一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的製作方法

2023-10-25 10:56:22 1

專利名稱：一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及發動機試驗領域，具體為一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置。
背景技術：
在固體火箭發動機中，為了提高固體推進劑的能量，一般會在推進劑中加入一些 燃燒熱值較高的金屬燃料作為基本組元之一，例如鋁粉和硼粉等。對於這種含金屬的複合 推進劑，由於推進劑的燃燒溫度高於金屬燃燒產物的熔點，但又低於金屬燃燒產物的沸點， 因此產生的金屬燃燒產物在燃氣中呈熔融狀態，即凝相。凝相顆粒在隨高溫燃氣的流動過 程中會發生碰撞，碰撞後的顆粒直徑等參數會發生變化，顆粒參數的變化會對發動機的工 作特性帶來較大的影響例如，固體火箭發動機中凝相顆粒粒徑的變化可能會引起發動機 內的燃燒不穩定。再如，發動機載體在大機動飛行過程中，由於受到過載作用，凝相顆粒運 動軌跡會發生變化，在發動機內部高度聚集，熔融態顆粒由於碰撞聚合作用形成粒徑更大 的粒子，高溫凝相大粒子會加劇發動機內絕熱層的燒蝕，嚴重時會導致發動機爆炸。影響固體火箭發動機中凝相顆粒碰撞的主要因素為顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃 度。目前，對固體火箭發動機內凝相顆粒碰撞的規律還缺乏認識，其中一個重要的原因就是 缺乏有效的試驗方法。現有的試驗方法主要有水銀液滴模擬法和單收縮管聚集法。水銀液 滴模擬法認為水銀液滴的表面張力係數和固體火箭發動機中典型凝相顆粒三氧化二鋁液 滴的表面張力係數接近，利用常溫常壓下水銀液滴的碰撞規律來模擬固體火箭發動機中三 氧化二鋁液滴的碰撞規律。這種方法不能模擬固體火箭發動機中三氧化二鋁液滴碰撞的高 溫高壓環境，且三氧化二鋁液滴的碰撞規律還受其他因素的影響，不能簡單地由水銀液滴 碰撞規律來描述。單收縮管聚集法採用一個擁有收縮通道的縮比發動機來模擬固體火箭發 動機中顆粒的聚集狀態，通過改變收縮通道的角度和面積來改變粒子速度和粒子濃度，對 比收縮通道入口和出口粒子直徑分布，來研究不同的聚集狀態對粒徑變化的影響。這種方 法不能研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等單一因素對粒子碰撞的影響，不能揭示凝相 顆粒碰撞規律。

發明內容
要解決的技術問題為了研究固體火箭發動機中凝相顆粒碰撞規律，迫切需要建立一種既能夠模擬固 體火箭發動機中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環境，且能夠單一地研究顆粒速度、碰撞角度和 顆粒濃度等三個碰撞影響因素對凝相顆粒碰撞規律的影響的試驗裝置。技術方案由於顆粒碰撞後最直接的表現為粒徑的變化，測出碰撞前後的顆粒粒徑，有利於 研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等三個碰撞影響因素對凝相顆粒碰撞規律的影響。為 此，本發明提出了一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其技術方案為所述一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於包括試驗段組件和顆粒發生器；試驗段組件包括試驗殼體和通氣接頭；試驗殼體為空心柱狀結構，一端端面上 伸出有空心連接段，用於安裝顆粒發生器，在試驗殼體側壁上也伸出有兩段空心連接段，用 於安裝顆粒發生器，試驗殼體另一端與底蓋密封固連，在試驗殼體上安裝有通氣接頭，通氣 接頭與外部高壓氣源連接，在試驗殼體側壁上還開有點火孔；顆粒發生器包括燃燒室、封 頭、推進劑和速度調節件；燃燒室為空心柱狀結構，並在一端有周向的凸起；封頭為一端帶 有連接盤的柱狀結構，封頭插入燃燒室內，且封頭與燃燒室內壁間存在間隙，封頭端頭的連 接盤與燃燒室埠接觸；封頭插入燃燒室的一端端面上固定有推進劑；速度調節件一端為 圓柱段，與燃燒室一端固定連接，速度調節件另一端為錐形出口段；顆粒發生器安裝在試驗 殼體的空心連接段內，封頭通過一端的連接盤與空心連接段固定連接，並與空心連接段配 合，通過燃燒室一端周向的凸起將燃燒室固定在空心連接段內，燃燒室外壁與空心連接段 內壁緊密接觸；在推進劑上附有點火包，導線將點火包與外部點火器連接；在底蓋上開有 排氣孔，排氣孔中密封安裝有排氣接頭，排氣接頭外端依次與排氣閥和水箱連接。所述一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的優選方案，其特徵在於試驗殼體 側壁的兩段空心連接段的中心軸線相交。所述一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的優選方案，其特徵在於在試驗殼 體側壁上開有觀察孔，觀察孔中密封安裝有觀察窗。所述一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的優選方案，其特徵在於在封頭一 端的連接盤上安裝有測壓座，測壓座上安裝壓力傳感器測量試驗裝置內部的壓強。所述一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的優選方案，其特徵在於在試驗殼 體內盛有少量的水用於收集顆粒。所述一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置的優選方案，其特徵在於排氣接頭 內端套有顆粒擋帽。有益效果採用本發明能夠模擬實際發動機中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環境，同時能夠在保 持其他參數不變的情況下實現顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等參數可調，能夠研究顆粒 速度、碰撞角度和顆粒濃度等單一參數對碰撞前後顆粒粒徑變化的影響。


圖1本發明的結構示意圖；圖2本發明的結構示意圖(測試顆粒碰撞)；圖3試驗殼體的結構示意圖；圖4顆粒擋帽的結構示意圖；圖5顆粒發生器的結構示意圖；圖6排氣接頭的結構示意圖；圖7顆粒粒度分布結果圖；其中:1、試驗段組件；2、顆粒發生器；3、試驗殼體；4、通氣接頭；5、底蓋；6、透明觀察窗；7、排氣接頭；8、氣動球閥；9、水箱；10、顆粒擋帽；11、封頭；12、燃燒室；13、推進 劑；14、速度調節件；
具體實施例方式下面結合具體實施例描述本發明實施例本實施例為利用本發明提出的試驗裝置進行凝相顆粒碰撞試驗，可以單一地研究 顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等三個碰撞影響因素對凝相顆粒碰撞規律的影響。參照附圖1和附圖2，本實施例中，採用的試驗裝置包括試驗段組件1和顆粒發生器2。 參照附圖3，試驗段組件1包括有試驗殼體3和通氣接頭4，試驗殼體3為空心圓 柱結構，其一端為開口，另一端端面上伸出有空心圓柱型連接段，空心圓柱型連接段端部有 連接法蘭，用於與顆粒發生器2固定相連，在試驗殼體3的這一端端面上還裝有通氣接頭4， 通氣接頭4與外部高壓氣源連接，用於在試驗前向試驗裝置內充入高壓氣體，模擬實際發 動機中顆粒碰撞的高壓環境；在試驗殼體3的側壁上也伸出有兩段空心圓柱型連接段，這 兩段空心圓柱型連接段的中心軸線相交，且通過選取不同的中心軸線間夾角α可以研究 不同碰撞角度對凝相顆粒碰撞規律的影響；試驗殼體3開口一端與底蓋5螺栓固定連接，並 在縫隙處採用0型圈密封，實現試驗殼體3下端的密封，在試驗殼體3盛有少量的水，用於 收集凝相顆粒。在試驗殼體3的側壁上還開有點火孔和觀察孔，觀察孔處固定有透明觀察 窗6，用於觀察顆粒碰撞的過程，透明觀察窗6由觀察窗基座、石英玻璃和固定端蓋組成，觀 察窗基座焊接固定在觀察孔內，採用固定端蓋將石英玻璃固定在觀察窗基座內，在透明觀 察窗6與觀察孔的縫隙處採用0型圈密封，保證試驗殼體3的密封。點火孔處固定有點火 座。在底蓋5上開有排氣孔，排氣接頭7通過螺母固定在排氣孔內，排氣接頭7與底蓋5之 間的縫隙處採用0型圈密封，保證試驗殼體3的密封，排氣接頭7外端通過不鏽鋼管路依次 連接有氣動球閥8和水箱9 ；參照附圖4和附圖6在排氣接頭7的內端套有顆粒擋帽10，顆 粒擋帽10周向開有氣流孔，可以讓氣流進入排氣接頭7，但能夠阻止多數凝相顆粒進入排 氣接頭7。參照附圖4，顆粒發生器2包括燃燒室12、封頭11、推進劑13和速度調節件14。燃 燒室12為空心圓柱結構，一端有周向的凸起，用於與試驗殼體3上的空心圓柱型連接段固 定，燃燒室12另一端有外螺紋，用於與速度調節件14連接。封頭11主體為圓柱結構，圓柱 直徑小於燃燒室12內徑，封頭11 一端為連接法蘭結構，用於與試驗殼體3上的空心圓柱型 連接段螺栓固定連接，並且在該端端面上開有測壓孔，在測壓孔安裝有測壓座，測壓座上安 裝壓力傳感器與外部測壓系統相連，用於測量試驗裝置內部的壓強。封頭11插入燃燒室12 內，燃燒室12端部的周向凸起與封頭11的連接法蘭緊密接觸，封頭11另一端端面上粘接 有推進劑13。速度調節件14 一端為帶有內螺紋的空心圓柱段，用於燃燒室12外螺紋段固 定連接，速度調節件14另一端為空心圓錐段，通過選擇不同的圓錐出口面積，可以改變凝 相顆粒的顆粒速度，能夠研究不同顆粒速度對凝相顆粒碰撞規律的影響。在推進劑13上還 附有點火包，點火包內為黑火藥和點火頭，採用導線穿過速度調節件14和點火座將點火頭 與外部點火器相連。通過採用不同的推進劑13或改變推進劑含鋁量，可以改變顆粒濃度， 從而能夠研究不同顆粒濃度對凝相顆粒碰撞規律的影響。根據試驗需要，可以將顆粒發生器2安裝在任意一個或多個空心圓柱型連接段 內，安裝時，將封頭11與試驗殼體3的空心圓柱型連接段法蘭連接，並與燃燒室12—端的周向凸起配合，將周向凸起卡在封頭11與空心圓柱型連接段之間，將燃燒室12固定，並且 燃燒室12外壁空心圓柱型連接段內壁緊密接觸。本實施例整個裝置中的金屬材料均採用不鏽鋼材料。本實施例採用的推進劑為HTPB推進劑，含鋁量為17%，裝藥為圓柱形端面燃燒裝 藥，圓柱面和一個端麵包覆，另一端面燃燒，裝藥直徑為Φ50πιπι。設計工作壓強為5MPa，採 用外部高壓氮氣源提供高壓氣體，速度調節件14出口直徑為ΦΙΟπιπι。在試驗前，首先由外 部高壓氮氣源通過通氣接頭4向試驗裝置內通入高壓氣體，試驗裝置內部達到工作壓強後 關閉外部高壓氮氣源，隨後點火器點燃推進劑14，並打開氣動球閥8，保證試驗裝置內的壓 力平穩，點火結束後，關閉氣動球閥8，15分鐘後重新打開氣動球閥8排除氣體，氣體排盡 後，向試驗裝置內注入水，收集顆粒。本實施例中共進行了兩種試驗工況，一種工況如附圖1，為未碰撞的凝相顆粒收集 試驗，另一種工況如附圖2，為碰撞後的凝相顆粒收集試驗，其中碰撞角度α為90度。根據 推進劑性能參數及計算構型，可以由FLUENT軟體中的離散相模型可以計算得到本實施例 速度調節件14出口顆粒濃度為2. Okg/m3，顆粒速度為57. 2m/s。試驗後，採用MastersizerfOOO雷射粒度分析儀對收集到的粒子進行粒徑測量， 兩次實試驗測量的粒度分布結果如附圖7所示。由附圖7可知，碰撞後大於10 μ m的顆粒 減少，且粒徑變小，小於10 μ m的顆粒增多；顆粒粒徑整體減小，說明在此試驗條件下凝相 顆粒碰撞前後顆粒粒徑發生了較大變化，結果表明本試驗方法達到了預期的效果。
權利要求
1.一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於包括試驗段組件和顆粒發生 器；試驗段組件包括試驗殼體和通氣接頭；試驗殼體為空心柱狀結構，一端端面上伸出有 空心連接段，用於安裝顆粒發生器，在試驗殼體側壁上也伸出有兩段空心連接段，用於安裝 顆粒發生器，試驗殼體另一端與底蓋密封固連，在試驗殼體上安裝有通氣接頭，通氣接頭與 外部高壓氣源連接，在試驗殼體側壁上還開有點火孔；顆粒發生器包括燃燒室、封頭、推進 劑和速度調節件；燃燒室為空心柱狀結構，並在一端有周向的凸起；封頭為一端帶有連接 盤的柱狀結構，封頭插入燃燒室內，且封頭與燃燒室內壁間存在間隙，封頭端頭的連接盤 與燃燒室埠接觸；封頭插入燃燒室的一端端面上固定有推進劑；速度調節件一端為圓柱 段，與燃燒室一端固定連接，速度調節件另一端為錐形出口段；顆粒發生器安裝在試驗殼體 的空心連接段內，封頭通過一端的連接盤與空心連接段固定連接，並與空心連接段配合，通 過燃燒室一端周向的凸起將燃燒室固定在空心連接段內，燃燒室外壁與空心連接段內壁緊 密接觸；在推進劑上附有點火包，導線將點火包與外部點火器連接；在底蓋上開有排氣孔， 排氣孔中密封安裝有排氣接頭，排氣接頭外端依次與排氣閥和水箱連接。
2.一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於試驗殼體側壁的兩段空心連 接段的中心軸線相交。
3.一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於在試驗殼體側壁上開有觀察 孔，觀察孔中密封安裝有觀察窗。
4.一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於在封頭一端的連接盤上安裝 有測壓座，測壓座上安裝壓力傳感器測量試驗裝置內部的壓強。
5.一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於在試驗殼體內盛有少量的水 用於收集顆粒。
6.一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，其特徵在於排氣接頭內端套有顆粒擋
全文摘要
本發明提出了一種研究凝相顆粒碰撞規律的試驗裝置，包括試驗段組件和顆粒發生器，通過選擇顆粒發生器的速度調節件出口面積、推進劑中的金屬含量以及多個顆粒發生器的夾角，能夠模擬實際發動機中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環境，同時能夠在保持其他參數不變的情況下實現顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等參數可調，能夠研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等單一參數對碰撞前後顆粒粒徑變化的影響。
文檔編號F02K9/96GK102052199SQ20111002320
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者何國強, 夏盛勇, 張勝敏, 胡春波 申請人:西北工業大學