離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置的製作方法
2023-05-25 20:52:11
專利名稱：離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置的製作方法
技術領域：
離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置
(一) 技術領域
本發明為測量離心噴嘴內髙頻脈動流量的一種新方法。主要應用於 液體火箭發動機噴嘴研製和試驗研究領域，也可以應用於環狀液膜厚度 動態測量及環狀液流脈動流量測量等領域。
(二) 背景技術
燃燒穩定性問題是液體火箭發動機研製過程中的關鍵，噴嘴作為液 體火箭發動機燃燒室內燃燒的組織者，其霧化摻混性能控制著燃燒完全 性。有關研究表明，噴嘴的動態特性對燃燒穩定性起著非常重要的作用。 所謂噴嘴動態特性，即噴嘴對壓力擾動產生反應而出現流量脈動對整個 工作過程的穩態參數平均值和動態特性影響。在火箭發動機研製過程中 燃燒室內出現1000Hz以下的中、高頻壓力脈動情況非常多，而在此脈動 影響下，噴嘴的流量也會產生相應頻率的脈動，如何測得相應頻率的噴 嘴流量脈動是整個噴嘴動態特性的實驗研究關鍵。
離心噴嘴是液體火箭發動機採用的非常廣泛的噴注單元結構型式， 其工作特點是噴嘴內液流旋轉，在噴嘴中心線附近會形成氣渦，液流的 流動形式為一旋轉的環形液膜，測此環形液流的中、高頻脈動流量是一 個世界性的技術難題。
高頻脈動流量的測量在工程上也一直是難以解決的問題，離心噴嘴 內液流為環形、噴嘴內部尺寸很小及避免傳感器影響液流等技術要求， 使得其脈動流量測量更加困難。本發明研究並實現了一種使用電導法測 量出液膜厚度脈動量從而評估出流量脈動量的方法。
(三) 實用新型內容 本發明的目的是提供一種離心噴嘴內髙頻脈動流量的測量裝置，它首
次提出用液膜厚度脈動來評估離心噴嘴內的流量脈動，其及工作特點及原理 說明如下
離心噴嘴結構及各流動參數如圖1所示，離心噴嘴的工作過程如下液
體通過切向通道進入噴嘴後產生高速旋轉，在離心力的作用下，液體會在旋 流室和噴口通道壁面附近形成旋轉的環形液膜，中心為空氣渦。在離心噴嘴
內部，液體具有自由內表面的旋流，液體漩渦表面波的傳播情況可用下列類
型的波動方程來描述
complex formula see original document page 4 (1)
公式應用於旋流腔處時取式中7 = &，應用於噴口處時取i -^。
表面波的傳播速度為.
complex formula see original document page 4、(2)
上式中的『J《"為液體表面上的離心加速度，而另一部分(及2-0/2^表 徵了液體漩渦的厚度。此表達式可與淺水波傳播方稱相類比，對於剛性壁面
限制的半無窮空間，方程(l)的解為complex formula see original document page 4 (3)
這裡Q表示液體表面波的振幅。對於具有自由內表面的軸對稱旋轉流動， 將運動方程線性化為液體表面波動與軸向速度的關係式complex formula see original document page 4 ，
對上式兩邊t進行積分得
complex formula see original document page 4
(5)
軸向速度的振幅為
complex formula see original document page 4(6)
從(5)式可以看出，噴嘴內液體軸向流速脈動與液體漩渦的表面脈動同相 位，且相對振幅相等。由流量的公式可得complex formula see original document page 5 (7)
由上式可見流量的瞬時值是以液膜厚度瞬時值為變量的單值函數，故完 全可以根據液膜厚度之值來表徵流量。
本發明基於離心噴嘴噴口內液體流速脈動與液體漩渦的表面脈動同 相位且相對振幅相等這一特性。這樣就可能根據噴嘴旋流室、噴口通道 內環形液體厚度的脈動來評估噴嘴旋流室、噴口通道內流量的脈動。
本發明在離心噴嘴旋流室或噴口內的兩個不同截面處安裝兩個環形 電極，導電液體由噴嘴切向通道進入旋流腔後將形成旋流，旋流腔及噴 口通道的中心位置出現空氣渦，噴嘴旋流室和噴口內形成一旋轉的環形 液膜。當通過噴嘴為液體來流脈動時，環形液膜的厚度會發生變化，兩 電極之間環形液膜厚度的變化將引起液體體積的變化，進而引起兩電極 間液膜電阻的變化，將電阻信號的變化送入經過後續電路處理後得到與 液膜厚度變化相關的電信號，隨後送入顯示儀表或計算機進行數據記錄。
綜上所述，本發明一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其技術
方案詳述如下
本發明一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，它是由測量用電極 塊與測量電路組成，電極塊的電極引線與測量電路的測量電橋連接後進
行脈動流量測量；
電極塊由環狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環中與電極封裝
殼體構成一個整體，然後通過電極引線接頭引出；該封裝好的電極塊與同口 徑的離心噴嘴相連接，封裝電極塊的電極引線與測量電路相連接，經過電路 處理完的信號接入顯示儀表和計算機進行記錄；
測量電路是基於鎖栢放大原理構成的，其結構組成及連接方式是激 勵電路同時為測量電橋與移相器提供給信號，測量電橋的輸出信號經過小信 號放大後接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器 的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)後接入放大電路， 然後再經過低通濾波器(二)後接入模數轉換電路，最後經過單片機和RS232 接口輸出。單片機可對信號放大的倍數進行控制；該測量電路的激勵電路可
提供較為穩定、幅值頻率可調的正弦波。激勵信號經過測試電橋後變為攜帶
液膜厚度變化信息的調幅信號經過初級放大後進入後續的相敏檢波器。相敏 檢波器是鎖相放大的核心元件，鎖相放大能有效地抑制噪聲對微弱信號的測 量有著良好的效果。經過低通濾波器濾除噪聲後，信號進入放大電路進行放 大，放大電路的增益控制電阻為數字電位計，因此單片機可以通過控制數字 電位計來調節放大器的放大倍數。信號再經過濾波處理、模數轉換後可即可 輸出。
其中，該離心噴嘴與電極塊相連接，電極塊內部封裝有兩個相距一定距 離的多孔鈦電極，測量電極間液膜電阻變化，得到液膜厚度變化進而得到旋 流腔或噴口內液體脈動流量。
其中，電極塊中的多孔鈦電極為環狀多孔鈦材料製成。由於多孔材料的 吸水性增加導電液體和電極接觸面積，提高測量的靈敏度。且鈦金屬性能優 良，導電性好，耐腐蝕，價格適中，且能滿足強度、可靠性等方面的要 求。金屬顆粒間的孔隙能增大被測液體與電極的有效接觸面積，因此可 以解決測量信號微弱的問題。
其中，該多孔鈦電極為環形結構，內徑和噴口內徑相同，多孔鈦電極通 過過盈配合套一銅環，用於密封和聯接接線柱，然後通過電極引線接頭引出。
其中，兩多孔鈦電極間的間距應滿足遠小於旋流室或噴口通道內的液膜 表面波的波長，但應大於旋流室或噴口通道內的液膜厚度。根據經驗液膜厚
度與噴口內液膜表面波的波長會相差兩個數量級，例如幾何特性j-2、噴嘴
壓降Ap-0.6MPa、脈動頻率為/ = 1000他且液體為水時，在噴嘴通道內的波長為 40.5mm,而噴嘴的液膜厚度為0.2~0.6mm,因而這一要求是能夠滿足的。
本發明一種測量離心噴嘴內高頻脈動流量的裝置，其優點和所達到 的功效是它能夠很好的解決離心噴嘴內部高頻脈動流量的測量，從而解 決了液體火箭發動機噴注器動力學研究的難點。同時此裝置也可以應用 於環狀液膜厚度測量動態測量及環狀液流脈動流量測量等領域。結構簡 單、靈敏度高、造價低、測量效果好。
圖1離心噴嘴結構及各流動參數示意圖2測董裝置示意圖3 (a)電極形式示意圖3 (b)兩電極封裝後示意圖4測量裝置連接示意圖5測量電路框圖6文氏電橋振蕩器電路結構圖7移相器電路結構圖8相敏檢波器電路結構圖9低通濾波電路結構圖中標號說明如下
《 - 液體濂渦厚度振動量的瞬時值 -液體漩渦表面的半徑
& -旋流腔半徑& -液體旋流半徑 ^ -噴嘴半徑 z -沿旋渦長度的坐標 必-沿旋渦長度的增量 W -液體由切向通道進入旋流腔時的速度 『。 - 液體軸向流速 『a -液體周向流速 & -液流總速 l-切向邇道 2-噴嘴旋流腔 3-噴嘴噴口 4-離心噴嘴 5-多孔鈦電極 6-紫銅環
7-電極封裝殼體 8-電極引線接頭 9-電極引線 IO-測量電路 11-顯示儀表12-計算機 13-電極塊
具體實施方式
本發明一種測量離心噴嘴內高頻脈動流量的裝置。其組成如圖2所 示，由測i用電極塊13與測量電路IO組成，電極塊13的電極引線9與 測量電路10的測量電橋連接後進行脈動流量測量，如圖4所示。
其中，該電極塊13的結構形式如圖3 (a)、 (b)所示，環狀多孔鈦 電極5通過過盈配合鑲嵌入紫銅環6中，圖3 (b)所示為電極塊13示 意圖，兩個環狀多孔鈥電極5均通過過盈配合鑲嵌入紫銅環6後，按照 一定間距(在本實施例中取與環狀多孔鈦電極5內徑的半徑相同)與電
極封裝殼體7構成一個整體，然後通過電極引線接頭8引出後。將封裝好的 電極塊13與同口徑的離心噴嘴4相連接，電極引線9與測量電路10相連接，
經過電路處理完的信號接入顯示儀表11和計算機12進行記錄。
測量電路10的結構及連接方式如圖(5)所示，激勵電路同時為測量電
橋與移相器提供激勵信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大後接入相敏 檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相 敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)後接入放大電路，然後再經過低通濾 波器(二)後接入模數轉換電路，最後經過單片機和RS232接口輸出。單片機可 對信號放大的倍數進行控制。對測量電路10中的主要電路進一步說明如下
1) 激勵電路如圖6所示
由於測量水電阻的過程實際上是一個電化學過程，為了防止電極極 化應釆用交流激勵。激勵信號的頻率至少要高出液膜波動頻率一個數量 級。激勵電路以運算放大器OP07CP為核心構成，具體的電路結構如圖6所 示，運算放大器OP07CP的第7腳與正電源相接，運算放大器OP07CP的第4 腳與負電源相接，運算放大器的第2腳分別與電阻^、可調電阻&相連，電 阻&的另 一端接電源地，可調電阻&的另 一端與電阻i 及二極體A 、 二極體A 相連，電阻i 及二極體A、二極體A的另一端與運算放大器的第6腳及電阻A 相連，電阻^的另一端與電容q相連，電容q與運算放大器的第3腳及電阻i ,、
電容C,相連，電阻/f,、電容C,的另一端接電源地。
一般取A-^-i 、 (71=&=0由電路的關係式/ = :^可得，可通過調節
圖中的電阻^與A的阻值來調整激勵電路的輸出頻率以達到適用的要求。激 勵信號的輸出同時接入測量電橋和移相電路。
2) 測量電橋
測量電橋的四個橋臂中三個為定值電阻，另一個橋臂由環狀多孔鈦電極 及電極引線構成。電橋信號經過放大後進入相敏檢測器的信號通道。
3) 移相電路如圖7所示為了保證相敏檢波器正常工作，必須保證提供給相敏檢波器的參考信號
與輸入信號的載波同頻率、同相位。符合上述條件的參考信號是通過0-180° 移相器對正弦信號進行移相得到的。
具體的電路結構如圖7所示。
移相器以運算放大器OP07CP為核心，電阻/^與可調電阻《的一端相連 接並接信號輸入，可調《的另一端與運算放大器的第2腳相連並與電容C,相 連接，電容C,的另一端與電源地相連。電阻i^的另一端與運算放大器第3腳 及電阻42相連，電阻&2的另一端與運算放大器的第6腳相連，運算放大器的 第7腳與正電源相接，運算放大器的第4腳與負電源相接。移相電路的輸出 信號經過放大後進入相敏檢測器的參考通道。
4)相敏檢測器如圖'8所示
相敏檢波器由集成電路AD630構成，其電路結構如圖8所示，信號通道 接入放大後的電橋信號，參考通道與移相器相連接。
5 )低通濾波器(一 )、(二 )如圖9所示
低通濾波器(一)與低通濾波器(二)均釆用此結構，以4階有源濾波 器晶片MAX275為核心，具體的電路結構如圖9所示。晶片分為A與B兩部 分，每部分均為二階有源濾波器，將兩部分串聯使用，其截止頻率為
權利要求1、一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其特徵在於它是由測量用電極塊與測量電路組成，電極塊的電極引線與測量電路的測量電橋連接後進行脈動流量測量；電極塊由環狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環中與電極封裝殼體構成一個整體，然後通過電極引線接頭引出；該電極塊與同口徑的離心噴嘴相連接，電極塊的電極引線與測量電路相連接，經過電路處理完的信號接入顯示儀表和計算機；測量電路的結構組成及其連接方式是激勵電路同時為測量電橋與移相器提供給信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大後接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)後接入放大電路，然後再經過低通濾波器(二)後接入模數轉換電路，最後經過單片機和RS232接口輸出。
2、 根據權利要求l所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置， 其特徵在於該離心噴嘴與電極塊相連接，電極塊內部封裝有兩個相距預定 距離並由環狀多孔鈦材料製成的的多孔鈦電極。
3、 根據權利要求1或2所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝 置，其特徵在於該多孔鈦電極為環形結構，內徑和噴口內徑相同，多孔鈦 電極通過過盈配合套一銅環，用於密封和聯接接線柱。
4、 根據權利要求l或2所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝 置，其特徵在於該兩個多孔鈦電極間的間距應滿足遠小於旋流室或噴口通 道內的液膜表面波的波長，但應大於旋流室或噴口通道內的液膜厚度。
專利摘要一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，是由電極塊與測量電路組成，電極塊由兩個環狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環中並與電極封裝殼體構成一個整體，然後通過電極引線接頭引出；測量電路是基於鎖相放大原理構成的，激勵電路同時為測量電橋與移相器提供給信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大後接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)後接入放大電路，再經過低通濾波器(二)後接入模數轉換電路，最後經過單片機和RS232接口輸出。電極塊與同口徑的離心噴嘴相連接，電極塊的電極引線與測量電路相連接，經過電路處理完的信號接入顯示儀表和計算機進行記錄。
文檔編號G01F1/56GK201072348SQ200720169428
公開日2008年6月11日 申請日期2007年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者楊立軍, 王向東, 範文宏 申請人:北京航空航天大學