CN105448177B - 用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器，燃气发生器内部设有点火药包，燃气发生器的一端密封设置，燃气发生器的另一端同轴连接收敛段、沉积器和凹腔；收敛段为光滑收缩的中空锥形腔体，收敛段内靠近沉积器的一端固定安装有用于调节燃气中颗粒相浓度的调节环，沉积器的外壁上对称连通设置有两个用于排气的反向喷管，凹腔的出口端通过盖板密封，盖板的内侧设置有绝热层试件。本发明结构简单，安装、使用方便；实验装置通过改变调节环直径或凹腔的沉积深度，从而调节颗粒相浓度，来模拟大型固体火箭发动机在喷管背壁凹腔内颗粒相沉积条件下绝热层的烧蚀现象。
Description
技术领域
本发明属于火箭发动机技术领域，涉及一种用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置。
背景技术
现代固体火箭发动机设计中为了提高比冲与缩短发动机整体长度，通常在推进剂中加入金属粉末。然而在发动机工作过程中，随着燃面的推移在潜入喷管背壁区域逐渐形成一个空腔，该空腔内存在复杂的回流区，由于颗粒相具有较大的惯性，不容易追随流线，因此在气流偏转较大的喷管背壁区域容易同气流分离进而进入回流区，继而沉积在空腔内成为熔渣；大型分段式固体火箭发动机水平试车结束时，在下表面上有大量沉积的存在。目前，在有颗粒相沉积的条件下，对于绝热层的烧蚀现象的研究比较缺乏。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，以研究固体火箭发动机在颗粒相沉积条件下绝热层的烧蚀现象。
本发明所采用的技术方案是，用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器，燃气发生器内部设有推进剂和用于点燃推进剂的点火药包，燃气发生器的一端密封设置，燃气发生器的另一端依次同轴连接收敛段、沉积器和凹腔并形成贯通的腔体；
燃气发生器的内径大于沉积器的内径，收敛段为光滑收缩的中空锥形腔体，收敛段内靠近沉积器的一端固定安装有用于调节燃气中颗粒相浓度的调节环，沉积器的外壁上对称连通设置有两个用于排气的反向喷管，凹腔的出口端通过盖板密封，盖板的内侧设置有绝热层试件；
燃气发生器中燃烧产生的气固混合物流经收敛段，用以调节其中颗粒相浓度，再流向沉积器，其中，颗粒相沉积至绝热层试件的表面，气相通过两个反向喷管排出。
进一步的，燃气发生器的密闭端连接有用于固定燃气发生器的前封头顶杆。
进一步的，点火药包位于推进剂的中心位置旁。
进一步的，调节环为内壁光滑收缩的环状钢圈。
进一步的，两个反向喷管与沉积器的轴线夹角均为40°～80°。
进一步的，盖板上设置有用于测量颗粒相沉积对绝热层试件传热量的热电偶。
本发明的有益效果是，结构简单，安装、使用方便；实验装置通过改变调节环直径或凹腔的沉积深度，从而调节颗粒相浓度，来模拟大型固体火箭发动机在喷管背壁凹腔内颗粒相沉积条件下绝热层的烧蚀现象。
附图说明
图1是本发明用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置的结构示意图。
图中，1.前封头顶杆，2.燃气发生器，3.推进剂，4.点火药包，5.收敛段，6.调节环，7.沉积器，8.反向喷管，9.绝热层试件，10.盖板，11.热电偶，12.凹腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，如图1，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器2，所述燃气发生器2内部设有推进剂3和用于点燃推进剂3的点火药包4，所述燃气发生器2的一端密封设置，所述燃气发生器2的另一端依次同轴连接收敛段5、沉积器7和凹腔12并形成贯通的腔体；
所述燃气发生器2的内径大于所述的沉积器7的内径，所述收敛段5为光滑收缩的中空锥形腔体，所述的收敛段5内靠近沉积器7的一端固定安装有用于调节燃气中颗粒相浓度的调节环6，所述的沉积器7的外壁上对称连通设置有两个用于排气的反向喷管8，所述凹腔12的出口端通过盖板10密封，所述盖板10的内侧设置有绝热层试件9；
所述燃气发生器2中燃烧产生的气固混合物流经收敛段5，用以调节其中颗粒相浓度，再流向沉积器7，其中，颗粒相沉积至绝热层试件9的表面，气相通过两个反向喷管8排出。
燃气发生器2为空心圆柱体，燃气发生器2的一端密闭并安装有前封头顶杆1，前封头顶杆1用来固定燃气发生器2，燃气发生器2的另一端与收敛段5的入口端连通。前封头顶杆1与推力墩相顶，使得燃气发生器2固定于试车台架上。
燃气发生器2内设置有推进剂3和用于点燃推进剂3的点火药包4，点火药包4位于推进剂3的中心位置旁。点火药包4连接至设置在燃气发生器2外壁上的点火电源，通过点火药包4可以点燃推进剂3以产生燃气气流。
收敛段5的燃气入口端尺寸大于其燃气出口端尺寸，保证了所述燃气发生器2的内径大于所述的沉积器7的内径，收敛段5的燃气出口端固定安装有用于调节燃气中颗粒相浓度的调节环6。调节环6为内壁光滑收缩的环状钢圈。调节环的外径固定尺寸，内径尺寸设计为多种，实际工作中选择合适内径尺寸的调节环6安装在收敛段5与沉积器7相邻的端部，用以调整可燃混合物中颗粒相的浓度，由数值计算及试验结果可知，粒子冲刷速度和浓度增加与调节环6直径增加并不是简单线性关系，因而根据实际模拟装置的工作状态，通常可以设置多个内径尺寸不同的调节环6，例如直径分别为40mm，45mm，50mm，60mm和80mm。
盖板10上设置有用于测量颗粒相沉积对绝热层试件9传热量的热电偶11，通过该热电偶11可以测量绝热层试件的传热量。
本发明的工作过程为：将燃气发生器2壳体固定于试车台架，前封头顶杆1与推力墩相顶；推进剂3与点火药包4装于燃气发生器2前端，注意点火药包4应悬挂于推进剂3药面中心；点火药包4经24V点火电源激励后将推进剂3引燃；点火后由推进剂3产生的气固两相流流经收敛段5与调节环6，在两者的共同作用下，燃气中颗粒相浓度可根据调节环6直径的大小而随意调节；颗粒相与燃气相进入沉积器7后，由于沉积器7外壁设置有两个反向喷管8，所以在沉积器7的中后段，即反向喷管8的入口处会形成回流区，由于颗粒相具有较大的惯性，不容易追随流线，因此在气流偏转较大的回流区容易同气流分离进而进入沉积器7的后段凹腔12，在不同的捕获准则下，会有一定尺寸范围内的颗粒相沉积于盖板10上所放置的绝热层试件9表面，通过热电偶11测量所得颗粒沉积对绝热层试件的传热量，达到模拟火箭发动机真实条件下氧化铝颗粒对绝热层试件烧蚀的目的。
通过在沉积器7的后段开设凹腔12，可实现颗粒相在流场中的沉积，后期通过测厚仪与电子显微镜等手段可得到绝热层质量烧蚀率与观察到炭化层等微观形貌，方便了对于颗粒相沉积条件下绝热层烧蚀状况的研究。
实施例：
实验中将本发明的实验装置按照图1所示组装好，其中前封头顶杆1、燃气发生器2、收敛段5、调节环6、沉积器7与盖板10材质均为45#钢；推进剂3、调节环6直径、绝热层试件9、反向喷管8的喉径均由实验工况核定。
前封头顶杆1为长度可调的两段式结构，并与前封头采用M16×1.5螺纹连接；燃气发生器2为空心圆柱体，其壳体长为195mm，外径为220mm，内径为200mm，其表面焊接有点火头座与压力传感器座，燃气发生器2两端的法兰盘上等距开孔20个，孔径为Φ13；收敛段5全长217mm，收敛角度40°，壁厚为10mm，收敛段5前端法兰等距开孔20个，后端法兰等距开孔12个，孔径均为Φ13；沉积器7为长63mm、宽100mm、高100mm、壁厚10mm的空心长方体，在其壳体上下两表面焊接有的反向喷管8，反向喷管8与沉积器7的轴线夹角为60°；热电偶11根据实验要求的温度范围和测量精度，有K型、B型热电偶可供选择。发动机安装完毕后，连接点火线与测温，测压传感器；一切检测无误后点火开启实验装置。
实验结束后，待实验装置冷却至室温，并赋予颗粒相沉积对绝热材料20min烧蚀时间后，再小心拆卸实验装置并作相关清洗工作。
后期工作中，使用精度为0.01mm的测厚仪，测量绝热层试件9烧蚀后的厚度，通过与前期厚度的对比可计算出绝热层质量烧蚀率；使用电镜或x射线三维成像技术观察炭化层等微观形貌从而掌握烧蚀规律，获得烧蚀特性。
下表为分别对三组元推进剂和三组元改推进剂进行试验所测得的数据：
| 最大线性烧蚀率 | 烧蚀前平均厚度 | 烧蚀后平均厚度 | |
| 三组元推进剂 | 0.18mm/s | 9.43mm | 9.04mm |
| 三组元改推进剂 | 0.21mm/s | 9.31mm | 9.11mm |
Claims (5)
1.用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，其特征在于，包括用于燃烧固体推进剂的燃气发生器(2)，所述燃气发生器(2)内部设有推进剂(3)和用于点燃推进剂(3)的点火药包(4)，所述燃气发生器(2)的一端密封设置，所述燃气发生器(2)的另一端依次同轴连接收敛段(5)、沉积器(7)和凹腔(12)并形成贯通的腔体；
所述燃气发生器(2)的内径大于所述的沉积器(7)的内径，所述收敛段(5)为光滑收缩的中空锥形腔体，所述的收敛段(5)内靠近沉积器(7)的一端固定安装有用于调节燃气中颗粒相浓度的调节环(6)，所述的沉积器(7)的外壁上对称连通设置有两个用于排气的反向喷管(8)，所述凹腔(12)的出口端通过盖板(10)密封，所述盖板(10)的内侧设置有绝热层试件(9)；
所述燃气发生器(2)中燃烧产生的气固混合物流经收敛段(5)，用以调节其中颗粒相浓度，再流向沉积器(7)，其中，颗粒相沉积至绝热层试件(9)的表面，气相通过两个反向喷管(8)排出；
所述的两个反向喷管(8)与沉积器(7)的轴线夹角均为40°～80°。
2.如权利要求1所述的用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，其特征在于，所述燃气发生器(2)的密闭端连接有用于固定燃气发生器(2)的前封头顶杆(1)。
3.如权利要求1或2所述的用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，其特征在于，所述点火药包(4)位于推进剂(3)的中心位置旁。
4.如权利要求3所述的用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，其特征在于，所述的调节环(6)为内壁光滑收缩的环状钢圈。
5.如权利要求4所述的用于研究火箭发动机内绝热层烧蚀现象的双喷管模拟装置，其特征在于，所述盖板(10)上设置有用于测量颗粒相沉积对绝热层试件(9)传热量的热电偶(11)。
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