CN102174914A - 一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置 - Google Patents

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胡春波
张胜敏
何国强
李江
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Abstract

本发明提出了一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置，包括燃气发生器和粒子收集装置，燃气发生器包括燃烧室，收敛段和喷管，粒子收集装置端面有进气口，从喷管喷出的羽流能够完全从粒子收集装置端面进气口进入粒子收集装置，进气口周围有排气孔，排气孔内有过滤网，过滤网孔径小于凝相粒子粒径。本发明能够模拟实际发动机中的高温高压环境，且可以方便地更换收敛段及喷管，从而调整收敛段收敛角度，选用不同的喷管喉径，以及不同的喷管构型，能够单一地研究颗粒相浓度、工作压强以及喷管构型等因素对凝相粒子粒度分布的影响。

Description

一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置
技术领域
本发明涉及发动机试验领域，具体为一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置。
背景技术
现代的固体火箭发动机广泛采用含铝推进剂，燃气中含有大量的Al2O3粒子。凝相粒子的大小及分布是发动机性能分析和工作过程仿真的重要初始参数，如凝相粒子对喉衬材料的机械剥蚀效应和粒子热增量效应会加剧喉衬材料的烧蚀，使其出现台阶效应，严重时会导致喷管烧穿。另外，在载体飞行器飞行过程中，羽流的红外辐射特性较强，成为军事侦查的目标，而羽流的红外辐射特性与凝相粒子的大小有着重要的联系。由于固体火箭发动机地面试车试验和导弹飞行试验费用昂贵，使得研究人员对于固体火箭发动机喷管内及其羽流中的粒子分布情况还缺乏认识，其中一个重要的原因就是缺乏有效的试验装置。
研究认为，影响凝相粒子粒度分布的主要因素有工作压强、颗粒相浓度以及喷管构型等。为了研究喷管内及其羽流中凝相粒子的分布规律，迫切需要建立一种工作状态与真实发动机接近，且单参数可调的试验装置。
发明内容
要解决的技术问题
为研究固体火箭发动机喷管内及其羽流中凝相粒子的分布规律，迫切需要建立一种工作状态与真实发动机接近，能够模拟固体火箭发动机中的高温高压环境，且能够单一地研究工作压强、颗粒相浓度以及喷管构型等因素对凝相粒子粒度分布的影响的试验装置。
技术方案
本发明提出了一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置，其技术方案为：
所述的一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置，包括燃气发生器和粒子收集装置，燃气发生器固定在试验台架上，所述研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置的特征在于：燃气发生器包括燃烧室，收敛段和喷管；燃烧室内固定有多孔结构的挡药板，在挡药板与燃烧室封闭端之间有推进剂；燃烧室敞口端与收敛段大口端密封固定连接；收敛段小口端与喷管套一端密封固定连接，喷管安装在喷管套与喷管压盖之间；粒子收集装置为箱型结构，内盛有冷却液体，粒子收集装置端面有进气口，从喷管喷出的羽流能够完全从粒子收集装置端面进气口进入粒子收集装置，进气口周围有排气孔，排气孔内有过滤网，过滤网孔径小于凝相粒子粒径。
本发明的一种优选方案为，所述的一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置，其特征在于：燃烧室封闭端上安装有测压座，测压座外接传感器，测量燃气发生器内的工作压强。
有益效果
采用本发明能够模拟实际发动机中的高温高压环境，且可以方便地更换收敛段及喷管，从而调整收敛段收敛角度，选用不同的喷管喉径，以及不同的喷管构型，能够单一地研究颗粒相浓度、工作压强以及喷管构型等因素对凝相粒子粒度分布的影响。
附图说明
图1：本发明的结构图；
图2：本发明的结构剖视图；
其中：1、试验台架；2、燃气发生器支架；3、燃气发生器；4、粒子收集装置；5、阀门；6、燃烧室；7、推进剂；8、挡药板；9、收敛段；10、喷管套；11、喷管压盖；12、排气孔；13、收集箱；14、冷却液体；15、过滤网；16、进气口；17、喷管；18、测压座；19、点火座。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
实施例：
本实施例中利用本发明提出的试验装置开展了研究试验，单一地研究颗粒相浓度、工作压强以及喷管构型等因素对凝相粒子粒度分布的影响。
参照附图1和附图2，本实施例中的试验装置包括燃气发生器3和粒子收集装置4，燃气发生器3通过燃气发生器支架2固定在试验台架1上；粒子收集装置4置于燃气发生器3下方，用于收集凝相粒子。
参照附图2，燃气发生器3包括燃烧室6，收敛段9和喷管17。在燃烧室6中固定有挡药板8，挡药板8为带有燃气孔的板状结构，在挡药板8与燃烧室6封闭端之间有推进剂7，推进剂7装药为圆柱形端面燃烧装药，选用丁羟推进剂，含铝17％，燃气温度约为3400K。在燃烧室6封闭端端面上装有测压座18和点火座19，点火座19内装有点火器，通过点燃挡药板8上的药包引燃推进剂7，推进剂7燃烧后从挡药板8上的燃气孔中喷出射流，同时测压座18上的传感器测量燃气发生器3内的工作压强。
参照附图2，燃烧室6敞口端与收敛段9大口端之间采用凹形圈密封，并用螺栓固定连接，本实施例中选用了两种收敛段，收敛角度α分别为25度和50度，通过选取不同的收敛角度，可以研究颗粒相浓度对凝相粒子粒度分布的影响。喷管17通过喷管套10与喷管压盖11进行固定，喷管17卡在喷管套10一端的凹槽内，并用喷管压盖11压住固定，并且喷管压盖11与喷管17出口对应位置开有羽流喷口。喷管套10的另一端与收敛段9小口端密封固定连接。采用这种结构方式可以方便的更换喷管17，本实施例中采用了三种喷管17构型，其中两种为只有收敛构型，喉径大小不同，另一种为收敛加扩张构型，通过选取不同的喉径，实现工作压强的不同，研究工作压强对凝相粒子粒度分布的影响，通过选取不同的喷管构型，实现喷管不同部位凝相粒子的收集，可以研究喷管扩张比对羽流粒子粒度分布的影响。
参照附图2，粒子收集装置4为箱型结构，收集箱13中盛有冷却液体14，收集箱13底部有阀门5，用于排出液体，收集颗粒。收集箱13端面有进气口16，通过调整收集箱13与喷管压盖11的距离以及调整进气口16的孔径大小，使从喷管压盖11羽流喷口喷出的羽流能够完全从进气口16进入收集箱13，进气口16周围有六个排气孔12，从而能够不影响进气口16的燃气的流动特性，排气孔12内有过滤网15，过滤网15孔径小于凝相粒子粒径，可以防止进入收集箱13内的粒子从排气孔12排走。
为了防止试验过程中混入其他杂质，除喷管选用高强石墨材料以及挡药板选用高硅氧酚醛材料外，其他部件材料选用不锈钢。
本实施例的试验工况为：第一种工况为：设计工作压强为5.5MPa，选用25度收敛段；第二种工况为：设计工作压强为5.5MPa，选用50度收敛段；第三种工况为：设计工作压强为8.0MPa，选用25度收敛段，第四种工况为：设计工作压强为8.0MPa，选用50度收敛段。试验结果如表1所示，可以看出，在工作压强基本相同的条件下，随着收敛角度的增加，粒子的质量平均粒径变大；在收敛角相同的条件下，随着压强的升高，粒子的质量平均粒径变小。通过单参数调节，可以反映真实发动机工作过程中粒子粒度变化情况，表明达到了预期的效果。
表1粒子粒度试验结果
  工况   工作压强/MPa   收敛角度(°)   质量平均粒径/μm
  1   5.56   25   7.41
  2   5.45   50   8.67
  3   8.08   25   4.23
  4   8.13   50   4.61

Claims (2)

1.一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置，包括燃气发生器和粒子收集装置，燃气发生器固定在试验台架上，所述研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置的特征在于：燃气发生器包括燃烧室，收敛段和喷管；燃烧室内固定有多孔结构的挡药板，在挡药板与燃烧室封闭端之间有推进剂；燃烧室敞口端与收敛段大口端密封固定连接；收敛段小口端与喷管套一端密封固定连接，喷管安装在喷管套与喷管压盖之间；粒子收集装置为箱型结构，内盛有冷却液体，粒子收集装置端面有进气口，从喷管喷出的羽流能够完全从粒子收集装置端面进气口进入粒子收集装置，进气口周围有排气孔，排气孔内有过滤网，过滤网孔径小于凝相粒子粒径。
2.根据权利要求1所述的一种研究喷管羽流凝相粒子分布的试验装置，其特征在于：燃烧室封闭端上安装有测压座，测压座外接传感器，测量燃气发生器内的工作压强。
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