CN111927653A - 一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，包括底座，夹持导向机构、燃烧室试验件、传力装置、力学传感器、承力架以及数据采集系统；利用传力装置将燃烧室试验件的推力传递给力学传感器从而通过数据采集系统进行推力测量。整个试验装置采用卧式结构，燃烧室试验件后端通过夹持导向机构进行支撑和导向，并保证燃烧室试验件与传力装置处于同一高度。采用本发明通过地面试验的方式中获得了推力随时间变化的曲线，进而获得发动机的比冲和特征速度等性能参数，为旋转爆震发动机的设计提供了有力的参考指标。

Description

一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置

技术领域

本发明涉及发动机地面试验技术领域，具体为一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置。

背景技术

爆震燃烧方式不同于以往的等压燃烧的方式，具有能量释放速率快、热力循环效率高等优点，近年来成为推进领域中的研究热点。基于爆震释热形式的旋转爆震发动机的燃烧室一般为环形结构，爆震波沿周向旋转传播，高温高压的燃气从发动机尾部沿轴向排出，产生持续的推力。

目前关于旋转爆震发动机的试验研究主要集中在对爆震性能的研究，而对于推力、比冲等火箭发动机的性能研究较少。但是在实际的工程应用中，推力和比冲是必不可少的性能参数。因此，针对旋转爆震发动机进行推力测量是非常有必要的。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，利用了旋转爆震燃烧室试验件，并通过地面试验的方式，完成了对旋转爆震发动机的推力测量。

本发明的具体技术解决方案为：

本发明提出了一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，包括底座，夹持导向机构、燃烧室试验件、传力装置、力学传感器、承力架以及数据采集系统；

燃烧室试验件包括外筒体以及设置于外筒体内用于产生旋转爆震燃烧的中心体；

夹持导向机构和承力架分别固定安装在底座的两侧；

外筒体通过传力装置与所述力传感器一侧连接，力传感器另一侧与所述承力架连接；

夹持导向机构安装在底座上并与所述外筒体滑动配合，用于在燃烧室试验件产生旋转爆震燃烧时，为燃烧室试验件提供夹持力和导向。

数据采集系统与力传感器电连接，用于采集力传感器的数据信息。

上述装置的基本实现原理是：燃烧室试验件产生旋转爆震燃烧，并通过传力装置将推力传递给力传感器，由数据采集系统采集旋转爆震过程中力传感器的数据，从而得到推力随时间变化的曲线。

进一步地，上述外筒体为分体式结构，包括第一筒段、第二筒段、第一法兰盘、第二法兰盘、多根第一连接螺杆；

第一筒段的后端与夹持导向机构相配合，第一筒段的前端与第二筒段后端之间通过第一法兰盘连接；第二法兰盘固定安装于第二筒段前端；第一法兰盘与第二法兰盘通过多根第一连接螺杆固定连接；

爆震发生装置包括座体、撞击式喷注器以及中心体；

撞击式喷注器安装于第二法兰盘中部；

座体与所述撞击式喷注器一端固连，撞击式喷注器另一端中部与中心体一端螺纹连接，中心体另一端悬置，中心体整体位于第二筒段内，且中心体和第二筒段之间形成环形爆震腔室(其中，中心体的直径可以根据实际需要进行改变，从而改变环形爆震腔室大小)；

座体上设有燃料输入通道和氧化剂输入通道；

撞击式喷注器上设有燃料喷注孔和氧化剂喷注孔；

燃料输入通道通过燃料喷注孔与所述环形爆燃腔室连通，氧化剂输入通道通过氧化剂喷注孔与环形爆震腔室连通。试验时，燃料由燃料输入通道进入，氧化剂由氧化剂输入通道进入，燃料和氧化剂分别通过撞击式喷注器上的燃料喷注孔和氧化剂喷注孔进入环形爆震腔室，进而撞击雾化混合，在环形爆震腔室内发生旋转爆震燃烧产生高温燃气，燃气经由第二筒段排出后产生推力。

进一步地，为了确保环形爆震腔室产生是否为旋转爆震，上述第二筒段上沿着轴向设有多个第一压力传感器安装孔，用于安装测量环形爆震腔室内爆震后产生的压力脉动的压力传感器。

进一步地，上述座体上设有第二压力传感器安装孔和第三压力传感器安装孔，第二压力传感器安装孔用于安装测量燃料输入通道内压力脉动的压力传感器，第三压力传感器安装孔用于测量氧化剂输入通道内压力脉动的压力传感器。

进一步地，上述第一筒段上设有至少一个第四压力传感器安装孔。

进一步地，为了实现对不同尺寸的燃烧室试验件进行推力测量，则夹持导向机构需要根据燃烧室试验件的尺寸变化可以自身调整上、下高度以及夹持的位置，上述夹持导向机构包括龙门式支架、竖直长螺杆、水平螺杆、滑块以及滚轮；

龙门式支架由横梁以及两根立柱组成；

竖直长螺杆为两根，分别位于燃烧室试验件两侧；竖直长螺杆上端与横梁螺纹连接，下端与底座螺纹连接；竖直长螺杆上螺纹连接有滑块以及第一螺母；第一螺母为两个，且位于滑块上方和下方，用于对滑块进行上、下位置的锁定；

每个滑块上均螺纹连接一个水平螺杆以及第二螺母，第二螺母为两个，且位于滑块左侧和右侧，用于对水平螺杆进行左、右位置的锁定；

水平螺杆一端安装滚轮，滚轮与所述外筒体接触。

进一步地，上述传力装置包括第三法兰盘以及多个第二连接螺杆；第三法兰盘通过多个沿圆周方向布置的第二连接螺杆与所述第二法兰盘盘连接，第三法兰盘与力传感器连接。

进一步地，为了避免燃烧室试验件产生旋转爆震时出现上下方向的移动，该装置还包括刚性吊带；刚性吊带一端与所述横梁固连，另一端与所述外筒体连接。

进一步地，承力架包括两个垂直固连于底座上的支撑肋板以及固定连接于两个支撑肋板之间的连接块；所述连接块与力传感器连接。

进一步地，底座上设置有不同距离的孔组，根据不同的燃烧室试验件调整承力架在底座上的位置，以适应不同长度的燃烧室试验件使用。

本发明的有益效果是：

本发明提供设计了燃烧室试验件，并结合底座，夹持导向机构、传力装置、力学传感器、承力架以及数据采集系统搭建了一套推力测量装置，燃烧室试验件产生旋转爆震燃烧过程中，数据采集系统采集力传感器的数据，获得推力随时间变化的曲线，进而获得发动机的比冲和特征速度等性能参数，为旋转爆震发动机的设计提供了有力的参考指标。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明一个试验工况下采集的推力-时间曲线图。

图3为燃烧室试验件外形结构示意图；

图4为燃烧室试验件的剖视图；

图5为图1的左视图；

图6为图1的俯视图。

附图标记如下：

1-底座；

2-夹持导向机构；21-龙门式支架、22-竖直长螺杆、23-水平螺杆、24-滑块、25-滚轮、26-第一螺母、27-第二螺母；

3-燃烧室试验件；31-外筒体、311-第一筒段、312-第二筒段、313-第一法兰盘、314-第二法兰盘、315-第一连接螺杆、316-第一压力传感器安装孔、317-第四传感器安装孔、32-爆震发生装置、321-座体、322-撞击式喷注器、323-中心体、324-环形爆燃腔室、325-第二压力传感器安装孔、326-第三压力传感器安装孔；

4-传力装置；41-第三法兰盘、42-多个第二连接螺杆；

5-力学传感器；

6-承力架、61-支撑肋板、62-连接块；

7-刚性吊带。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其基本结构如图1至图3所示，包括底座1，夹持导向机构2、燃烧室试验件3、传力装置4、力学传感器5、承力架6以及数据采集系统；本发明整体呈卧式结构，其中，燃烧室试验件、传力装置、力学传感器均处于同一高度；

燃烧室试验件3包括外筒体31以及与外筒体连接用于产生旋转爆震的爆震发生装置32；夹持导向机构2和承力架6分别固定安装在底座1的两侧；外筒体31通过传力装置4与所述力传感器5一侧连接，力传感器5另一侧与所述承力架6连接；夹持导向机构2安装在底座1上并与所述外筒体31滑动配合，用于在燃烧室试验件产生旋转爆震时，为燃烧室试验件提供支撑和导向；数据采集系统与力传感器5电连接，用于采集力传感器5的数据信息。通过该装置可以模拟旋转爆震发动机产生爆震时的推力，从而为真实的旋转爆震发动机研制提供有力的数据支撑。

在测试时，燃烧室试验件产生旋转爆震，并通过传力装置将推力传递给力传感器，由数据采集系统采集旋转爆震过程中力传感器的数据，从而得到推力随时间变化的曲线，如图4所示。

基于上述基本结构，本实施例中还提供了以下优化设计：

1、本实施例中外筒体31为分体式结构，如图5和图6所示，包括第一筒段311、第二筒段312、第一法兰盘313、第二法兰盘314以及多根第一连接螺杆315；试验中，可以更换不同长度的第一筒段和第二筒段，用于研究燃烧室长度对爆震燃烧的影响。

第一筒段311的后端与夹持导向机构2相配合，主要用于燃烧室试验件3产生爆震时为燃烧室试验件提供支撑和导向，第一筒段311的前端与第二筒段312后端之间通过第一法兰盘313连接；第二法兰盘314固定安装于第二筒段312前端；第一法兰盘313与第二法兰盘313通过多根第一连接螺杆315固定连接；

爆震发生装置32包括座体321、撞击式喷注器322以及中心体323；

座体32与撞击式喷注器322一端固连(本实施例中采用焊接的方式固定连接)并整体安装于第二法兰盘314中部，撞击式喷注器322另一端中部与中心体323一端螺纹连接，中心体323另一端悬置，中心体323整体位于第二筒段312内，且中心体323和第二筒段312之间形成环形爆震腔室324；

座体321上设有燃料输入通道(图中A位置)和氧化剂输入通道(图中B位置)；

撞击式喷注器322上设有燃料喷注孔和氧化剂喷注孔；

燃料输入通道通过燃料喷注孔与所述环形爆燃腔室324连通，氧化剂输入通道通过氧化剂喷注孔与环形爆震腔室324连通，燃料(一甲基肼)由燃料输入通道进入，氧化剂(四氧化二氮)由氧化剂输入通道进入，燃料和氧化剂分别通过撞击式喷注器上的燃料喷注孔和氧化剂喷注孔进入环形爆震腔室，进而撞击雾化混合，在环型燃烧室内发生旋转爆震燃烧产生高温燃气，燃气经由第二筒段排出后产生推力。

2、为了确保最终获得的推力为旋转爆震所产生，本实施例还在第二筒段312上沿着轴向设有多个第一压力传感器安装孔316，用于安装测量环形爆震腔室内爆震后产生的压力脉动的压力传感器(在需要测量时，插装压力传感器；不需要测量时，则采用堵头进行密封)。

3、为了为后期旋转爆震发动机的研制提供更多的参考数据，本实施例的座体321上设有第二压力传感器安装孔325和第三压力传感器安装孔326，第二压力传感器安装孔用于安装测量燃料输入通道内压力脉动的压力传感器，第三压力传感器安装孔用于测量氧化剂输入通道内压力脉动的压力传感器，并且第一筒段311上设有至少一个第四传感器安装孔317，用于安装测量燃气产生压力脉动的压力传感器。(同样的以上每个压力传感器安装孔在需要测量时，插装压力传感器；不需要测量时，则采用堵头进行密封)

4、为了实现对不同尺寸的燃烧室试验件进行推力测量，则夹持导向机构需要根据燃烧室试验件的尺寸变化可以自身调整上、下高度以及夹持的位置，如图2和图3所示，本实施例中夹持导向机构2包括龙门式支架21、竖直长螺杆22、水平螺杆23、滑块24以及滚轮25；

龙门式支架21由横梁211以及两根立柱212组成；

竖直长螺杆22为两根，分别位于燃烧室试验件3两侧；竖直长螺杆22上端与横梁211螺纹连接，下端与底座1螺纹连接；竖直长螺杆22上螺纹连接有滑块24以及第一螺母26；第一螺母26为两个，且位于滑块24上方和下方，用于对滑块24进行上、下位置的锁定；

每个滑块24上均螺纹连接一个水平螺杆23以及第二螺母27，第二螺母27为两个，且位于滑块24左侧和右侧，用于对水平螺杆23进行左、右位置的锁定；水平螺杆23一端安装滚轮25，滚轮25与所述外筒体31接触。

使用时，首先旋转两个第一螺母26，使第一螺母26均远离滑块24，通过旋转滑块24，使得滑块24高度与被夹持燃烧室试验件3等高(即就是水平螺杆23与被夹持燃烧室试验件3等高)，然后再反方向旋转两个第一螺母26，锁紧滑块24；之后，旋转两个第二螺母27，使第二螺母27均远离滑块24，通过旋转水平螺杆23，使得水平螺杆23一端的滚轮25与被夹持燃烧室试验件3接触，最后再反方向旋转两个第二螺母27，锁紧水平螺杆23；此处描述的是一侧竖直长螺杆的操作过程，另一侧与该侧操作方式相同；通过两侧的相同操作，从而实现燃烧室试验件的支撑和夹持。

5、如图3所示，本实施例中传力装置4包括第三法兰盘41以及多个第二连接螺杆42；第三法兰盘41通过多个沿圆周方向布置的第二连接螺杆42与所述第二法兰盘盘314连接，第三法兰盘314与力传感器5连接。采用这种装置不仅结构简单，而且使得第三法兰盘受力均匀从而更准确的将力传递给力传感器。

6、为了避免燃烧室试验件产生旋转爆震时出现上下方向的移动，如图2所示，该装置还包括刚性吊带7；刚性吊带7一端与龙门式支架的横梁211固连，另一端与所述外筒体31连接。

7、如图3所示，本实施例中承力架6包括两个垂直固连于底座1上的支撑肋板61以及固定连接于两个支撑肋板61之间的连接块62；所述连接块62与力传感器5连接。底座1上设置有不同距离的孔组，根据不同的燃烧室试验件3调整承力架6在底座1上的位置，以适应不同长度的燃烧室试验件3使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：

包括底座，夹持导向机构、燃烧室试验件、传力装置、力学传感器、承力架以及数据采集系统；

燃烧室试验件包括外筒体以及与外筒体连接用于产生旋转爆震燃烧的爆震发生装置；

夹持导向机构和承力架分别固定安装在底座的两侧；

外筒体通过传力装置与所述力传感器一侧连接，力传感器另一侧与所述承力架连接；

夹持导向机构安装在底座上并与所述外筒体滑动配合，用于在燃烧室试验件产生旋转爆震燃烧时，为燃烧室试验件提供支撑和导向；

数据采集系统与力传感器电连接，用于采集力传感器的数据信息。

2.根据权利要求1所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：外筒体为分体式结构，包括第一筒段、第二筒段、第一法兰盘、第二法兰盘、多根第一连接螺杆；

第一筒段的后端与夹持导向机构相配合，第一筒段的前端与第二筒段后端之间通过第一法兰盘连接；第二法兰盘固定安装于第二筒段前端；第一法兰盘与第二法兰盘通过多根第一连接螺杆固定连接；

爆震发生装置包括座体、撞击式喷注器以及中心体；

撞击式喷注器安装于第二法兰盘中部；

撞击式喷注器一端与所述座体固连，撞击式喷注器另一端中部与中心体一端螺纹连接，中心体另一端悬置，中心体整体位于第二筒段内，且中心体和第二筒段之间形成环形爆震腔室；

座体上设有燃料输入通道和氧化剂输入通道；

撞击式喷注器上设有燃料喷注孔和氧化剂喷注孔；

燃料输入通道通过燃料喷注孔与所述环形爆震腔室连通，氧化剂输入通道通过氧化剂喷注孔与环形爆震腔室连通，使得输入的燃料和氧化剂在环形爆燃腔室内发生撞击从而产生爆震燃烧。

3.根据权利要求5所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：所述第二筒段上沿着轴向设有多个第一压力传感器安装孔，用于安装测量环形爆震腔室内爆震后产生的压力脉动的压力传感器。

4.根据权利要求3所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：所述座体上设有第二压力传感器安装孔和第三压力传感器安装孔，第二压力传感器安装孔用于安装测量燃料输入通道内压力脉动的压力传感器，第三压力传感器安装孔用于测量氧化剂输入通道内压力脉动的压力传感器。

5.根据权利要求4所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：所述第一筒段上设有至少一个第四压力传感器安装孔。

6.根据权利要求5所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：所述夹持导向机构包括龙门式支架、竖直长螺杆、水平螺杆、滑块以及滚轮；

龙门式支架由横梁以及两根立柱组成；

竖直长螺杆为两根，分别位于燃烧室试验件两侧；竖直长螺杆上端与横梁螺纹连接，下端与底座螺纹连接；竖直长螺杆上螺纹连接有滑块以及第一螺母；第一螺母为两个，且位于滑块上方和下方，用于对滑块进行上、下位置的锁定；

每个滑块上均螺纹连接一个水平螺杆；在水平螺杆上，且位于滑块左侧和右侧均螺纹连接有第二螺母，用于对水平螺杆进行左、右位置的锁定；

水平螺杆一端安装滚轮，滚轮与所述外筒体接触。

7.根据权利要求6所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：传力装置包括第三法兰盘以及多个第二连接螺杆；第三法兰盘通过多个沿圆周方向布置的第二连接螺杆与所述第二法兰盘连接，第三法兰盘与力传感器连接。

8.根据权利要求7所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：还包括刚性吊带；刚性吊带一端与所述横梁固连，另一端与所述外筒体连接。

9.根据权利要求8所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：承力架包括两个垂直固连于底座上的支撑肋板以及固定连接于两个支撑肋板之间的连接块；所述连接块与力传感器连接。

10.根据权利要求9所述的用于旋转爆震发动机地面试验的推力测量装置，其特征在于：底座上设置有不同距离的用于安装承力架的孔组。

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