[0001] 本发明涉及一种火箭发动机配件，具体涉及一种涡轮泵隔离腔换热系数测试装置及热状态分析方法。

[0002] 泵压式液体火箭发动机的启动原理是利用涡轮泵将贮箱内的推进剂通过管路输送至推力室，从而实现启动。涡轮泵是涡轮和推进剂泵的组合装置。氧化剂泵和燃料泵由涡轮驱动，涡轮与泵同轴或通过齿轮传动。在液氧煤油发动机中，氧化剂泵工质为液氧，其为低温推进剂；燃料泵工质为煤油，其为常温推进剂。在氧化剂泵与燃料泵之间存在一个隔离腔，隔离腔的作用有两个：一是将常温的燃料泵和低温的氧化剂泵隔开，二是涡轮泵的密封件多存在微量的推进剂泄露，存在隔离腔后可使用吹除气源进行吹除，从而避免两种推进剂积聚后对泵性能产生不良影响。

[0003] 隔离腔内的换热系数是分析涡轮泵隔离腔传热状态的重要边界条件。由于涡轮泵结构较为复杂，涉及到的零件、材料较多，边界条件复杂，且考虑到涡轮泵内部有旋转件、内腔压力较高等问题，因而难以通过试验的方法获得轴承腔的内部结构热状态，可通过仿真分析的方法获得内部结构热状态，基于涡轮泵的结构限制，隔离腔通常为圆环状结构，吹除气源通常为氮气，也有使用氦气等其他气体吹除的情况。吹除气从隔离腔环形的圆周面上的开孔进入，并从间隔一定角度位置的开孔流出，吹除气进入隔离腔后在腔内流线较为杂乱，难以通过理论估计的方法获得符合实际的边界条件，而在发动机试车过程中，隔离腔吹除过程的分析关系着发动机实际服役时携带氮气瓶容量的大小，精准地估计吹除状态和需要的吹除气量，对火箭发动机精简结构、提高推重比有重要作用。

[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。

[0040] 一种涡轮泵隔离腔换热系数测试装置，参见图1～图3；包括依次同轴连接的燃料腔模拟件2、隔离腔模拟件4和氧化剂腔模拟件8；

[0041] 所述燃料腔模拟件2为第一圆环腔，氧化剂腔模拟件8为第三圆环腔；隔离腔模拟件4包括中空的圆台和第二圆环腔，圆台的大端与第二圆环腔的一端连接，圆台的小端与第一圆环腔的一端连接，第二圆环腔的另一端与第三圆环腔的一端连接；第一圆环腔的另一端设置有第一圆环板，第三圆环腔的另一端设置有第三圆环板；第一圆环腔和圆台之间、第二圆环腔和第三圆环腔之间均设置有隔离圆环板；第一圆环板、第三圆环板、隔离圆环板、第一圆环腔、第二圆环腔、第三圆环腔、圆台的内径相等；第一圆环板上设置有燃料入口管1和燃料出口管10；第三圆环板上设置有氧化剂入口管9和氧化剂出口管10；第二圆环腔和圆台的侧壁上分别圆周均布有四个接头3，其中四个接头3设置在圆台侧壁上，四个接头5设置在第二圆环腔侧壁上，用于模拟吹除时通入氮气、氮气流出的接头3为管接头，用于测量温度和压力数据信息的接头3为航空插头。

[0042] 为了便于组装和拆卸隔离腔模拟件4，第二圆环腔和第三圆环腔通过连接法兰6连接；同时，为了增强密封性能，两个连接法兰6之间设置有密封圈5。

[0043] 在本实施例中，燃料入口管1和氧化剂入口管9内均设置有温度传感器和压力传感器；燃料出口管10氧化剂出口管10内均设置有温度传感器。温度传感器均为热电偶。

[0044] 燃料入口管1和燃料出口管10关于第一圆环板的径向对称设置，氧化剂入口管9和氧化剂出口管10关于第三圆环板的径向对称设置。如此设置可以便于氧化剂和燃料的进出。由于氧化剂一般为液氧，是低温介质，在进行试验时一般需要进行包覆以减少漏热，故氧化剂入口管9、氧化剂出口管10和氧化剂腔模拟件8的外壁均包覆有隔热材料，隔热材料包括高硅氧玻璃纤维布、凯夫拉布和硅橡胶布中的一种或多种。

[0045] 隔离腔热状态的计算目的是在液体火箭发动机试车或发射前，为保障液氧的低温不会传递到煤油泵腔(即燃料腔)，造成煤油泵腔轴承、密封圈等其余密封件的低温损坏，对涡轮泵的预冷、吹除等环节的确认。对此，本实施例还提供了一种涡轮泵隔离腔热状态分析方法，采用上述的一种涡轮泵隔离腔换热系数测试装置，包括以下步骤：

[0046] 步骤1、将涡轮泵隔离腔换热系数测试装置安装至预设位置；

[0047] 步骤2、开始从氧化剂入口管9对氧化剂腔模拟件8充填氧化剂，当氧化剂腔模拟件8内充填满后，氧化剂自动从氧化剂出口管10流出，同时监测氧化剂入口管9的温度T1和压力P1以及氧化剂出口管10的温度T2，直至达到预设值(例如T2＜‑153℃)，保持该状态t1≥
3min；

[0048] 步骤3、开始从燃料入口管1对燃料腔模拟件2充填燃料剂，当燃料腔模拟件2内充填满后，燃料剂自动从燃料出口管10流出，同时监测燃料入口管1的温度T3和压力P2以及燃料出口管10的温度T4，直至T4达到预设值，保持该状态t2≥3min；

[0049] 步骤4、开始从两个接头3对隔离腔模拟件4通入吹除气，当隔离腔模拟件4内充填满后，吹除气自动从另一个接头3流出，同时监测通入吹除气的接头3的温度T5和压力P3，以及隔离腔模拟件4外壁面温度T6、内壁面温度T7、内部空间的温度T8、内部空间的压力P4，直至T6、T7、T8和P4均达到预设的稳态范围内，保持该状态t3≥3min，然后记录此时的T6、T7、T8和P4的值；

[0050] 步骤5、改变吹除气的温度和压力，然后返回步骤4，获得并记录另一个预设的稳态范围内T6、T7、T8和P4的值，直至获得N个预设的稳态范围内T5和P3与T6、T7、T8和P4的对应值，整理后得到隔离腔内表面不同温度下的流量‑换热系数表格，即q‑h表格；

[0051] 步骤6、采用TMG、ANSYS THERMAL或其他传热软件建立实际涡轮泵的传热模型，传热模型包括氧化剂腔、隔离腔和燃料腔，在传热模型上设置若干个温度检查点位，并为每一个温度检查点位设置实际许用温度范围；在传热软件中需要设置对应材料属性，接触关系属性，将煤油泵腔轴承、密封圈等其余密封件或其他重点关注零件设置为主要温度检查点位；

[0052] 步骤7、根据步骤5获得的q‑h表格，设置传热模型的边界条件；

[0053] 步骤7.1、步骤7.1、将氧化剂腔的内表面按照预冷过程中氧化剂的流量设置为对流换热条件或恒温条件，氧化剂腔的外表面设置为绝热条件；

[0054] 步骤7.2、将燃料腔的内表面按照燃料流量设置为对流换热条件或恒温条件，燃料腔内表面换热系数h4根据D‑B公式计算，燃料腔内表面换热温度Th4为燃料温度；燃料腔的外表面设置为自然对流换热条件，燃料腔外表面换热系数h1按照自然对流换热公式估算，燃料腔外表面换热温度Th1为试验时的环境温度；

[0055] 步骤7.3、将隔离腔的内表面设置为对流换热条件，隔离腔内表面换热系数h2根据步骤5获得的q‑h表格设置，隔离腔内表面换热温度Th2根据吹除腔吹除气的温度设置；隔离腔的外表面设置为自然对流换热条件，隔离腔外表面换热系数h3按照自然对流换热公式估算，隔离腔外表面换热温度Th3为试验时的环境温度；

[0056] 步骤8、根据传热模型的边界条件，若涡轮泵的预冷和排放条件均不随时间变化，则采用稳态分析的方法获得涡轮泵传热模型的热状态；若涡轮泵的预冷和排放条件中存在至少一个条件随时间变化，则采用瞬态分析的方法获得涡轮泵传热模型的热状态；

[0057] 步骤9、根据涡轮泵传热模型的热状态，判断每个温度检查点位的温度是否在实际许用温度范围内，若每个温度检查点位的温度均在其对应的实际许用温度范围内，则该传热模型的边界条件满足要求，完成涡轮泵隔离腔的热状态分析；若存在至少一个温度检查点位的温度不在其对应的实际许用温度范围内，则返回步骤7修改传热模型的边界条件，修改方式为：若不满足条件的温度检查点位在隔离腔内，则在q‑h表格中重新选取一组与已选取q‑h值均不相同的q‑h值；若不满足条件的温度检查点位在燃料腔内，则调整燃料腔内表面换热系数h4和燃料腔内表面换热温度Th4。

[0058] 本实施例可较为便捷地测试换热系数，并模拟涡轮泵隔离腔的实际工况，为涡轮泵隔离腔的热状态分析提供基础。