CN104990711B - 一种缩比发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缩比发动机，包括依次同轴设置的喷注器、燃烧室和喷管，且相互之间均为可拆卸连接。喷注器包括依次同轴设置的氧腔、氧管延长段、氧管和燃料腔，且相互之间也均为可拆卸连接；氧腔上设置有氧入口，燃料腔上设置有燃料入口，氧管延长段的中心沿轴向设置有贯通的中心容腔。氧腔内设置有能够轴向移动的滑杆，滑杆的一端可拆卸连接有带孔活塞或气针或调整筒，带孔活塞或气针或调整筒均能够在氧管延长段的中心容腔内轴向移动。采用上述结构后，通用性强，通过不同部件的装配组合，实现多样化试验任务。能考察气液同轴式喷嘴和燃烧室声学之间耦合影响，能实现氧气入口条件、氧管延长段长度以及缩进长度的连续变化调节。

Description

一种缩比发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机领域使用的试验装置，特别是一种缩比发动机，主要用于发动机喷嘴的设计定型和火箭发动机的燃烧稳定性和热防护研究领域。

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照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。

现有的缩比发动机主要是针对燃烧室内压力可变的特征进行研究，通用性较差，设计中也没有考虑全尺寸发动机的声学因素。本设计主要针对受相邻喷嘴影响较小的气液同轴式喷嘴，进行试验。

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，而提供一种结构简单、通用性强的缩比发动机。

另外，本发明还提供一种缩比发动机，能考察气液同轴式喷嘴和燃烧室声学之间耦合影响，能实现氧气入口条件、氧管延长段长度以及锁紧长度的连续变化调节。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种缩比发动机，包括依次同轴设置的喷注器、燃烧室和喷管，且喷注器、燃烧室和喷管相互之间均为可拆卸连接；所述喷注器包括依次同轴设置的氧腔、氧管延长段、氧管和燃料腔，且氧腔、氧管延长段、氧管和燃料腔相互之间也均为可拆卸连接；所述氧腔上设置有氧入口，燃料腔上设置有燃料入口，氧管延长段的中心沿轴向设置有贯通的中心容腔。

所述中心容腔的形状为圆柱形或锥形或倒锥形。

所述氧腔内设置有能够轴向移动的滑杆，滑杆的一端可拆卸连接有带孔活塞或气针或调整筒，所述带孔活塞或气针或调整筒均能够在氧管延长段的中心容腔内轴向移动。

当所述滑杆与带孔活塞可拆卸连接时，带孔活塞的外圆周表面能与中心容腔的内表面滑动密封连接；带孔活塞能在滑杆的带动下，在中心容腔内轴向移动，实现氧管延长段长度的连续变化。

所述气针的形状为锥形，当所述滑杆与气针可拆卸连接时，气针能在滑杆的带动下，在中心容腔内轴向移动，实现氧气入口条件的连续变化。

所述氧管的末端与喷注面之间的距离，称之为缩进长度；当所述滑杆与调整筒可拆卸连接时，调整筒能在滑杆的带动下，在中心容腔内轴向移动，实现缩进长度的连续变化。

所述调整筒与滑杆相连接的一端为封闭端，该封闭端设置有仅供氧气通过的气孔；调整筒的另一端为开口设置。

所述滑杆的另一端与线性电机相连接，线性电机驱动滑杆的轴向移动；所述线性电机与氧腔之间设置有滑动密封段，该滑动密封段包括依次同轴套装于滑杆上的有孔密封端、滑动密封腔、密封槽和滑动密封环，所述密封槽的两侧均还设置有O型密封环，所述滑动密封腔上设置有密封气体入口，通过密封气体挤压密封槽两侧的O型密封环，实现滑动密封。

所述喷注器和燃烧室两者之间还同轴且可拆卸连接有一个透明观察段。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

1.当上述喷注器内无滑杆设置时，能进行喷注器结构参数及燃烧室压力、氧管延长段长度对燃烧稳定性影响的实验研究。喷注器结构参数的变化主要包括：氧气管长度、氧气和燃料入口条件对稳定的影响。由于喷注器、燃烧室和喷管之间均为可拆卸连接，故能通过更换不同型号或长度的氧管、氧管延长段、挡油环、燃料管和燃烧室，从而实现不同的燃烧室声学振荡频率。

2.当上述喷注器内设置有滑杆时，能在无滑杆试验基础上，通过滑杆沿轴向的连续滑动来实现氧管延长段的长度、缩进长度、氧气入口条件等的连续变化对燃烧室稳定性的影响。

总之，通过不同部件的装配组合，实现多样化试验任务。

附图说明

图1显示了本发明一种缩比发动机的结构示意图；

图2显示了本发明一种缩比发动机的剖视图；

图3显示了本发明中喷注器的分解示意图；

图4显示了氧腔内无滑杆设置时的结构示意图；

图5显示了滑杆与带孔活塞可拆卸连接时喷注器的结构示意图；

图6显示了滑杆与气针可拆卸连接时喷注器的结构示意图；

图7显示了滑杆与调整筒可拆卸连接时喷注器的结构示意图；

图8显示了滑杆的立体结构示意图；

图9显示了带孔活塞的立体结构示意图；

图10显示了气针的立体结构示意图；

图11显示了调整筒的立体结构示意图；

图12显示了无孔密封端的立体结构示意图；

图13显示了滑动密封腔的立体结构示意图；

图14显示了过渡环的立体结构示意图；

图15显示了氧管的立体结构示意图；

图16显示了氧管延长段内的中心容腔为圆柱形时的结构示意图；

图17显示了氧管延长段内的中心容腔为锥形时的结构示意图；

图18显示了氧管延长段内的中心容腔为倒锥形时的结构示意图。

其中有：1.线性电机；11.联轴器；12.电机输出轴；2.滑动密封段；21.有孔密封端；22.滑动密封腔；221.密封气体入口；23.密封槽；24.滑动密封环；3.喷注器；31.氧腔；311.氧入口；312.第一传感器接口；32.滑杆；321.带孔活塞；322.气针；323.调整筒；33.氧管延长段；331.过渡环；332.中心容腔；34.氧管；341.挡油环；342.喷嘴密封环；35.燃料腔；351.燃料入口；352.第二传感器接口；4.透明观察段；5.燃烧室；6.喷管；7.无孔密封端。

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，一种缩比发动机，包括依次同轴设置的喷注器3、透明观察段4、燃烧室5和喷管6。喷注器3、透明观察段4、燃烧室5和喷管6相互之间均为可拆卸连接。

如图3和图4所示，喷注器3包括依次同轴设置的氧腔31、氧管延长段33、氧管34和燃料腔35，且氧腔31、氧管延长段33、氧管34和燃料腔35相互之间也均为可拆卸连接。

氧腔31内根据需要，可以设置滑杆32，也可以不设置滑杆32。

一、氧腔31内不设置滑杆32

如图4所示，喷注器3内无滑杆32设置，喷注器3的左端采用如图12所示的无孔密封端7进行密封。

上述这种设置方式，能进行喷注器3结构参数及燃烧室5内压力、氧管延长段33长度对燃烧稳定性影响的实验研究。喷注器3结构参数的变化主要包括：氧气管长度、氧气和燃料入口条件对稳定的影响。由于上述喷注器3、透明观察段4、燃烧室5和喷管6之间均为可拆卸连接，故能通过更换不同型号或长度的氧管34、氧管延长段33、挡油环341、燃料管和燃烧室5，从而实现不同的燃烧室声学振荡频率。

二、氧腔31内设置滑杆32

如图1、图2和图3所示，均为氧腔31内设置有滑杆32的情形，滑杆32的立体结构，如图8所示。氧腔31的左侧从左至右依次设置有线性电机1和滑动密封段2。

滑动密封段2包括依次同轴套装于滑杆32上的有孔密封端21、滑动密封腔22、密封槽23和滑动密封环24。

滑动密封腔22的立体结构，如图13所示，滑动密封腔22的顶部设置有密封气体入口221，滑动密封腔22的右侧，能与氧腔31的左侧相配合。

如图3所示，密封槽23的两侧均还设置有O型密封环，从密封气体入口通入密封气体，该密封气体将挤压密封槽23两侧的O型密封环，从而实现滑动密封。

上述氧管34的立体结构如图15所示，氧腔31的顶部设置有氧入口311，氧腔31的底部设置有若干个第一传感器接口312，第一传感器接口312的数量，根据需要进行设定。

上述氧管延长段33中心沿轴向设置有贯通的中心容腔332，中心容腔332的形状可以为如图16所示的圆柱形，也可以为如图17所示的锥形或如图18所示的倒锥形。锥形或倒锥形的中心容腔332的设置，能使氧管延长段33的直径不等。

当上述中心容腔332为锥形或倒锥形时，仅与带孔活塞321配合使用。

氧管延长段33与氧腔31之间还设置有过渡环331，过渡环331的立体结构如图14所示。过渡环331的设置，能使氧气从氧腔31至氧管延长段33时的入口面积得到一个缓冲，因为氧气的入口面积大小以及氧气的速度大小，将影响声学边界。

氧管34与氧管延长段33之间设置有挡油环341，氧管34的右侧为喷嘴设置，氧管34与燃料腔35之间设置有喷嘴密封环342。

燃料腔35的顶部设置有燃料入口351，燃料腔35的底部设置有若干个第二传感器接口352。燃料管上有六个切向孔，孔大小，位置和旋向可调。通过更换不同的燃烧室5的长度，实现不同的燃烧室声学振荡频率。

上述滑杆32的左端分别从滑动密封腔22和有孔密封端21中穿出。滑杆32的穿出端与线性电机1的电机输出轴12通过联轴器11相连接。线性电机1轴向移动，从而带动滑杆32的轴向移动，在滑动密封段2的作用下，在滑杆32轴向移动时，仍能使氧腔31内保持密封状态。

滑杆32的右端能够可拆卸连接有带孔活塞321或气针322或调整筒323，带孔活塞321或气针322或调整筒323均能够在氧管延长段33的中心容腔332内轴向移动。

带孔活塞321的立体结构，如图9所示。带孔活塞321具有两种结构，一种是能与圆柱形圆柱形的中心容腔332相配合的圆柱形结构；另一种是能与锥形或倒锥形的中心容腔332相配合的锥形或倒锥形结构。

当带孔活塞321为锥形或倒锥形结构时，能利用带孔活塞321的轴向移动和中心容腔332的锥形壁面之间的环形空隙，来连续调节氧气的入口条件，同时由于带孔活塞321的轴向移动，也在连续调节氧管34的有效长度，即锥形或倒锥形的设置，实现了氧气入口条件和氧管有效长度的同时连续变化。

另外需要说明的是带孔活塞321在氧管延长段33的中心容腔332内滑动，仅限于中心容腔332的前半段内，即锥形或倒锥形的容腔内滑动。

气针322的立体结构，如图10所示，气针322的形状为锥形。

调整筒323的立体结构，如图11所示，调整筒323与滑杆32相连接的一端，也即左端为封闭端，该封闭端设置有仅供氧气通过的气孔；调整筒323的另一端，也即右端为开口设置。

上述调整筒323的设置方式，能通过更换或调整不同型号的调整筒，使调整筒中封闭端的气孔大小得到调整，实现对不同的氧气入口条件，从而实现考察不同的入口条件和不同缩进长度的影响。

另外，调整筒323外表面和氧管延长段33内表面滑动密封。

1.滑杆32与带孔活塞321可拆卸连接

如图5所示，显示了滑杆32与带孔活塞321可拆卸连接时的结构示意图，带孔活塞321的外圆周表面能与中心容腔332的内表面滑动密封连接；带孔活塞321能在滑杆32的带动下，在中心容腔332内轴向移动，实现氧管延长段33长度的连续变化。

试验开始前，首先将相关部件安装到位，使带孔活塞321位于氧管延长段33的左端，试验点火稳定燃烧后，接通线性电机1的电源，滑杆32带动带孔活塞321沿氧管延长段33内壁向氧管延长段33右端进行滑动，使氧管延长段33长度发生连续变化，当带孔活塞321移动到某一位置时，缩比发动机实现自发不稳定燃烧，继续移动滑杆32，发动机会实现由不稳定向稳定燃烧转变。在滑杆32不变情况下改变喷注器3其他参数比如不同长度的挡油环、不同切向孔的燃料管和不同入口的带孔活塞321等来分别考察这些因素对稳定性的影响。

2.滑杆32与气针322可拆卸连接

如图6所示，显示了滑杆32与气针322可拆卸连接时的结构示意图，气针322能在滑杆32的带动下，在中心容腔332内轴向移动，实现氧气入口条件和/或氧管延长段33长度的连续变化。当中心容腔332为圆柱形或锥形或倒锥形时，即能实现氧气入口条件和氧管延长段33长度的同时连续变化。

3.滑杆32与调整筒323可拆卸连接

如图7所示，显示了滑杆32与调整筒323可拆卸连接时的结构示意图。

氧管34的末端面与燃烧室5上端面（或左端面，也即喷注面）之间的距离，称之为缩进长度；当滑杆32与调整筒323可拆卸连接时，调整筒323能在滑杆32的带动下，在中心容腔332内轴向移动，实现缩进长度的连续变化。

上述透明观察段4优选采用内层为丙酸脂外层石英玻璃双层结构，从而使喷注器3可视化，能够直观地观察燃烧情况。

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 (8)

1.一种缩比发动机，其特征在于：包括依次同轴设置的喷注器、燃烧室和喷管，且喷注器、燃烧室和喷管相互之间均为可拆卸连接；所述喷注器包括依次同轴设置的氧腔、氧管延长段、氧管和燃料腔，且氧腔、氧管延长段、氧管和燃料腔相互之间也均为可拆卸连接；所述氧腔上设置有氧入口，燃料腔上设置有燃料入口，氧管延长段的中心沿轴向设置有贯通的中心容腔；所述氧腔内设置有能够轴向移动的滑杆，滑杆的一端可拆卸连接有带孔活塞或气针或调整筒，所述带孔活塞或气针或调整筒均能够在氧管延长段的中心容腔内轴向移动。

2.根据权利要求1所述的缩比发动机，其特征在于：所述中心容腔的形状为圆柱形或锥形或倒锥形。

3.根据权利要求1所述的缩比发动机，其特征在于：当所述滑杆与带孔活塞可拆卸连接时，带孔活塞的外圆周表面能与中心容腔的内表面滑动密封连接；带孔活塞能在滑杆的带动下，在中心容腔内轴向移动，实现氧管延长段长度的连续变化。

4.根据权利要求1所述的缩比发动机，其特征在于：所述气针的形状为锥形，当所述滑杆与气针可拆卸连接时，气针能在滑杆的带动下，在中心容腔内轴向移动，实现氧气入口条件的连续变化。

5.根据权利要求1所述的缩比发动机，其特征在于：所述氧管的末端与喷注面之间的距离，称之为缩进长度；当所述滑杆与调整筒可拆卸连接时，调整筒能在滑杆的带动下，在中心容腔内轴向移动，实现缩进长度的连续变化。

6.根据权利要求5所述的缩比发动机，其特征在于：所述调整筒与滑杆相连接的一端为封闭端，该封闭端设置有仅供氧气通过的气孔；调整筒的另一端为开口设置。

7.根据权利要求1所述的缩比发动机，其特征在于：所述滑杆的另一端与线性电机相连接，线性电机驱动滑杆的轴向移动；所述线性电机与氧腔之间设置有滑动密封段，该滑动密封段包括依次同轴套装于滑杆上的有孔密封端、滑动密封腔、密封槽和滑动密封环，所述密封槽的两侧均还设置有O型密封环，所述滑动密封腔上设置有密封气体入口，通过密封气体挤压密封槽两侧的O型密封环，实现滑动密封。

8.根据权利要求1所述的缩比发动机，其特征在于：所述喷注器和燃烧室两者之间还同轴且可拆卸连接有一个透明观察段。