CN113638823B - 一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，属于针阀式流量调节地面试验领域。本发明的一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，步进电机带动直线位移装置推动移动三角盘共同运动，所述针阀设置于所述喉衬的扩张段，所述喉衬与所述针阀相互配合，调节所述燃气发生器的喷射流量。本发明在进行调节的过程中，可以实现几种不同运动速度、不同移动位移任意组合，达到所需的实验目的；针阀位于喉衬的扩张段，处于燃气的逆流方向，使得本实验装置的密封更为简单；本发明使用三个电机均布的方式共同驱动运动部分，使用三个电机可以减小整个装置的空间占有率，运动过程中更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，属于针阀式流量调节地面试验领域。
背景技术
固体火箭发动机虽结构简单，但可控性较差，推进剂装药一经点燃，就会按照预定的规律进行燃烧。在工作的过程中无法进行控制，不能调节工作过程中的推力大小，更不能随意地停止或者多次启动，这大大限制了固体火箭发动机的应用和发展。但是固体火箭发动机结构简单，依然成为了众多武器导弹上动力装置的首选。变推力固体火箭发动机是发动机发展的热点问题，而在众多改变推力的方法中，利用针阀调节来改变等效喉部面积进而改变流量的方法是简单有效的方法之一。
当前，固体火箭发动机的变流量调节技术大都是通过调节装置运动改变等效喉部面积来实现的。针阀式变喉面调节具有可实现连续调节、调节范围大、补偿烧蚀等优点，但由于燃气流量调节阀需要长期工作在高温、高压的燃气中，因此系统设计面临材料烧蚀、驱动密封、喉栓沉积等问题。二十世纪七十年代开始，国外就针对变推力固体火箭发动机进行了大量的理论与实验研究，但是受到密封、材料烧蚀等实际情况的制约，进展较为缓慢。至八九十年代，随着材料、密封、仿真计算软件等技术的发展，对变推力固体火箭发动机的研究取得了一定进步。AMCOM与CFD研究公司(CFDRC)合作开发了喉栓发动机相关分析测试系统，围绕材料选择、性能预测和发动机控制系统等问题进行了设计。近些年来，国内相关单位航天动力技术研究院、航天科工集团第三研究院、国防科技大学、北京理工大学等单位围绕燃气流量调节系统原理分析、系统设计、数值模拟和试验等方面进行了大量研究。然而由于材料、实验手段的限制，变推力固体火箭发动机存在以下问题：1)阀体处于高温、高压的燃气流中，阀体和喷管烧蚀严重；2)针阀大都位于喷管的收缩段，发动机的密封相对困难；3)部分发动机针阀驱动系统采用辅助液压驱动方式，结构复杂，采用电子机械驱动方式结构大大简化，消极质量相应也会减少。
发明内容
为了解决现有的针阀式流量可调燃气发生器密封困难、结构复杂、不易集成等问题，本发明公开的一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置要解决的技术问题是实现针阀式流量可调燃气发生器地面试验，具有如下优点：(1)针阀位于喷管的扩张段，密封容易；(2)选用三个电机进行驱动，驱动稳定，减少装置空间占用率，结构对称，方便布局；(3)结构简单，可以重复使用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，包括燃气发生器及驱动机构，二者通过连接法兰连接；所述燃气发生器包括设置于喷射端的后端盖及喉衬；所述的驱动机构包括运动部分和固定部分，所述运动部分包括外端盖、移动三角盘、针阀和O型密封圈，外端盖和针阀连接在移动三角盘上，三个直线位移装置通过12个螺栓连接在大空腔法兰上，运动部分靠步进电机带动直线位移装置推动移动三角盘共同运动；所述固定部分包括电木衬层、拉线位移传感器、大空腔法兰，直线位移装置和轴承套通过螺钉固定在大空腔法兰的一端；大空腔法兰的另一端与连接法兰相连，最终将整个驱动机构通过连接法兰连接在所述燃气发生器上，组成流量可调燃气发生器；所述针阀设置于所述喉衬的扩张段，所述喉衬与所述针阀相互配合，调节所述燃气发生器的喷射流量。
作为优选，所述后端盖上开有沟槽，实现动密封。
作为优选，所述驱动机构包括三个直线位移装置，三个所述直线位移装置均布共同推动所述运动部分。
作为优选，所述针阀采用前端圆柱后端三角的构型。
作为优选，所述外端盖与所述后端盖相互配合形成一个导向结构，保证所述针阀始终在水平轴线上运动。
作为优选，所述固定部分还包括长尾管，所述长尾管设置于所述移动三角盘上供燃气流通过。
作为优选，所述运动部分还包括设置于所述长尾管上的轴承及轴承套，所述轴承设置于所述轴承套和所述长尾管中间，所述轴承可防止所述运动部分在运动的过程中出现卡顿。
有益效果：
1、本发明公开的是一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，相比于其他的调节装置，本装置驱动电机的移动速度可达100mm/s，位移最大可达40mm；在进行调节的过程中，可以实现几种不同运动速度、不同移动位移任意组合，达到所需的实验目的。
2、本发明公开的是一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，相比于其他的针阀式流量调节装置，本装置的针阀位于喉衬扩张段，处于燃气的逆流方向；虽然需要较大的电机驱动力，但是相比于在收缩段的结构，装置密封更为简单。
3、本发明公开的是一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，驱动装置运动部分的外端盖与燃气发生器后端盖通过配合形成了一个导向结构，使得针阀在运动过程中保证与喉衬轴线相对中。
4、本发明公开的是一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，本装置使用三个电机均布的方式共同驱动运动部分，相比于一个电机驱动的方式，三个电机共同作用可以减少每个电机的驱动力；三个电机便于进行周向上的布置，同时相比于一个电机，使用三个电机可以减小整个装置的空间占有率，运动过程中更稳定。
5、本发明公开的是一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，本装置的驱动部分长尾管的外端装有一个轴承，可以有效地防止运动部件在运动的过程中出现卡顿现象。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置的内部结构示意图；
图2为本发明针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置的侧面结构示意图；
图3为本发明针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置的大空腔法兰示意图；
图4为本发明针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置的移动三角盘示意图；
图5为本发明针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置的软件操作界面。
图中：1-燃气发生器；1.1-前端盖；1.2-壳体；1.3-垫块；1.4-O型密封圈；1.5-推进剂装药；1.6-安全爆破装置基座；1.7-安全爆破塞；1.8-安全爆破盖子；1.9-点火转接头；1.10-挡药板；1.11-绝热层；1.12-紫铜垫片；1.13-喉衬筒子；1.14-喉衬；1.15-后端盖；2-驱动装置；2.1-连接法兰；2.2-大空腔法兰；2.3-拉线传感器；2.4-电木衬层；2.5-外端盖；2.6-O型密封圈；2.7-针阀；2.8-移动三角盘；2.9-石墨垫片；2.10-轴承盖；2.11-轴承；2.12-长尾管；2.13-直线位移装置。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
本实施例公开的一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置包括燃气发生器1和驱动装置2。所述的燃气发生器1包括前端盖1.1、壳体1.2、垫块1.3、O型密封圈1.4、推进剂装药1.5、安全爆破装置基座1.6、安全爆破塞子1.7、安全爆破盖子1.8、点火转接头1.9、挡药板1.10、绝热层1.11、紫铜垫片1.12、喉衬筒子1.13、喉衬1.14、后端盖1.15。所述的驱动装置2包括连接法兰2.1、大空腔法兰2.2、拉线传感器2.3、电木衬层2.4、外端盖2.5、O型密封圈2.6、针阀2.7、移动三角盘2.8、石墨垫片2.9、轴承盖2.10、轴承2.11、长尾管2.12、直线位移装置2.13。
驱动装置2分为运动部分和固定部分。所述的运动部分包括外端盖2.5、O型密封圈2.6、针阀2.7、移动三角盘2.8、石墨垫片2.9、轴承2.11、长尾管2.12。
大空腔法兰2.2上共有四种通孔，其中2.2.1为三个M6的螺纹通孔，轴承盖通过2.2.1固定在大空腔法兰2.2上；2.2.2为三个M6的定位螺纹孔，与移动盘2.8上的2.8.3连接，在安装的过程中将移动盘2.8先固定在大空腔法兰2.2上，最后装配完将其取下；2.2.3为三个大通孔，供直线位移装置2.13穿过；2.2.4为十二个M8的螺纹通孔，用来将三个直线位移装置2.13固定在大空腔法兰2.2上。
移动三角盘2.8上共有四种通孔，其中2.8.1为M10的螺纹通孔，针阀2.7通过螺纹连接固定；2.8.2为三个M6的定位螺纹通孔，将外端盖2.5连接；2.8.3为六个定位的通孔，与大空腔法兰2.2上的2.2.2配合，在装配的过程中将移动三角盘2.8固定在大空腔法兰2.2上，装配完将其取下；2.8.4为三个大通孔，供直线位移装2.13的顶针穿过，利用螺母进行固定。
运动部分的连接方式为：移动三角盘2.8中间开有M10的螺纹通孔，针阀2.7通过螺纹连接固定在移动盘2.8上；移动三角盘2.8的三个角处有三个通孔，三个直线位移装置的顶针通过螺母固定在移动三角盘2.8上；在针阀2.7的一端，外端盖2.5通过三个螺钉连接在移动三角盘2.8上，在连接的过程中需要在外端盖2.5的沟槽内放置O型密封圈2.6；在移动三角盘2.8的另一端，长尾管2.12通过螺纹连接固定在移动三角盘2.8上，连接过程中在长尾管2.12的端面处需放置石墨垫片2.9；长尾管2.12的外端套有一个轴承2.11。所述的固定部分包括连接法兰2.1、大空腔法兰2.2、电木衬层2.4、轴承套2.10。固定部分的连接关系为，运动部分中的三个直线位移装置2.13通过螺钉固定在大空腔法兰2.2上；轴承套2.10套在轴承2.11的外侧，并通过三个M6螺钉固定在大空腔法兰2.2上；在大空腔法兰2.2的另一端与连接法兰2.1进行连接。
本实施例公开的一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实验目的确定流量调节比，每个流量针阀2.7所处的位置、针阀2.7的移动速度及停留时间；
步骤二：根据实验目的选择合适量程的压力传感器30MPa，拉线位移传感器50mm；
步骤三：根据装配关系，对针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置进行组装；
驱动装置的安装顺序为：1)外端盖2.5的沟槽里放置O型密封圈2.6，通过三个内六角螺钉固定在移动三角盘2.8上；2)针阀2.7通过螺纹连接(M10)安装在移动三角盘2.8上；3)利用定位螺钉，将移动三角盘2.8固定在大空腔法兰2.2上；4)安装三个直线位移装置2.13中的两个，每个直线位移装置有四个定位螺钉，利用定位螺钉将其固定在大空腔法兰2.2上，同时将伸出的顶针用螺母固定在移动三角盘2.8上；5)利用三个螺钉将轴承盖2.10固定在大空腔法兰2.2上，同时将长尾管2.12通过螺纹连接安装在移动三角盘2.8上，在长尾管2.12的前端螺纹的退刀槽处装有石墨垫片2.9；6)安装最后一个直线位移装置2.13到大空腔法兰2.2上；7)将3)中的定位螺钉取下；8)利用M10的内六角螺栓将大空腔法兰盘2.2与连接法兰盘2.1连接；9)将连接法兰2.1通过八个M8的螺栓连接到燃气发生器1上，组成针阀式流量可调燃气发生器。
步骤四：根据步骤一确定的初始位置，对针阀2.7的位置进行归零，确定针阀2.7所需要的初始位置。
实验前，缓慢移动针阀2.7，至其撞击到喉衬1.14的内型面；根据装置的几何尺寸得出想要的初始位置点，让针阀2.7缓慢退出至目标位置即初始零位置。
步骤五：根据步骤一的计算结果，对针阀2.7所需要进行的位移及停留时间进行设置。
针阀的运动位移、运行时间及停留时间可以任意设置，并实现四种不同的运动组合。
步骤六：准备进行实验，进行压力数据采集。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。
Claims (8)
1.一种针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：包括燃气发生器及驱动机构，二者通过连接法兰连接；所述燃气发生器包括设置于喷射端的后端盖及喉衬；所述的驱动机构包括运动部分和固定部分，所述运动部分包括外端盖、移动三角盘、针阀和O型密封圈，外端盖和针阀连接在移动三角盘上，靠步进电机带动直线位移装置推动移动三角盘共同运动；所述固定部分包括电木衬层、拉线位移传感器、大空腔法兰，直线位移装置和轴承套通过螺钉固定在大空腔法兰的一端；大空腔法兰的另一端与连接法兰相连，最终将整个驱动机构通过连接法兰连接在所述燃气发生器上，组成流量可调燃气发生器；所述针阀设置于所述喉衬的扩张段，所述喉衬与所述针阀相互配合，调节所述燃气发生器的喷射流量。
2.根据权利要求1所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述后端盖上开有沟槽，实现动密封。
3.根据权利要求1所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述驱动机构包括三个直线位移装置，三个所述直线位移装置均布共同推动所述运动部分。
4.根据权利要求1所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述针阀采用前端圆柱后端三角的构型。
5.根据权利要求1所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述外端盖与所述后端盖相互配合形成一个导向结构，保证所述针阀始终在水平轴线上运动。
6.根据权利要求1所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述固定部分还包括长尾管，所述长尾管设置于所述移动三角盘上供燃气流通过。
7.根据权利要求6所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述运动部分还包括设置于所述长尾管上的轴承及轴承套，所述轴承设置于所述轴承套和所述长尾管中间，所述轴承可防止所述运动部分在运动的过程中出现卡顿。
8.根据权利要求1所述的针阀式流量可调燃气发生器地面试验装置，其特征在于：所述针阀外型面和喉衬的内型面可以任意切换。
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