CN102052199B

CN102052199B - 一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置

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Publication number: CN102052199B
Application number: CN 201110023205
Authority: CN
Inventors: 胡春波; 夏盛勇; 张胜敏; 何国强
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: CN102052199A

Abstract

本发明提出了一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，包括试验段组件和颗粒发生器，通过选择颗粒发生器的速度调节件出口面积、推进剂中的金属含量以及多个颗粒发生器的夹角，能够模拟实际发动机中凝相颗粒碰撞的高温高压环境，同时能够在保持其他参数不变的情况下实现颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等参数可调，能够研究颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等单一参数对碰撞前后颗粒粒径变化的影响。

Description

一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置

技术领域

本发明涉及发动机试验领域，具体为一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置。

背景技术

在固体火箭发动机中，为了提高固体推进剂的能量，一般会在推进剂中加入一些燃烧热值较高的金属燃料作为基本组元之一，例如铝粉和硼粉等。对于这种含金属的复合推进剂，由于推进剂的燃烧温度高于金属燃烧产物的熔点，但又低于金属燃烧产物的沸点，因此产生的金属燃烧产物在燃气中呈熔融状态，即凝相。凝相颗粒在随高温燃气的流动过程中会发生碰撞，碰撞后的颗粒直径等参数会发生变化，颗粒参数的变化会对发动机的工作特性带来较大的影响：例如，固体火箭发动机中凝相颗粒粒径的变化可能会引起发动机内的燃烧不稳定。再如，发动机载体在大机动飞行过程中，由于受到过载作用，凝相颗粒运动轨迹会发生变化，在发动机内部高度聚集，熔融态颗粒由于碰撞聚合作用形成粒径更大的粒子，高温凝相大粒子会加剧发动机内绝热层的烧蚀，严重时会导致发动机爆炸。

影响固体火箭发动机中凝相颗粒碰撞的主要因素为颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度。目前，对固体火箭发动机内凝相颗粒碰撞的规律还缺乏认识，其中一个重要的原因就是缺乏有效的试验方法。现有的试验方法主要有水银液滴模拟法和单收缩管聚集法。水银液滴模拟法认为水银液滴的表面张力系数和固体火箭发动机中典型凝相颗粒三氧化二铝液滴的表面张力系数接近，利用常温常压下水银液滴的碰撞规律来模拟固体火箭发动机中三氧化二铝液滴的碰撞规律。这种方法不能模拟固体火箭发动机中三氧化二铝液滴碰撞的高温高压环境，且三氧化二铝液滴的碰撞规律还受其他因素的影响，不能简单地由水银液滴碰撞规律来描述。单收缩管聚集法采用一个拥有收缩通道的缩比发动机来模拟固体火箭发动机中颗粒的聚集状态，通过改变收缩通道的角度和面积来改变粒子速度和粒子浓度，对比收缩通道入口和出口粒子直径分布，来研究不同的聚集状态对粒径变化的影响。这种方法不能研究颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等单一因素对粒子碰撞的影响，不能揭示凝相颗粒碰撞规律。

发明内容

要解决的技术问题

为了研究固体火箭发动机中凝相颗粒碰撞规律，迫切需要建立一种既能够模拟固体火箭发动机中凝相颗粒碰撞的高温高压环境，且能够单一地研究颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等三个碰撞影响因素对凝相颗粒碰撞规律的影响的试验装置。

技术方案

由于颗粒碰撞后最直接的表现为粒径的变化，测出碰撞前后的颗粒粒径，有利于研究颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等三个碰撞影响因素对凝相颗粒碰撞规律的影响。为此，本发明提出了一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其技术方案为：

所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其特征在于：包括试验段组件和颗粒发生器；试验段组件包括试验壳体和通气接头；试验壳体为空心柱状结构，一端端面上伸出有空心连接段，用于安装颗粒发生器，在试验壳体侧壁上也伸出有两段空心连接段，用于安装颗粒发生器，试验壳体另一端与底盖密封固连，在试验壳体上安装有通气接头，通气接头与外部高压气源连接，在试验壳体侧壁上还开有点火孔；颗粒发生器包括燃烧室、封头、推进剂和速度调节件；燃烧室为空心柱状结构，并在一端有周向的凸起；封头为一端带有连接盘的柱状结构，封头插入燃烧室内，且封头与燃烧室内壁间存在间隙，封头端头的连接盘与燃烧室端口接触；封头插入燃烧室的一端端面上固定有推进剂；速度调节件一端为圆柱段，与燃烧室一端固定连接，速度调节件另一端为锥形出口段；颗粒发生器安装在试验壳体的空心连接段内，封头通过一端的连接盘与空心连接段固定连接，并与空心连接段配合，通过燃烧室一端周向的凸起将燃烧室固定在空心连接段内，燃烧室外壁与空心连接段内壁紧密接触；在推进剂上附有点火包，导线将点火包与外部点火器连接；在底盖上开有排气孔，排气孔中密封安装有排气接头，排气接头外端依次与排气阀和水箱连接。

所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置的优选方案，其特征在于：试验壳体侧壁的两段空心连接段的中心轴线相交。

所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置的优选方案，其特征在于：在试验壳体侧壁上开有观察孔，观察孔中密封安装有观察窗。

所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置的优选方案，其特征在于：在封头一端的连接盘上安装有测压座，测压座上安装压力传感器测量试验装置内部的压强。

所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置的优选方案，其特征在于：在试验壳体内盛有少量的水用于收集颗粒。

所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置的优选方案，其特征在于：排气接头内端套有颗粒挡帽。

有益效果

采用本发明能够模拟实际发动机中凝相颗粒碰撞的高温高压环境，同时能够在保持其他参数不变的情况下实现颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等参数可调，能够研究颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等单一参数对碰撞前后颗粒粒径变化的影响。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的结构示意图(测试颗粒碰撞)；

图3：试验壳体的结构示意图；

图4：颗粒挡帽的结构示意图；

图5：颗粒发生器的结构示意图；

图6：排气接头的结构示意图；

图7：颗粒粒度分布结果图；

其中：1、试验段组件；2、颗粒发生器；3、试验壳体；4、通气接头；5、底盖；6、透明观察窗；7、排气接头；8、气动球阀；9、水箱；10、颗粒挡帽；11、封头；12、燃烧室；13、推进剂；14、速度调节件；

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

实施例：

本实施例为利用本发明提出的试验装置进行凝相颗粒碰撞试验，可以单一地研究颗粒速度、碰撞角度和颗粒浓度等三个碰撞影响因素对凝相颗粒碰撞规律的影响。

参照附图1和附图2，本实施例中，采用的试验装置包括试验段组件1和颗粒发生器2。

参照附图3，试验段组件1包括有试验壳体3和通气接头4，试验壳体3为空心圆柱结构，其一端为开口，另一端端面上伸出有空心圆柱型连接段，空心圆柱型连接段端部有连接法兰，用于与颗粒发生器2固定相连，在试验壳体3的这一端端面上还装有通气接头4，通气接头4与外部高压气源连接，用于在试验前向试验装置内充入高压气体，模拟实际发动机中颗粒碰撞的高压环境；在试验壳体3的侧壁上也伸出有两段空心圆柱型连接段，这两段空心圆柱型连接段的中心轴线相交，且通过选取不同的中心轴线间夹角α可以研究不同碰撞角度对凝相颗粒碰撞规律的影响；试验壳体3开口一端与底盖5螺栓固定连接，并在缝隙处采用O型圈密封，实现试验壳体3下端的密封，在试验壳体3盛有少量的水，用于收集凝相颗粒。在试验壳体3的侧壁上还开有点火孔和观察孔，观察孔处固定有透明观察窗6，用于观察颗粒碰撞的过程，透明观察窗6由观察窗基座、石英玻璃和固定端盖组成，观察窗基座焊接固定在观察孔内，采用固定端盖将石英玻璃固定在观察窗基座内，在透明观察窗6与观察孔的缝隙处采用O型圈密封，保证试验壳体3的密封。点火孔处固定有点火座。在底盖5上开有排气孔，排气接头7通过螺母固定在排气孔内，排气接头7与底盖5之间的缝隙处采用O型圈密封，保证试验壳体3的密封，排气接头7外端通过不锈钢管路依次连接有气动球阀8和水箱9；参照附图4和附图6在排气接头7的内端套有颗粒挡帽10，颗粒挡帽10周向开有气流孔，可以让气流进入排气接头7，但能够阻止多数凝相颗粒进入排气接头7。

参照附图4，颗粒发生器2包括燃烧室12、封头11、推进剂13和速度调节件14。燃烧室12为空心圆柱结构，一端有周向的凸起，用于与试验壳体3上的空心圆柱型连接段固定，燃烧室12另一端有外螺纹，用于与速度调节件14连接。封头11主体为圆柱结构，圆柱直径小于燃烧室12内径，封头11一端为连接法兰结构，用于与试验壳体3上的空心圆柱型连接段螺栓固定连接，并且在该端端面上开有测压孔，在测压孔安装有测压座，测压座上安装压力传感器与外部测压系统相连，用于测量试验装置内部的压强。封头11插入燃烧室12内，燃烧室12端部的周向凸起与封头11的连接法兰紧密接触，封头11另一端端面上粘接有推进剂13。速度调节件14一端为带有内螺纹的空心圆柱段，用于燃烧室12外螺纹段固定连接，速度调节件14另一端为空心圆锥段，通过选择不同的圆锥出口面积，可以改变凝相颗粒的颗粒速度，能够研究不同颗粒速度对凝相颗粒碰撞规律的影响。在推进剂13上还附有点火包，点火包内为黑火药和点火头，采用导线穿过速度调节件14和点火座将点火头与外部点火器相连。通过采用不同的推进剂13或改变推进剂含铝量，可以改变颗粒浓度，从而能够研究不同颗粒浓度对凝相颗粒碰撞规律的影响。

根据试验需要，可以将颗粒发生器2安装在任意一个或多个空心圆柱型连接段内，安装时，将封头11与试验壳体3的空心圆柱型连接段法兰连接，并与燃烧室12一端的周向凸起配合，将周向凸起卡在封头11与空心圆柱型连接段之间，将燃烧室12固定，并且燃烧室12外壁空心圆柱型连接段内壁紧密接触。

本实施例整个装置中的金属材料均采用不锈钢材料。

本实施例采用的推进剂为HTPB推进剂，含铝量为17％，装药为圆柱形端面燃烧装药，圆柱面和一个端面包覆，另一端面燃烧，装药直径为Φ50mm。设计工作压强为5MPa，采用外部高压氮气源提供高压气体，速度调节件14出口直径为Φ10mm。在试验前，首先由外部高压氮气源通过通气接头4向试验装置内通入高压气体，试验装置内部达到工作压强后关闭外部高压氮气源，随后点火器点燃推进剂14，并打开气动球阀8，保证试验装置内的压力平稳，点火结束后，关闭气动球阀8，15分钟后重新打开气动球阀8排除气体，气体排尽后，向试验装置内注入水，收集颗粒。

本实施例中共进行了两种试验工况，一种工况如附图1，为未碰撞的凝相颗粒收集试验，另一种工况如附图2，为碰撞后的凝相颗粒收集试验，其中碰撞角度α为90度。根据推进剂性能参数及计算构型，可以由FLUENT软件中的离散相模型可以计算得到本实施例速度调节件14出口颗粒浓度为2.0kg/m³，颗粒速度为57.2m/s。

试验后，采用Mastersizer2000激光粒度分析仪对收集到的粒子进行粒径测量，两次实试验测量的粒度分布结果如附图7所示。由附图7可知，碰撞后大于10μm的颗粒减少，且粒径变小，小于10μm的颗粒增多；颗粒粒径整体减小，说明在此试验条件下凝相颗粒碰撞前后颗粒粒径发生了较大变化，结果表明本试验方法达到了预期的效果。

Claims

1.一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，包括试验段组件和颗粒发生器；其特征在于：试验段组件包括试验壳体和通气接头；试验壳体为空心柱状结构，一端端面上伸出有空心连接段，用于安装颗粒发生器，在试验壳体侧壁上也伸出有两段空心连接段，用于安装颗粒发生器，试验壳体另一端与底盖密封固连，在试验壳体上安装有通气接头，通气接头与外部高压气源连接，在试验壳体侧壁上还开有点火孔；颗粒发生器包括燃烧室、封头、推进剂和速度调节件；燃烧室为空心柱状结构，并在一端有周向的凸起；封头为一端带有连接盘的柱状结构，封头插入燃烧室内，且封头与燃烧室内壁间存在间隙，封头端头的连接盘与燃烧室端口接触；封头插入燃烧室的一端端面上固定有推进剂；速度调节件一端为圆柱段，与燃烧室一端固定连接，速度调节件另一端为锥形出口段；颗粒发生器安装在试验壳体的空心连接段内，封头通过一端的连接盘与空心连接段固定连接，并与空心连接段配合，通过燃烧室一端周向的凸起将燃烧室固定在空心连接段内，燃烧室外壁与空心连接段内壁紧密接触；在推进剂上附有点火包，导线将点火包与外部点火器连接；在底盖上开有排气孔，排气孔中密封安装有排气接头，排气接头外端依次与排气阀和水箱连接。

2.根据权利要求1所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其特征在于：试验壳体侧壁的两段空心连接段的中心轴线相交。

3.根据权利要求2所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其特征在于：在试验壳体侧壁上开有观察孔，观察孔中密封安装有观察窗。

4.根据权利要求3所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其特征在于：在封头一端的连接盘上安装有测压座，测压座上安装压力传感器测量试验装置内部的压强。

5.根据权利要求4所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其特征在于：在试验壳体内盛有少量的水用于收集颗粒。

6.根据权利要求5所述一种研究凝相颗粒碰撞规律的试验装置，其特征在于：排气接头内端套有颗粒挡帽。