同插入深度、不同基底溫度、和不同法蘭材質(通過更換不同材質的法蘭體實現)條件下，進行測量結果的比對。可以得到一系列短型熱電偶溫度傳感器導熱修正系數，提高了測量準確度；

2、本裝置試驗段采用雙層保溫結構，長1000mm，內筒內徑80mm，外筒外徑326mm，內外層均采用不銹鋼制作，中間填充保溫材料，通過使用保溫材料對內筒進行保溫，同時降低外筒溫度；整個校準裝置前后通過法蘭連接在校準風洞或燃燒試驗器上；

3、本裝置通過溫控儀分別控制設置在試驗段內筒的外側的加熱體功率，來調節內筒壁面溫度，減小輻射誤差；

4、本裝置還包括氣冷安裝法蘭，通過氣冷安裝法蘭將被校短型熱電偶安裝在試驗段上，用于冷卻被校溫度傳感器的根部溫度，降低導熱誤差的影響；

5、試驗段內筒上設計了12只壁面溫度傳感器，用于監控試驗段內筒內壁面的溫度。采用壁溫傳感器對試驗段內筒前中后三段進行實時溫度監測，并可以通過溫控系統控制壁面溫度跟隨主流溫度進行調節，有效避免由于內部換熱的差異引起的試驗段內筒前后差異過大的問題；

6、參考溫度傳感器采用單屏蔽干燒的結構形式，該傳感器的突出特點是采用了“l”型結構，最大程度的增加了傳感器浸入流場的長度，進而可以有效地降低導熱誤差。

附圖說明

圖1是本發明系統原理圖；

圖2是本發明試驗段結構示意圖；

圖3是本發明控溫系統組成示意圖；

圖4是本發明分段控溫示意圖；

圖5是試驗段本體結構圖；

圖6導熱誤差試驗段加熱體布置圖；

圖7氣冷法蘭的結構示意圖；

圖8是壁溫傳感器結構示意圖；

圖9是壁溫傳感器布局示意圖；

圖10是參考溫度傳感器結構示意圖。

圖中附圖標記為：1-穩定段，11-總壓力傳感器，12-總溫度傳感器，2-收縮段，3-試驗段，301-內筒，302-外筒，31-參考溫度傳感器，310-熱電偶信號引線，311-支撐桿，312-可調式緊固座，313-安裝法蘭，314-屏蔽罩，315-k型熱電偶，316-偶絲，32-被校短型熱電偶，321-被校短型熱電偶安裝支座，33-壁溫傳感器，330-偶絲，331-絕緣瓷管，332-鎧裝外殼，333-螺紋，34-加熱體，35-氣冷安裝法蘭，351-冷卻夾層，352-壁溫出線接頭，36-調節閥門，37-冷卻氣進口，38-冷卻氣出口，39-保溫材料，4-擴壓段。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步的描述。

本發明以新一代大運載發動機富氧高溫溫度傳感器為研究對象，(其中所用的高溫溫度傳感器即為短型熱電偶溫度傳感器)在一定的氣流馬赫數、氣流溫度的穩態條件下，開展短型熱電偶溫度傳感器導熱修正校準技術研究，建立一套穩態校準裝置。在該裝置中，認為參考溫度傳感器的測溫結果是溫度標準值，在一定工況條件下，對比被校短型熱電偶與參考溫度傳感器的測溫結果，對短型熱電偶溫度傳感器進行校準。

研究發動機在實際氣流條件下短型熱電偶溫度傳感器長徑比(熱電偶測溫部分)、安裝支座等對導熱誤差的影響，可以獲得不同工況條件下短型熱電偶溫度傳感器導熱修正系數，綜合分析發動機溫度測量影響因素，提高短型熱電偶溫度傳感器測量準確性。

短型熱電偶溫度傳感器的散熱包括對流換熱和沿程導熱，在穩態和忽略輻射誤差的情況下，根據傳感器的結構特點，首先針對熱電偶測溫部分、安裝支座部分等部分分別計算導熱修正系數，然后將導熱修正系數綜合起來。

安裝支座導熱修正系數：

短型熱電偶溫度傳感器在測量高溫氣體溫度時，一般支座溫度都低于測量端溫度。從測量端到支座存在溫度梯度，熱量將從高溫測量端向低溫的支座傳遞，這個過程通常被稱為導熱。導熱的結果使短型熱電偶溫度傳感器指示溫度tj低于氣流有效溫度即參考溫度傳感器示值tg，因而存在導熱誤差σc為：

σc＝tg-tj

在穩態和忽略輻射誤差的情況下，傳感器與氣流之間的對流換熱量qv和傳感器的導熱量qc的熱平衡為

qv＝qc

對于熱電偶式傳感器，當通過壁面插入氣流中，如果熱電偶橫截面上的溫度分布均勻，只有沿軸向的溫度梯度時，可以得出：

式中：l——浸入長度，單位為m；

f——橫截面積，單位為m²；

v——熱電偶周長，m；

td——支座溫度，k。

當傳感器為圓柱體時，

式中l為短型熱電偶溫度傳感器浸入長度，m；

d為短型熱電偶溫度傳感器外殼直徑，m；

td為支座溫度，k；

λ為短型熱電偶溫度傳感器的支座的導熱系數；

α為對流換熱系數。

短型熱電偶溫度傳感器安裝支座導熱修正系數h2為：

在穩態和忽略輻射誤差的情況下，假設短型熱電偶測溫部分、安裝支座部分、六方螺母導熱修正系數h1、h2、h3，然后將導熱修正系數綜合起來得到熱電偶部分導熱修正系數：h＝h1×h2×h3，則短型熱電偶溫度傳感器的導熱誤差：

σc＝h×(tg-td)

其中td為短型熱電偶測溫部分、安裝支座部分、六方螺母三個部位的平均溫度。

本發明裝置組成：

本發明短型熱電偶溫度傳感器穩態校準裝置主要包括穩定段1、收縮段2、試驗段3以及擴壓段4幾個部段組成，見圖1。穩定段1主要起到整流、穩流的作用，另外總溫度傳感器12及總壓力傳感器11也布置在穩定段中。收縮段2的主要作用是加速氣流，同時盡可能減小氣流分離，保證良好的氣流品質。其中試驗段3根據滿足導熱誤差研究的要求進行研制。

試驗段

試驗段3是專門設計用于進行導熱誤差試驗的部段，從圖2及圖5可以看出，試驗段3由試驗段本體與保溫材料39組成，其中試驗段本體包括試驗段內筒301、試驗段外筒302以及前后法蘭，組成雙層保溫結構，長1000mm，內筒內徑80mm，外筒外徑326mm，前后端分別通過法蘭連接在收縮段與擴壓段上。試驗段內筒301采用高溫合金鋼2520，試驗段外筒302以及兩端法蘭均采用不銹鋼304，內、外筒之間填充保溫材料39，通過使用保溫材料39對內筒面進行保溫，同時降低外筒面溫度。內外筒體通過螺栓連接到前后法蘭上成為一體，在試驗段的安裝過程中，可以將試驗段內筒301，包括內筒體外側的加熱體34以及保溫材料39固定完成后，一起裝入試驗段外筒302內，再通過緊固兩端的螺栓形成一個整體。在需要的時候也可以逐件拆開，方便維護。

試驗段上還設置被校短型熱電偶32的氣冷系統，從圖7可以看出，該氣冷系統包括冷卻器管路、氣冷安裝法蘭35及安裝在冷卻器管路上的調節閥門36，氣冷安裝法蘭包括法蘭體和冷卻夾層351，冷卻夾層351與冷卻器管路相通，冷卻器管路的一端為冷卻氣進口37，另一端為冷卻氣出口38，被校短型熱電偶32通過氣冷安裝法蘭35的法蘭體固定在試驗段上，冷卻夾層351位于被校短型熱電偶32的根部位置。被校溫度傳感器表面焊接若干只表面溫度傳感器，這些表面溫度傳感器的出線通過設計在氣冷法蘭上的壁溫出線接頭實現。

本發明采用了氣冷安裝法蘭35冷卻被校短型熱電偶32的根部。被校短型熱電偶32安裝在被校短型熱電偶安裝支座321上，被校短型熱電32的伸出長度，可以通過調節安裝支座的高低在一定范圍內進行調節。冷卻空氣從冷卻氣進口37進入，經過冷卻安裝法蘭35的冷卻夾層，在冷卻夾層內與被校短型熱電偶32進行熱量交換，從而達到冷卻傳感器根部的作用。

參考溫度傳感器

理論分析中參考溫度傳感器提供了溫度參考點相對準確的溫度基準，準確的參考溫度示值是保證系統測溫的重要前提，是提高系統測溫的穩定性的重要保證。

參考溫度傳感器31通過法蘭安裝在試驗段3的筒壁上且位于被校短型熱電偶32的對面，設計成位置可調的結構；并沿著傳感器的軸線方向，在參考溫度傳感器31的外表面刻制標尺，每次準備試驗的時候調節參考溫度傳感器31的位置，使之盡可能靠近被校短型熱電偶32，調節完成后通過可調式緊固座312固定參考溫度傳感器31的位置，在試驗過程中不進行位置調整。

從圖10可以看出，參考溫度傳感器31采用單屏蔽干燒的結構形式，該傳感器的突出特點是采用了“l”型結構，包括“l”型支撐桿311，熱電偶信號引線310及敏感元件，最大程度的增加了傳感器浸入流場的長度，進而可以有效地降低導熱誤差。為了減小輻射誤差，參考溫度傳感器31還包括設置在k型熱電偶315外的屏蔽罩314，屏蔽罩314上設置有進出氣口，在壁溫跟隨控制的基礎上可以進一步減小輻射誤差。此外，在實驗前首先對參考溫度傳感器開展恢復特性標定試驗，對參考傳感器進行速度誤差的修正。經過上述設計和處理，可用該參考溫度傳感器31的測量值作為氣流有效溫度tg。

該參考溫度傳感器還包括外殼，在外殼材料的選擇上，由于溫度不超過700℃，選擇不銹鋼為外殼材料；敏感元件采用k型熱電偶315，絲徑為ф0.5mm。為減小參考溫度傳感器31的導熱誤差，需保證偶絲316伸出絕緣瓷管的部分足夠長，即保持較大的長徑比。

根據理論計算的結果，偶絲伸出部分長度取8mm。偶絲316接點距屏蔽罩進氣口的距離取12mm。

屏蔽罩的材料選用不銹鋼材料。屏蔽罩314的進、出氣口面積比對參考溫度傳感器31的測溫誤差有較大影響。對于參考溫度傳感器31，由于氣流馬赫數較低，速度誤差較小，可主要考慮輻射誤差，所以進、出氣口面積比可取得小一些，本發明中按照1:1選取。

控溫系統

控溫系統用于控制壁面溫度跟隨主流溫度(即穩定段內總溫度傳感器所測溫度)，使得壁面溫度與主流溫度一致，消除輻射誤差影響。整套控溫系統主要包括壁溫傳感器33、控溫儀、加熱體34，控溫儀可以通過rs485與上位機通訊，控溫系統配套有上位機控溫軟件，可以實現溫度的遠程控制，如圖3所示。

從圖6可以看出，本發明加熱體34設置在試驗段內筒301的外壁，加熱的區域包含整個內筒，加熱體分為前、中、后三段，控溫也分為獨立的三段控制(見圖4)。加熱體34的加熱元件采用鎳鉻加熱絲，加熱絲布置在窄條瓷板中，瓷板可以起到絕緣的作用，若干穿有加熱絲的窄條瓷板可以排列在一起，可以形成可以彎曲的加熱板，將其裹在試驗段內筒的外壁。

采集設備與上位機通訊，采集壁溫傳感器溫度、總溫度傳感器、總壓力傳感器、被校短型熱電偶、參考溫度傳感器的信息，并將壁溫傳感器溫度信息反饋至控溫儀，控溫儀根據反饋信息分別通過調節不同加熱體功率控制試驗段內筒溫度。

由于本發明校準裝置是由三段控溫的方式進行溫度控制，采用壁溫傳感器對試驗段內筒前中后三段進行實時溫度控制，并可以通過溫控系統控制壁面溫度跟隨主流溫度變化，這樣可以有效避免由于內部換熱的差異引起的試驗段內筒前后溫度差異過大的問題。

壁溫傳感器

從圖8可以看出，本發明壁溫傳感器33采用k型鎧裝熱電偶作為感溫元件，測量端為裸露形式。鎧裝外殼通過螺紋333與試驗段3固定，如圖9。鎧裝熱電偶內部填充氧化物粉末作為絕緣材料，外部套不銹鋼金屬管作為保護管，既解決了敏感元件的絕緣問題，同時也加強了感溫元件本身的強度和安全性。

偶絲330伸出長度和螺紋333旋入長度應確保壁溫傳感器33受感部與試驗段3的內筒壁面緊密貼合。為保證受感部與內筒壁面貼合緊密，設計偶絲伸出長度為5mm，安裝孔螺紋底部距內筒壁面距離為4mm，當螺紋旋轉入位后，偶絲產生形變，緊貼內筒面。

該壁溫傳感器的溫度測量范圍為50～700℃，在外殼材料的選擇上，由于溫度不超過700℃，選擇不銹鋼為外殼材料。

壁溫傳感器位于試驗段內筒，溫度較高，設計直接焊接k型偶絲，套絕緣瓷管或絕緣瓷珠后將信號引出加熱層和保溫層，末端焊接熱電偶插頭，方便與其他設備連接。