CN105784447A - 一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，其发动机燃烧室为空腔圆柱体结构，侧壁面对称固定有两个容积可调的圆柱筒，燃烧室上面连接有一个与其相同的圆柱筒，燃烧室上面设有抽真空气孔、放气孔、氩气进气孔；燃烧室内底面放置推进剂。在圆柱筒内利用预紧螺柱和预紧螺母对硅橡胶环进行压缩，使得硅橡胶环膨胀并与圆柱筒内壁产生较大的摩擦力。圆柱筒体上等间距均布有多个安全气孔,并在其圆柱筒末端设有缓冲垫片和圆柱筒挡板。收集装置通过容积自调节部件来调节燃烧室容积大小，构建压强负反馈机制，维持推进剂燃烧过程中燃烧室内压强的平稳环境，实现对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集。

Description

一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机技术领域，具体地说，涉及一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置。
背景技术
在固体推进剂中，通常会加入一些燃烧热值较高的金属燃料如铝粉等，以提高固体推进剂比冲。对于高含铝复合推进剂，因燃烧室内温度较高，产生的金属燃烧产物Al2O3在燃气中呈熔融状态，即凝相颗粒。凝相燃烧产物颗粒的大小及分布是发动机性能分析和工作过程仿真的重要参数，如固体火箭发动机两相流的规律分析、凝相产物对发动机绝热层和喷管的机械冲刷，以及凝相产物对燃烧不稳定的抑制作用。
近年来,我国多个重点产品型号均采用铝含量较高的复合推进剂，在产品定型试飞过程中，发现凝相燃烧产物对于发动机绝热层烧蚀、喷管喉部沉积或冲刷产生了重大影响，已经发生多起因凝相燃烧产物特性与作用机理不明而引起的重大事故。因而，迫切需要对推进剂凝相燃烧产物的成分及含量进行精确确定，为发动机故障分析、过载分析、烧蚀分析、燃烧不稳定分析提供数据支撑。然而，目前对发动机燃烧室内凝相燃烧产物的特性研究还缺乏认识，其中一个重要的原因就是缺少有效的试验装置和试验方法。
文献“Plumeparticlecollectionandsizingfromstaticfiringofsolidrocketmotors”(AIAA-95-2590)中设计和制造了一种独特的飞镖系统，可对静态点火的固体火箭发动机羽流场中的颗粒进行采集，当飞镖通过羽焰时，会在飞镖铜带表面粘附粒子样品。在不同时刻和不同部位，首次从大尺寸固体火箭发动机排气羽流中采集Al2O3粒子样品。该装置不足之处是收集羽流处的燃烧产物且收集的样品过少不具代表性。
在文献“固体火箭发动机燃烧室凝相粒子的收集与分析”(《固体火箭技术》，2008，31(5):461-463)中提出一种固体火箭发动机燃烧室内凝相粒子收集装置。其基本思路是利用水冻结固体推进剂的燃烧产物，获得凝相粒子。收集装置由粒子收集容器和压力保持容器组成。粒子收集容器内充入定量水，用于冻结推进剂燃烧产物，通过过滤器收集粒径大于3μm的粒子。在粒子收集容器的顶部，设置有一个可拆卸的燃烧室，用于放置推进剂试样、点火装置、充气接口和压强传感器。该收集装置可实现对凝相燃烧产物的收集；不足之处是采用水冻结凝相粒子，存在水与凝相粒子发生化学反应的现象，影响实验结果的准确性。此外，该收集装置在推进剂燃烧过程中，保持容器压强的功能发挥不明显，压强保持不够平稳，不利于准确分析压强对凝相燃烧产物粒度分布的影响。
发明专利CN201410205548.X中公开了“一种固体推进剂燃烧产物收集装置及收集方法”，固体推进剂燃烧产物收集装置由燃气发生器和真空舱组成，燃气发生器与真空舱通过螺栓固定连接，喷管出口处的凝相燃烧产物收集在真空舱內。该收集装置可实现喷管出口处所有凝相燃烧产物的无污染收集，局限性在于不能收集发动机燃烧室内的凝相燃烧产物。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，通过收集装置的容积自调节部件来调节燃烧室容积大小，进而构建了压强负反馈机制，维持推进剂燃烧过程中燃烧室内压强的平稳环境，实现对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括推进剂、燃烧室、预紧螺柱、硅橡胶环、预紧螺母、圆柱筒、缓冲垫、筒体挡板，所述燃烧室为圆柱筒形结构，燃烧室内腔底部中间有方形凹槽，两个圆柱筒分别位于燃烧室外侧壁上对称安装，且圆柱筒的轴线垂直于燃烧室的轴线，燃烧室顶部固定有圆柱筒，且与燃烧室同轴安装，燃烧室顶部均布有抽真空气孔、放气孔、氩气进气孔，推进剂药柱放置在燃烧室底部凹槽内；所述圆柱筒一端为台阶孔且与燃烧室相连通，圆柱筒另一端与筒体挡板焊接，缓冲垫嵌入在筒体挡板与圆柱筒端部连接处，圆柱筒体上等间距设有安全气孔，圆柱筒内腔装有预紧螺柱、硅橡胶环和预紧螺母，用来调节圆柱筒内腔容积。
所述圆柱筒为一个或多个的任意一种。
所述圆柱筒筒壁上的安全气孔为多个,且安全气孔位于同一直线上。
有益效果
本发明提出的压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，通过收集装置的容积自调节部件来改变燃烧室容积大小，维持推进剂燃烧过程中燃烧室内压强的平稳环境，实现对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集。本发明与现有技术相比有如下特点:
(1)收集装置具有容积自调节功能；通过收集装置的容积自调节部件来改变燃烧室容积大小，进而构建了压强负反馈机制，维持推进剂燃烧过程中燃烧室内压强的平稳环境。
(2)收集装置采用两种改变摩擦力大小的方法，用来满足不同压强条件下的恒压要求；第一种方法是,通过调节预紧螺柱与预紧螺母来改变硅橡胶的膨胀程度；第二种方法是,通过串联使用多个硅橡胶环来改变硅橡胶与圆柱筒内壁面的摩擦力大小。
(3)收集装置通过设置安全气孔、缓冲垫片和圆柱筒挡板来保证装置安全；在每个圆柱筒筒体上等间距均布有多个安全气孔,并在圆柱筒末端和筒体挡板之间嵌入有缓冲垫片，当药柱产生的压强超过预估值时，硅橡胶移动超过安全气孔位置，气体从安全气孔排出，硅橡胶被打到筒体挡板处的缓冲垫上，可保证装置安全。
(4)收集装置可根据实际需要，在燃烧室四周安装一个或多个容积调节部件以适应不同工作压强下不同质量推进剂燃烧产生的气体。
(5)收集装置结构简单、易于加工，使用方便，可实现对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置作进一步详细说明。
图1为本发明压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置结构示意图。
图2为本发明收集装置的硅橡胶受力示意图。
图3为本发明收集装置的硅橡胶挤压部位示意图。
图中:
1.推进剂2.燃烧室3.预紧螺柱4.硅橡胶环5.预紧螺母6.安全气孔7.圆柱筒8.缓冲垫9.筒体挡板10.抽真空气孔11.放气孔12.氩气进气孔
具体实施方案
本实施例是一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置。
本实施例压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，通过容积自调节部件来改变容积大小，进而构建了压强负反馈机制，维持发动机燃烧室内压强的平稳。
收集装置容积自调节的原理为:
推进剂燃烧过程中，燃烧室内外压强差P使与其固连的圆柱筒端面产生压力F，F＝PA，式中F为压力，P为压强差，A为端面面积。由于圆柱筒内预紧螺柱和预紧螺母对硅橡胶环产生径向压力N，在径向压力N作用下硅橡胶环与壁面产生摩擦力f。当压力F大于最大摩擦力fmax时，fmax＝uN，式中fmax为最大摩擦力，u为摩擦系数，N为径向压力，圆柱筒内预紧螺柱缓慢向外运动，使燃烧室体积增加，压强减小。当压强差小于产生的压力F恰好等于摩擦力f，f＝uN时停止运动。即当压强差大于uN/A时，燃烧室体积增加，压强减少，当压强差等于uN/A时，运动停止，压强维持恒定。最终建立压强维持在uN/A的压强负反馈调节机制。
参阅图1～图3，本实施例压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，由推进剂1、燃烧室2、预紧螺柱3、硅橡胶环4、预紧螺母5、安全气孔6、圆柱筒7、缓冲垫8、筒体挡板9、抽真空气孔10、放气孔11、氩气进气孔12组成；燃烧室2通过螺栓固定安装在试验台架上。燃烧室2为圆柱筒形结构，燃烧室2内底部中间部位有方形凹槽，推进剂1和点火药包放置在燃烧室2内底部凹槽中。两个圆柱筒7分别固定在燃烧室2外侧壁上对称安装，且圆柱筒7的轴线垂直于燃烧室2的轴线，燃烧室2顶部固定有一个圆柱筒7,且与燃烧室2同轴安装,圆柱筒7与燃烧室2通过螺栓固定连接；在燃烧室2顶部以圆心为中心均布有抽真空气孔10、放气孔11、氩气进气孔12，且分别与氩气瓶、放气阀和真空泵相连接。
本实施例中采用3个容积可调节的圆柱筒与燃烧室2固连相通；圆柱筒7一端为台阶孔与燃烧室2连接，圆柱筒7另一端与筒体挡板9固定焊接，缓冲垫8嵌入在筒体挡板9与圆柱筒7端部连接处，圆柱筒7筒壁上有多个安全气孔6，圆柱筒7内腔依次装有预紧螺柱3、硅橡胶环4和预紧螺母5；在圆柱筒7内，预紧螺柱3和预紧螺母5调节对硅橡胶环4进行压缩，使得硅橡胶环4膨胀且与圆柱筒7内筒壁产生总摩擦力f，总摩擦力f等于端面气体压强产生的压力F，其中F＝PA。为保证装置安全，在每个圆柱筒7筒壁上等间距布有多个位于同一直线上的安全气孔6，本实施例中圆柱筒壁上的安全气孔6为12个。当推进剂产生的气体超过预估值时，硅橡胶环4移动超过安全气孔6位置，气体从安全气孔6排出，硅橡胶环4被推移到圆柱筒7末端的筒体挡板9处的缓冲垫8上，保证装置安全。
本实施例中实现装置的压强平稳通过调节径向压力N。调节方式有两种:一种是通过调节圆柱筒7内的预紧螺柱3与预紧螺母5来改变硅橡胶环4的膨胀程度；另一种是通过在圆柱筒7内串联使用多个硅橡胶环4来改变硅橡胶环4的弹性模量。根据理想气体状态方程PV＝nRT可知，对于一定质量的固体推进剂1，压强与容积成反比。故可根据实际需要，在燃烧室2周围安装一个或多个容积可调的圆柱筒7,用来适应不同工况下推进剂1燃烧产生的气体。
不同工况下无污染收集凝相燃烧产物的具体步骤如下:
(1)装配容积可调部件；在圆柱筒7内腔依次装有预紧螺柱3、硅橡胶环4和预紧螺母5，在圆柱筒末端焊接有筒体挡板9，圆柱筒末端与筒体挡板9之间嵌入有缓冲垫8。
(2)装配燃烧室2；将燃烧室2固定在试验台架上,在燃烧室2的顶部和两侧面固定安装容积可调部件，并在燃烧室2内底部凹槽处放置点火药包和固体推进剂1。
(3)关闭燃烧室2的放气孔11和氩气进气孔12，打开抽真空气孔10，开启真空泵将燃烧室2内气压抽至0.03MPa，保持5分钟后关闭真空泵和抽真空气孔10，检查燃烧室2的气密性。
(4)按照指令将固体推进剂1点火。
(5)待点火后30分钟，打开放气孔11将燃烧室2内高压气体排泄至一个大气压。
(6)待冷却后，拆卸装置，对发动机燃烧室内所有凝相燃烧产物进行无污染收集清扫至收集袋中，并采用真空包装机将其真空包装，然后对装置进行防锈清洗。
(7)对收集的凝相燃烧产物样品分析处理,获得实验结果。

Claims (3)

1.一种压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，其特征在于:包括推进剂、燃烧室、预紧螺柱、硅橡胶环、预紧螺母、圆柱筒、缓冲垫、筒体挡板，所述燃烧室为圆柱筒形结构，燃烧室内腔底部中间有方形凹槽，两个圆柱筒分别位于燃烧室外侧壁上对称安装，且圆柱筒的轴线垂直于燃烧室的轴线，燃烧室顶部固定有圆柱筒，且与燃烧室同轴安装，燃烧室顶部均布有抽真空气孔、放气孔、氩气进气孔，推进剂药柱放置在燃烧室底部凹槽内；所述圆柱筒一端为台阶孔且与燃烧室相连通，圆柱筒另一端与筒体挡板焊接，缓冲垫嵌入在筒体挡板与圆柱筒端部连接处，圆柱筒体上等间距设有安全气孔，圆柱筒内腔装有预紧螺柱、硅橡胶环和预紧螺母，用来调节圆柱筒内腔容积。
2.根据权利要求1所述的压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，其特征在于:所述圆柱筒为一个或多个的任意一种。
3.根据权利要求1所述的压强自动平衡凝相燃烧产物无污染收集装置，其特征在于:所述圆柱筒筒壁上的安全气孔为多个,且安全气孔位于同一直线上。
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