CN104880320B - 一种喷嘴稳定性评定装置及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷嘴稳定性评定装置及评价方法，包括依次同轴设置的氧腔、氧管延长段、燃料腔、缩比燃烧室和喷管；氧腔上设置有燃料入口和燃料管，氧管延长段和燃料腔内设置有挡油环，缩比燃烧室顶部设置有氧入口和氧管；燃料腔内从左至右设置有若干个可拆卸的喷嘴，位于中部的喷嘴为待评定双组元喷嘴；位于两侧壁的喷嘴为双组元喷嘴，燃料腔的两侧壁至中部，依次间隔设置有若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴。每个双组元喷嘴能燃烧，每个单组元喷嘴不燃烧。采用上述结构和方法后，缩比燃烧室为片状结构，用片状的缩比燃烧室的横向压力振荡模拟全尺寸燃烧室的横向振荡环境，从而较好的实现喷嘴稳定性评定和燃烧室不稳定研究的综合。

Description

一种喷嘴稳定性评定装置及评价方法

技术领域

本发明涉及一种用于液体火箭发动机单个喷嘴稳定性评定和全尺寸发动机稳定性研究的试验装置和试验方法，特别是一种喷嘴稳定性评定装置及评价方法。

背景技术

随着航天探索竞争越来越激烈和人们意识的增强，迫切需要研究新型大推力火箭发动机。火箭发动机研制是一项重大系统工程，研制过程中会遇到许多困难，其中不稳定性燃烧是不可逾越的重大课题。

由于不稳定燃烧的复杂性一般在发动机研制初级阶段就要考虑燃烧稳定性因素。现有理论还无法完全解释不稳定燃烧的产生机理，需要通过试验验证完成发动机的稳定性评定。最理想办法是进行全尺寸发动机试验，得到的结果是最精确的，但要付出高昂的时间和金钱代价，在追求资金高效利用的今天往往是不可取的。另外，全尺寸发动机的试验条件非常恶劣，完整的试验数据的获取具有很大困难。

缩比发动机是对全尺寸发动机按住相似性原则得到的缩小尺寸发动机，由于尺寸较小，试验的时间金钱成本较低，在一定程度上能够代替全尺寸发动机进行试验，所以一般情况是采用缩比发动机进行试验，得到相关数据再推算到全尺寸发动机，从而减少研制资金和时间。同时，缩比性发动机由于尺寸小、室压低，更有利于获取更为详细的试验数据。

同时喷嘴是发动机的关键部件，对推进剂的混合、雾化蒸发过程具有决定性影响，因此发动机研制过程，喷嘴的设计尤为关键，需要进行数次的喷注试验。现有的模型燃烧室难以实现考察喷嘴对横向波的响应。但是实践证明不稳定燃烧往往是一阶切向振荡，因此喷嘴对横向波的燃烧稳定性评定变得尤为重要。所以非常有必要开发设计一种能够评定喷嘴横向振荡响应的试验装置及试验方法。因此本文所设计试验装置具有单喷嘴稳定性评定和全尺寸燃烧室横向振荡研究双重功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种喷嘴稳定性评定装置，该喷嘴稳定性评定装置能提供一种片状的缩比燃烧室，用片状的缩比燃烧室的横向振荡模拟全尺寸燃烧室的横向振荡，从而较好的实现的喷嘴稳定性评定和燃烧室不稳定研究的综合。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种喷嘴稳定性评定装置，包括依次同轴设置的氧腔、氧管延长段、燃料腔、缩比燃烧室和喷管，且氧腔、氧管延长段、燃料腔、缩比燃烧室和喷管相互之间均为可拆卸连接；所述氧腔上设置有燃料入口和燃料管，所述氧管延长段和燃料腔内设置有挡油环，所述缩比燃烧室顶部设置有氧入口和氧管；所述燃料腔内从左至右依次设置有若干个可拆卸的喷嘴，其中，位于燃料腔中部的喷嘴为待评定双组元喷嘴，位于燃料腔两侧壁的喷嘴为双组元喷嘴；燃料腔的两侧壁至燃料腔的中部位置之间，还依次间隔设置有若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴；所述待评定双组元喷嘴和双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接，能同时喷射氧和燃料至缩比燃烧室内燃烧；所述单组元喷嘴仅与氧管或燃料管相连接。

所述氧腔和燃料腔内均设置有压力传感器和温度传感器。

所述缩比燃烧室内设置有若干个高频压力传感器。

所述高频压力传感器有9个，呈阵列式布置，即纵向等距布置3列，横向等距布置3行，其中第2列布置在缩比燃烧室的中部位置，第1列和第3列布置在靠近缩比燃烧室的两侧壁位置。

所述缩比燃烧室的收缩比、缩比燃烧室内的压力和流强均与全尺寸燃烧室相同。

所述缩比燃烧室上设置有石英玻璃。

位于所述石英玻璃窗内侧的缩比燃烧室内设置有气膜隔板。

本发明还提供一种喷嘴稳定性评定方法，该喷嘴稳定性评定方法能利用片状的缩比燃烧室的横向振荡，模拟全尺寸燃烧室的横向振荡，从而较好的实现的喷嘴稳定性评定和燃烧室不稳定研究的综合。

一种喷嘴稳定性的评价方法，包括如下步骤：

第一步，喷嘴安装：将燃料腔内位于中部的喷嘴更换为待评定双组元喷嘴，待评定双组元喷嘴的氧和燃料的供给管路处于关闭状态；在燃料腔的两侧壁安装双组元喷嘴，在燃料腔的两侧壁至燃料腔的中部位置，依次间隔布置若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴；将所有单组元喷嘴仅与氧管或燃料管相连接，并保持通气状态；将所有双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接。

第二步，每个双组元喷嘴中的氧气喷入和燃料螺旋液膜形成：氧气从氧入口喷入，燃料通过燃料入口，从燃料入口的切向孔喷入，经过第一步中与双组元喷嘴相连接的燃料管，在遇到挡油环后，形成螺旋液膜。

第三步，每个双组元喷嘴中氧和燃料的混合：第二步形成的螺旋液膜，在进入缩比燃烧室前，与氧气在缩进室内相混合。

第四步，每个双组元喷嘴的喷射及燃烧：第三步混合完成的双组元喷嘴液体燃料，在进入缩比燃烧室后经过雾化蒸发混合，进入燃烧阶段。

第五步，一阶横向振荡频率激发：一方面通过对缩比燃烧室进行声学设计，使缩比燃烧室的一阶横向振荡频率大于一阶纵向振荡频率；另一方面，由于第四步中每个双组元喷嘴的燃烧，故每个双组元喷嘴处的温度较高；每个单组元喷嘴不燃烧，故温度较低；而在第一步中，每个单组元喷嘴和每个双组元喷嘴间隔布置；这样，缩比燃烧室从两侧壁至中部，将形成横向温度高低间隔交叉分布，温度较低处气体密度大，温度较高处密度小，从而造成气体由温度较高处向温度较低处移动，进而使一阶横向振荡频率首先激发，模拟全尺寸燃烧室的横向压力振荡。

第六步，待评定双组元喷嘴的稳定性评价：打开待评定双组元喷嘴中氧和燃料的供给管路，并点火燃烧，评价待评定双组元喷嘴的稳定性。

所述第六步中，待评定双组元喷嘴稳定性评价的方法为：在实验过程中，当待评定双组元喷嘴点火燃烧后，缩比燃烧室横向振荡加剧时，表明待评定双组元喷嘴稳定性较差；当缩比燃烧室横向振荡不变时，表明待评定双组元喷嘴不会对缩比燃烧室稳定性产生影响；当缩比燃烧室横向振荡幅度减小时，表明待评定双组元喷嘴稳定性良好。

根据待评定双组元喷嘴稳定性评价的结果，对待评定双组元喷嘴的几何形状、尺寸和材质，进行修正。

本发明采用上述结构及方法后，具有如下有益效果：

1.上述燃料腔两侧壁的双组元喷嘴设计，根据声学原理，位于燃料腔两侧壁的双组元喷嘴，正好位于声压波腹处，最容易发生横向振荡，为待评定双组元喷嘴创造振荡环境。

2.上述燃料腔两侧壁至中部间隔设置的单组元喷嘴和双组元喷嘴，双组元喷嘴能够燃烧，单组元喷嘴不燃烧，从而使缩比燃烧室内部因为温度不同而产生的气流运动速度不同，从而加剧缩比燃烧室内的振荡，能更加深入的考察待评定双组元喷嘴的稳定性。

3.上述各部件之间均为可拆卸连接，结构简单，安装方便，各部件的类型和长度可更换，能够用于研究全尺寸发动机的横向振荡和待评定双组元喷嘴的稳定性评价。也可以评定喷嘴间距对燃烧稳定性的影响。

4.缩比燃烧室为片状结构，由于发动机一般仅发生一阶切向不稳定振荡，从而本发明的片状燃烧室的横向振荡能够很好的模拟全尺寸燃烧室的横向振荡。较好的实现的喷嘴稳定性评定和燃烧室不稳定研究的综合。

附图说明

图1显示了本发明一种喷嘴稳定性评定装置的结构示意图；

图2显示了图1的剖视图；

图3显示了本发明中氧腔的结构示意图；

图4显示了本发明中氧管延长段的结构示意图；

图5显示了本发明中挡油环的结构示意图；

图6显示了本发明中燃料腔的结构示意图；

图7显示了本发明中气膜隔板的结构示意图；

图8显示了本发明中缩比燃烧室的结构示意图；

图9显示了本发明中石英玻璃的结构示意图；

图10显示了本发明中法兰的结构示意图；

图11显示了本发明中喷管的结构示意图。

其中有：1.氧腔；11.燃料入口；2.氧管延长段；3.燃料腔；31.冷气入口；4.缩比燃烧室；41.氧入口；42.传感器入口；5.喷管；6.法兰；7.石英玻璃；8.挡油环。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种喷嘴稳定性评定装置，包括依次同轴设置的氧腔1、氧管延长段2、燃料腔3、缩比燃烧室4和喷管5，且各部件之间均为可拆卸连接，优选通过螺栓相连接。

氧腔1的立体结构，如图3所示，在氧腔1设置有燃料入口11和燃料管（图中未标出）。

氧管延长段2的立体结构，如图4所示，氧管延长段2内设置有如图5所示的挡油环8。

燃料腔3的立体结构，如图6所示，燃料腔3设置有冷气入口31，燃料腔3内也设置有如图5所示的挡油环8。

燃料腔3内从左至右设置有若干个可拆卸的喷嘴，其中，位于燃料腔3中部的喷嘴为待评定双组元喷嘴，位于燃料腔3两侧壁（也即声压波腹处）的喷嘴为双组元喷嘴；燃料腔的两侧壁至燃料腔的中部位置之间，还依次间隔设置有若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴。

上述待评定双组元喷嘴和双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接，能同时喷射氧和燃料至缩比燃烧室内燃烧，故每个双组元喷嘴处的温度较高。

上述单组元喷嘴仅与氧管或燃料管相连接，不能燃烧，故温度较低。

由于，每个单组元喷嘴和每个双组元喷嘴间隔布置；这样，缩比燃烧室从两侧壁至中部，将形成横向温度高低间隔交叉分布，温度较低处气体密度大，温度较高处密度小，从而造成气体由温度较高处向温度较低处移动，进而使一阶横向振荡频率首先激发，模拟全尺寸燃烧室，也即实际发动机的横向压力振荡。

缩比燃烧室4的立体结构，如图8所示，缩比燃烧室4顶部设置有氧入口41和氧管（图中未标出），缩比燃烧室4的侧面设置有一个石英观察窗和若干个传感器入口42。

其中，石英观察窗包括一块如图9所示的石英玻璃7和一个将石英玻璃7固定在缩比燃烧室4上的法兰6，法兰6的立体结构如10所示。位于石英玻璃7内侧的缩比燃烧室4内设置有如图7所示的气膜隔板。另外，还备有与石英玻璃7同样大小的不锈钢块，以便交换使用。

进一步，缩比燃烧室4内设置有高频压力传感器。为了检测缩比燃烧室内声学振荡振型，高频压力传感器优选为9个，呈阵列式布置，即纵向等距布置3列，横向等距布置3行，其中第2列布置在缩比燃烧室的中部位置，第1列和第3列布置在靠近缩比燃烧室的两侧壁位置。

进一步，缩比燃烧室4的收缩比、缩比燃烧室4内的压力和流强均与全尺寸燃烧室相同。

喷管5的立体结构，如图11所示。喷管5具有楔形的横向收敛角，该楔形的横向收敛角和真实发动机相同，同时为了保证正常收缩比，在宽度方向适当收敛。

进一步，氧腔1和燃料腔3内均设置有压力传感器和温度传感器。

一种喷嘴稳定性的评价方法，包括如下步骤：

第一步，喷嘴安装：将燃料腔3内位于中部的喷嘴更换为待评定双组元喷嘴，待评定双组元喷嘴的氧和燃料的供给管路处于关闭状态；在燃料腔3的两侧壁安装双组元喷嘴，在燃料腔的两侧壁至燃料腔的中部位置，依次间隔布置若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴；将所有单组元喷嘴仅与氧管或燃料管相连接，并保持通气状态；将所有双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接。待评定双组元喷嘴同时连接氧和燃料；将双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接，能同时喷射氧和燃料。

第二步，每个双组元喷嘴中的氧气喷入和燃料螺旋液膜形成：氧气从氧入口41喷入，燃料通过燃料入口11，从燃料入口11的切向孔喷入，经过第一步中与双组元喷嘴相连接的燃料管，在遇到挡油环8后，形成螺旋液膜。

第三步，每个双组元喷嘴中氧和燃料的混合：第二步形成的螺旋液膜，在进入缩比燃烧室4前，与氧气在缩进室内相混合。

第四步，每个双组元喷嘴的喷射及燃烧：第三步混合完成的双组元喷嘴液体燃料，在进入缩比燃烧室4后经过雾化蒸发混合，进入燃烧阶段。

第五步，一阶横向振荡频率激发：

一方面通过对缩比燃烧室4进行声学设计，使缩比燃烧室4的一阶横向振荡频率大于一阶纵向振荡频率。

另一方面，由于第四步中每个双组元喷嘴的燃烧，故每个双组元喷嘴处的温度较高；每个单组元喷嘴不燃烧，故温度较低；而在第一步中，每个单组元喷嘴和每个双组元喷嘴间隔布置。这样，缩比燃烧室4从两侧壁至中部，将形成横向温度高低间隔交叉分布，温度较低处气体密度大，温度较高处密度小，从而造成气体由温度较高处向温度较低处移动，进而使一阶横向振荡频率首先激发，模拟全尺寸燃烧室的横向压力振荡。

第六步，待评定双组元喷嘴的稳定性评价：打开待评定双组元喷嘴中氧和燃料的供给管路，并点火燃烧，评价待评定双组元喷嘴的稳定性，还能用于兼容性等性能的评价。

在这里，待评定双组元喷嘴稳定性评价的优选方法为：在实验过程中，当待评定双组元喷嘴点火燃烧后，缩比燃烧室横向振荡加剧时，表明待评定双组元喷嘴稳定性较差；当缩比燃烧室横向振荡不变时，表明待评定双组元喷嘴不会对缩比燃烧室稳定性产生影响；当缩比燃烧室横向振荡幅度减小时，表明待评定双组元喷嘴稳定性良好。

根据待评定双组元喷嘴稳定性评价的结果，对待评定双组元喷嘴的几何形状、尺寸和材质等，进行修正，以达到最优化设计。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：包括依次同轴设置的氧腔、氧管延长段、燃料腔、缩比燃烧室和喷管，且氧腔、氧管延长段、燃料腔、缩比燃烧室和喷管相互之间均为可拆卸连接；所述氧腔上设置有燃料入口和燃料管，所述氧管延长段和燃料腔内设置有挡油环，所述缩比燃烧室顶部设置有氧入口和氧管；所述燃料腔内从左至右依次设置有若干个可拆卸的喷嘴，其中，位于燃料腔中部的喷嘴为待评定双组元喷嘴，位于燃料腔两侧壁的喷嘴为双组元喷嘴；燃料腔的两侧壁至燃料腔的中部位置之间，还依次间隔设置有若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴；所述待评定双组元喷嘴和双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接，能同时喷射氧和燃料至缩比燃烧室内燃烧；所述单组元喷嘴仅与氧管或燃料管相连接。

2.根据权利要求1所述的喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：所述氧腔和燃料腔内均设置有压力传感器和温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：所述缩比燃烧室内设置有若干个高频压力传感器。

4.根据权利要求3所述的喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：所述高频压力传感器有9个，呈阵列式布置，即纵向等距布置3列，横向等距布置3行，其中第2列布置在缩比燃烧室的中部位置，第1列和第3列布置在靠近缩比燃烧室的两侧壁位置。

5.根据权利要求3所述的喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：所述缩比燃烧室的收缩比、缩比燃烧室内的压力和流强均与全尺寸燃烧室相同。

6.根据权利要求1所述的喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：所述缩比燃烧室上设置有石英玻璃。

7.根据权利要求6所述的喷嘴稳定性评定装置，其特征在于：位于所述石英玻璃内侧的缩比燃烧室内设置有气膜隔板。

8.一种采用权利要求1所述喷嘴稳定性评定装置进行喷嘴稳定性评价的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，喷嘴安装：将燃料腔内位于中部的喷嘴更换为待评定双组元喷嘴，待评定双组元喷嘴的氧和燃料的供给管路处于关闭状态；在燃料腔的两侧壁安装双组元喷嘴，在燃料腔的两侧壁至燃料腔的中部位置，依次间隔布置若干个单组元喷嘴和若干个双组元喷嘴；将所有单组元喷嘴仅与氧管或燃料管相连接，并保持通气状态；将所有双组元喷嘴均与氧管和燃料管相连接；

第二步，每个双组元喷嘴中的氧气喷入和燃料螺旋液膜形成：氧气从氧入口喷入，燃料通过燃料入口，从燃料入口的切向孔喷入，经过第一步中与双组元喷嘴相连接的燃料管，在遇到挡油环后，形成螺旋液膜；

第三步，每个双组元喷嘴中氧和燃料的混合：第二步形成的螺旋液膜，在进入缩比燃烧室前，与氧气在缩进室内相混合；

第四步，每个双组元喷嘴的喷射及燃烧：第三步混合完成的双组元喷嘴液体燃料，在进入缩比燃烧室后经过雾化蒸发混合，进入燃烧阶段；

第五步，一阶横向振荡频率激发：一方面通过对缩比燃烧室进行声学设计，使缩比燃烧室的一阶横向振荡频率大于一阶纵向振荡频率；另一方面，由于第四步中每个双组元喷嘴的燃烧，故每个双组元喷嘴处的温度较高；每个单组元喷嘴不燃烧，故温度较低；而在第一步中，每个单组元喷嘴和每个双组元喷嘴间隔布置；这样，缩比燃烧室从两侧壁至中部，将形成横向温度高低间隔交叉分布，温度较低处气体密度大，温度较高处密度小，从而造成气体由温度较高处向温度较低处移动，进而使一阶横向振荡频率首先激发，模拟全尺寸燃烧室的横向压力振荡；

第六步，待评定双组元喷嘴的稳定性评价：打开待评定双组元喷嘴中氧和燃料的供给管路，并点火燃烧，评价待评定双组元喷嘴的稳定性。

9.根据权利要求8所述的喷嘴稳定性的评价方法，其特征在于：所述第六步中，待评定双组元喷嘴稳定性评价的方法为：在实验过程中，当待评定双组元喷嘴点火燃烧后，缩比燃烧室横向振荡加剧时，表明待评定双组元喷嘴稳定性较差；当缩比燃烧室横向振荡不变时，表明待评定双组元喷嘴不会对缩比燃烧室稳定性产生影响；当缩比燃烧室横向振荡幅度减小时，表明待评定双组元喷嘴稳定性良好。

10.根据权利要求9所述的喷嘴稳定性的评价方法，其特征在于：根据待评定双组元喷嘴稳定性评价的结果，对待评定双组元喷嘴的几何形状、尺寸和材质，进行修正。