CN114252268B - 有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置及试验方法，包括：液体供应路、气体供应路、头腔试验组件和高速摄影机，所述液体供应路和所述气体供应路在所述头腔试验组件之前汇合再与所述头腔试验组件连通，所述液体供应路能将不同流量的液体通过管路输入所述头腔试验组件内，所述气体供应路能将不同流量的气体通过管路输入所述头腔试验组件内，所述高速摄影机安装在所述头腔试验组件一侧，用于记录所述头腔试验组件的出流情况的图像及图像的拍摄时间，可以分析不同气液流量对燃气发生器头腔充填过程的影响。

Description

有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及发动机冷试技术领域，尤其涉及一种有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置及试验方法。

背景技术

现有的试验装置及试验方法通常不考虑发动机启动过程中的气体吹入，通向发动机及燃气发生器的管路只有推进剂供应管路，而开展发动机热试的装置中虽然有一些会考虑完整的发动机启动过程，但其结构中包括发动机壳体，不能很好地观察到气液两相共同作用下头腔的充填情况及喷注器的雾化情况。因此现有技术中缺少专门针对气体吹入对头腔充填的影响进行试验研究的试验装置。

现有试验装置通常都将头腔充填过程中的气体吹入环节忽略简化，但气体吹入的时序及流量控制却对发动机实际的启动过程有很大影响，有时甚至会导致启动失败或是启动过程中的工作不稳定。因此本试验装置提供了针对气体吹入对燃气发生器启动过程的影响进行分析的合理方案，实现了对有气体吹入的头腔充填过程的观察与研究。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本申请提供一种有气体吹入的燃气发生器头腔试验装置及试验方法。

为达上述目的，第一方面，本申请提供的一种有气体吹入的燃气发生器头腔试验装置，包括：液体供应路、气体供应路、头腔试验组件和高速摄影机，所述液体供应路和所述气体供应路在所述头腔试验组件之前汇合再与所述头腔试验组件连通，所述液体供应路能将不同流量的液体通过管路输入所述头腔试验组件内，所述气体供应路能将不同流量的气体通过管路输入所述头腔试验组件内，所述高速摄影机安装在所述头腔试验组件一侧，用于记录所述头腔试验组件的出流情况的图像及图像的拍摄时间。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述液体供应路包括液体贮箱、第一阀门、流量控制装置、第一压力计、文氏管、第二压力计和第一电磁阀，所述流量控制装置一端与所述液体贮箱连通，另一端与所述文氏管连通，所述流量控制装置与所述液体贮箱之间安装所述第一阀门，所述文氏管与所述流量控制装置之间安装所述第一压力计，所述文氏管与所述第一电磁阀之间安装所述第二压力计，所述第二压力计与所述头腔试验组件之间安装所述第一电磁阀。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述文氏管为先收缩后扩张的结构，所述文氏管的进出口直径与相连管道的管径大小一致。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述气体供应路包括气体罐、第二电磁阀、第三压力计和音速喷嘴，所述气体罐与所述音速喷嘴之间安装所述第二电磁阀和所述第三压力计，所述气体罐与所述音速喷嘴通过管路连通，所述音速喷嘴能与所述头腔试验组件连通，所述音速喷嘴为先收缩后扩张的结构。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述头腔试验组件包括头腔顶盖、喷注面板和离心式喷嘴，所述头腔顶盖与所述喷注面板连接形成密封腔体结构，所述喷注面板上设置多个所述离心式喷嘴，所述液体供应路和所述气体供应路能穿过所述头腔顶盖与所述头腔试验组件内部连通，所述离心式喷嘴能将所述头腔试验组件内部的气液两相喷出。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述头腔顶盖与所述喷注面板形成的密封腔体为扁平圆柱形结构。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述头腔顶盖与所述喷注面板通过螺栓连接，所述头腔顶盖顶面沿圆周方向均匀穿过数个螺栓，所述螺栓端部从所述喷注面板底面穿出，每个螺栓均配合连接平垫圈和螺母将所述头腔顶盖和所述喷注面板固定。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述头腔顶盖顶部密封焊接管路接口和压力传感器接口，所述管路接口与所述液体供应路和所述气体供应路的管道密封连接，所述压力传感器接口用于安装压力传感器监测所述头腔试验组件处的压强大小。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述喷注面板与所述头腔顶盖接触面密封安装第一密封圈，所述离心式喷嘴与所述喷注面板相接触的侧面密封安装第二密封圈。

第二方面，提供一种试验方法，该试验方法采用上述有气体吹入的燃气发生器头腔试验装置，所述试验方法包括：

先测量计算节流元件的流量系数，完成所述液体供应路和所述气体供应路元件的标定，采用水替代液体火箭发动机的燃料，所述气体供应路使用空气作为吹除气体，所述液体供应路和所述气体供应路在所述头腔试验组件之前汇合再通入所述头腔试验组件内，依次测量仅有气体、仅有液体及不同流量气液两相通入时的所述头腔试验组件的压强，冷试观察气液流动情况，并对所述头腔试验组件处液流情况进行高速摄影记录。

本发明的实施例具有如下优点：

相比现有技术，本发明提供的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置及试验方法不仅提供液体供应路还提供了气体供应路。通过液体供应路和气体供应路提供不同流量的气液两相工况，高速摄影机记录头腔试验组件的出流情况的图像及图像的拍摄时间。可以分析不同气液流量对燃气发生器头腔充填过程的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了有气体吹入的燃气发生器头腔试验装置的示意图；

图2示出了头腔试验组件的剖视图；

图3示出了头腔试验组件的仰视图；

图4示出了文氏管的局部剖视图；

图5示出了音速喷嘴的局部剖视图；

图6示出了试验方法的流程图。

主要元件符号说明：

100-液体供应路，101-液体贮箱，102-第一阀门，103-流量控制装置，104-第一压力计，105-文氏管，106-第一电磁阀，107-第二压力计，200-气体供应路，201-气体罐，202-音速喷嘴，203-第二电磁阀，204-第三压力计，300-头腔试验组件，301-头腔顶盖，302-喷注面板，303-离心式喷嘴，304-螺栓，305-平垫圈，306-螺母，307-第一密封圈，308-管路接口，309-压力传感器接口，310-第二密封圈，311-喷嘴盖，320-第四压力计，400-高速摄影机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

请参阅图1，一种有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，包括液体供应路100、气体供应路200、头腔试验组件300和高速摄影机400。液体供应路100和气体供应路200分别与头腔试验组件300相连通，液体供应路100能将液体通入头腔试验组件300中，气体供应路200能将气体通入头腔试验组件300中。高速摄影机400安装在头腔试验组件300一侧，用于记录整理头腔试验组件300的出流情况，并记录图像的拍摄时间。

在本实施例中，液体供应路100采用水替代液体火箭发动机的燃料，气体供应路200采用空气作为吹除气体，先通过气体供应路200向头腔试验组件300通入空气，用于将头腔试验组件300内的残留的气体吹除，通过高压可调气源提供。液体供应路100和气体供应路200在开始时通过对应的管路单独输送，在头腔试验组件300之前液体供应路100与气体供应路200汇合再通入到头腔试验组件300中。

请继续参阅图1，液体供应路100包括液体贮箱101、第一阀门102、流量控制装置103、第一压力计104、文氏管105、第二压力计107和第一电磁阀106。流量控制装置103一端与液体贮箱101连通，流量控制装置103另一端与文氏管105连通。流量控制装置103与液体贮箱101之间安装第一阀门102，文氏管105与流量控制装置103之间安装第一压力计104。文氏管105与第一电磁阀106之间安装第二压力计107，第二压力计107与头腔试验组件300之间安装第一电磁阀106。

在本实施例中，第一阀门102用于控制液体贮箱101中的液体通过流量控制装置103，打开第一阀门102后液体贮箱101中的液体能通过流量控制装置103流入文氏管105，同时通过第一压力计104能实时检测液体进入文氏管105前的液压大小。第一电磁阀106的能控制液体供应路100的液体通入头腔试验组件300内，第二压力计107用于测量从文氏管105流出的液体的压强大小。

如图4所示，文氏管105的结构为先收缩后扩张的结构，文氏管105的进出口直径分别与相连的进出口管径相同，以减小收缩与扩散带来的液体的能量损失。对于文氏管105入口收敛角的选择，如果入口收敛角过小，为了与相连的管径相匹配则会引起进口锥面长度过长，大大增加摩擦损失；如果入口收敛角过大会造成进口处发生较大的液流分离损失。因此将入口收敛角选定为37°，将液体与文氏管105内壁的摩擦损失以及液流损失尽可能的降低。对于出口段的扩散角，如果出口扩散角过小则摩擦损失增大，如果出口扩散角过大则会造成较大的漩涡损失，因此将出口扩散角选定为7°，将液体与文氏管105内壁的摩擦损失及液流旋涡损失尽可能的降低。

文氏管105的喉部直径则根据不同工况下的流量需要，利用液体流量方程计算得到。按照计算出的文氏管105的喉部直径进行设计。即可通过替换不同文氏管105的方式，实现控制液体流量稳定值的目的。当试验***中使用的文氏管105的喉部直径越大时，管路中液体流量的稳态值也就越大。

请继续参阅图1，气体供应路200包括气体罐201、第二电磁阀203、第三压力计204和音速喷嘴202。气体罐201与音速喷嘴202之间安装第二电磁阀203和第三压力计204，气体罐201能与音速喷嘴202相连通，音速喷嘴202能与头腔试验组件300连通。

在本实施例中，气体罐201内的空气可以通过第二电磁阀203控制是否通入音速喷嘴202，第三压力计204能检测从气体罐201排出的空气气压大小。在液体供应路100将液体通入头腔试验组件300之前，通过气体罐201向头腔试验组件300中通入吹除气体，形成气液两相流，在一定程度上可以控制推进剂进入燃气发生装置的时间，有助于燃气发生装置的平稳启动。另外通入气体可以提高头腔试验组件300内的压强，从而有效提高喷嘴压降，有助于改善推进剂的雾化效果。并且通入的气体可以有效地防止推进剂及燃气倒流，从而保护头腔试验组件300。

如图5所示，在本实施例中，音速喷嘴202的结构与文氏管105结构相似，都采用先收缩后扩张的结构设计，音速喷嘴202的入口收敛角选定37°，出口扩散角选定60°，中间水平段的长度为2mm，音速喷嘴202喉部孔径的大小同样由设计的气体流量值所确定。

请继续参阅图2和图3，头腔试验组件300包括头腔顶盖301、喷注面板302和离心式喷嘴303。头腔顶盖301和喷注面板302连接形成密封腔体结构，液体供应路100和气体供应路200汇合后能穿过头腔顶盖301与头腔试验组件300内部连通。喷注面板302上设置多个离心式喷嘴303，离心式喷嘴303内端与头腔试验组件300内部连通，通过液体供应路100和气体供应路200进入头腔试验组件300的气液两相能通过离心式喷嘴303喷出。

在本实施例中，由于在对燃气发生器的头腔试验组件300充填过程中加入气体吹除，相对于现有的试验装置，不仅能够保护头腔试验组件300，防止推进剂倒流，而且能够提高离心式喷嘴303压降，改善推进剂的雾化效果。另外通过气体供应路200通入气体能在一定程度上控制推进剂进入燃气发生器的时间，有助于燃气发生器平稳启动。

在本实施例中，头腔顶盖301与喷注面板302通过螺栓连接，头腔顶盖301顶面沿圆周方向均匀穿过数个螺栓304，螺栓304端部从喷注面板302底面穿出，每个螺栓304均通过平垫圈305和螺母306拧紧固定。头腔顶盖301与喷注面板302接触的底面安装第一密封圈307，当头腔顶盖301与喷注面板302通过螺栓304固定时，第一密封圈307能使头腔顶盖301与喷注面板302形成密封腔体结构，避免液体和气体进入头腔试验组件300内后发生泄露。头腔顶盖301与喷注面板302结合成扁平圆柱形结构，不仅能确保进入头腔试验组件300的气体和液体流动状态大致相同，而且能降低头腔顶盖301和喷注面板302的加工难度。

在本实施例中，头腔顶盖301顶部密封安装管路接口308和压力传感器接口309，管路接口308和压力传感器接口309均焊接在头腔顶盖301上。管路接口308与液体供应路100和气体供应路200汇合后的管道密封连接并连通。压力传感器接口309用于安装压力传感器监测头腔试验组件300内的压强大小。头腔试验组件300上安装第四压力计320，第四压力计320用于监测头腔试验组件300内的压强大小。

在本实施例中，离心式喷嘴303与喷注面板302螺纹可拆卸连接，便于将离心式喷嘴303从喷注面板302上取下。离心式喷嘴303与喷注面板302接触的侧面安装第二密封圈310，能够在一定程度上避免头腔试验组件300内部的气体和液体通过离心式喷嘴303与喷注面板302的连接夹缝中泄露出去。离心式喷嘴303位于头腔试验组件300内的端部焊接喷嘴盖311，离心式喷嘴303的数量为十三个，排列方式为同心圆式排布，其中最内层为一个，中间层为四个，最外层为八个，能够确保气体和液体通过离心式喷嘴303均匀的从喷注面板302底部喷出。

实施例二

请参阅图1至图6，本实施例提供一种试验方法，其应用于实施例一提供的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置。能观察到有气体吹入时燃气发生器头腔充填的效果，测量头腔试验组件300内的参数，观测实验现象及分析气体吹入对发生器的影响，验证其对启动稳定性的积极作用。

其中，试验方法包括：

S100：通过测量压力传感器和流量计的结果，计算节流元件的流量系数，完成文氏管105与音速喷嘴202的标定。

S101：采用水替代液体火箭发动机的燃料，由液体贮箱101供应；气体供应路200使用空气作为吹除气体，用高压可调气源提供。液路和气路管道在头腔试验组件300前汇合，再通入到头腔试验组件300中。

S102：依次测量仅有气体、仅有液体及不同流量气液两相流入头腔试验组件300时的压强，冷试观察气液流动情况，并对离心式喷嘴303的液流情况通过高速摄影机400进行记录。

S103：在燃气发生器的启动工况下，液体流量通常较小，因此可取液体流量为0、450、500、550、600g/s，气体流量取0、35、55、75、90g/s，其中气、液流量为0的情况为只通入气体或液体，试验一共包括24种工况。

在本实施例中，通过有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，可以观察气体吹入对燃气发生器头腔充填过程的实际影响，并且通过文氏管105和音速喷嘴202的流量控制，可以分析不同气液流量对该过程的影响，并为发动机的优化设计明确方向。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，包括：液体供应路、气体供应路、头腔试验组件和高速摄影机，所述液体供应路和所述气体供应路在所述头腔试验组件之前汇合再与所述头腔试验组件连通，所述液体供应路能将不同流量的液体通过管路输入所述头腔试验组件内，所述气体供应路能将不同流量的气体通过管路输入所述头腔试验组件内，所述高速摄影机安装在所述头腔试验组件一侧，用于记录所述头腔试验组件的出流情况的图像及图像的拍摄时间；

所述气体供应路包括气体罐、第二电磁阀、第三压力计和音速喷嘴，所述气体罐与所述音速喷嘴之间安装所述第二电磁阀和所述第三压力计，所述气体罐与所述音速喷嘴通过管路连通，所述音速喷嘴能与所述头腔试验组件连通，所述音速喷嘴为先收缩后扩张的结构；

所述头腔试验组件包括头腔顶盖、喷注面板和离心式喷嘴，所述头腔顶盖与所述喷注面板连接形成密封腔体结构，所述喷注面板上设置多个所述离心式喷嘴，所述液体供应路和所述气体供应路能穿过所述头腔顶盖与所述头腔试验组件内部连通，所述离心式喷嘴能将所述头腔试验组件内部的气液两相喷出。

2.根据权利要求1所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，所述液体供应路包括液体贮箱、第一阀门、流量控制装置、第一压力计、文氏管、第二压力计和第一电磁阀，所述流量控制装置一端与所述液体贮箱连通，另一端与所述文氏管连通，所述流量控制装置与所述液体贮箱之间安装所述第一阀门，所述文氏管与所述流量控制装置之间安装所述第一压力计，所述文氏管与所述第一电磁阀之间安装所述第二压力计，所述第二压力计与所述头腔试验组件之间安装所述第一电磁阀。

3.根据权利要求2所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，所述文氏管为先收缩后扩张的结构，所述文氏管的进出口直径与相连管道的管径大小一致。

4.根据权利要求1所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，所述头腔顶盖与所述喷注面板形成的密封腔体为扁平圆柱形结构。

5.根据权利要求1所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，所述头腔顶盖与所述喷注面板通过螺栓连接，所述头腔顶盖顶面沿圆周方向均匀穿过数个螺栓，所述螺栓端部从所述喷注面板底面穿出，每个螺栓均配合连接平垫圈和螺母将所述头腔顶盖和所述喷注面板固定。

6.根据权利要求1所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，所述头腔顶盖顶部密封焊接管路接口和压力传感器接口，所述管路接口与所述液体供应路和所述气体供应路的管道密封连接，所述压力传感器接口用于安装压力传感器，监测所述头腔试验组件处的压强大小。

7.根据权利要求1所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，其特征在于，所述喷注面板与所述头腔顶盖接触面密封安装第一密封圈，所述离心式喷嘴与所述喷注面板相接触的侧面密封安装第二密封圈。

8.一种试验方法，其特征在于，所述试验方法采用权利要求1-7任一项所述的有气体吹入的燃气发生器头腔充填试验装置，所述试验方法包括：先测量计算节流元件的流量系数，完成所述液体供应路和所述气体供应路元件的标定，采用水替代液体火箭发动机的燃料，所述气体供应路使用空气作为吹除气体，所述液体供应路和所述气体供应路在所述头腔试验组件之前汇合再通入所述头腔试验组件内，依次测量仅有气体、仅有液体及不同流量气液两相通入时的所述头腔试验组件的压强，冷试观察气液流动情况，并对所述头腔试验组件处液流情况进行高速摄影记录。

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