CN114563176B - 一种栓式喷注器及其针阀动特性测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种栓式喷注器及其针阀动特性测试装置和测试方法，主要解决现有栓式喷注器针阀动特性测试方法存在测试时间较长、测试效率较低以及测试成本较高的问题。该针阀动特性测试装置包括位移测量导杆、套管和光电位移传感器，套管设置在中心筒的安装法兰上，位移测量导杆的底端穿过套管与密封法兰连接，顶端延伸至中心筒外侧；光电位移传感器设置在位移测量导杆的顶端，用于测量位移测量导杆的位移。上述针阀动特性测试装置及测试方法为冷态试验，在前期即可获取栓式喷注器的针阀动特性及喷注特性，从而掌握影响针阀动作响应的参数规律以及推进剂开启后进入燃烧室的喷注特性，实现快响应优化，提高了栓式喷注器的工作可靠性。

Description

一种栓式喷注器及其针阀动特性测试装置和测试方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机喷注器领域，具体涉及一种栓式喷注器及其针阀动特性测试装置和测试方法。

背景技术

随着航天器的快速发展，对液体火箭发动机的快响应要求也越来越高。栓式喷注器的面关机技术（在喷注面密封推进剂）是实现发动机快响应的一种有效方案。对于面关机栓式喷注器，其响应特性和密封能力取决于可移动针阀的作动结构、作动阀动态响应和喷注器液力响应特性等，同时也受到加工精度、装配精度的影响。

现有栓式喷注器一般通过热点火试车进行性能测试，从而获取影响针阀动作响应的参数规律以及推进剂开启后进入燃烧室的喷注特性。但是，通过热试车获取性能参数时，测试时间较长、测试效率较低，且测试成本较高。

发明内容

本发明的目的是解决现有栓式喷注器针阀动特性测试方法存在测试时间较长、测试效率较低以及测试成本较高的问题，提供一种栓式喷注器及其针阀动特性测试装置和测试方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种栓式喷注器，包括针阀、中心筒、壳体和中心杆；所述中心筒的顶端外侧设置有安装法兰，所述中心筒设置在壳体内，且通过安装法兰与壳体连接；所述针阀为套筒结构，设置在中心筒、壳体之间，此时针阀的外壁与壳体内壁形成第一推进剂的流道，所述针阀顶端外侧设置有密封法兰，且密封法兰位于安装法兰下方，所述密封法兰上端面、安装法兰下端面、中心筒外壁面以及壳体内壁面形成作动腔，所述作动腔与作动阀连通；所述针阀的外壁中部设置有环形凸台，所述环形凸台与设置在壳体内壁上的环形台阶配合形成第一密封面，所述第一密封面用于实现第一推进剂的阻断，此时密封法兰下端面、针阀外壁面、环形凸台上表面以及壳体内壁面形成入口腔，所述壳体的侧壁上设置有与入口腔连通的入口孔，用于第一推进剂的进入；所述中心杆设置在中心筒的腔体内，中心杆的底端与针阀内壁上设置的环形凸起配合形成第二密封面，所述第二密封面用于实现中心筒内第二推进剂的阻断。

进一步地，所述第一密封面和第二密封面均为锥形密封面。

进一步地，所述中心筒的外壁面上设置有环形凹槽，用于减小中心筒外壁面与针阀内壁面的接触阻力。

进一步地，所述中心筒的内壁上设置有安装凸台，所述中心杆通过安装凸台设置在中心筒内，所述安装凸台上设置有第二推进剂流通的通孔。

进一步地，所述安装法兰的外周面上设置有密封圈，实现安装法兰与壳体内壁的密封。

所述密封法兰的外周面上设置有密封圈，实现密封法兰与壳体内壁的密封。

同时，本发明还提供一种用于上述栓式喷注器的针阀动特性测试装置，包括位移测量导杆、套管和光电位移传感器，所述套管设置在中心筒的安装法兰上，所述位移测量导杆的底端穿过套管与密封法兰连接，顶端延伸至中心筒外侧；所述光电位移传感器设置在位移测量导杆的顶端，用于测量位移测量导杆的位移。

进一步地，所述位移测量导杆的底端与密封法兰螺纹连接，且位移测量导杆与套管的接触面上设置有密封圈。

进一步地，所述套管的底端与安装法兰的接触面上设置有密封垫。

同时，本发明还提供一种基于上述用于栓式喷注器的针阀动特性测试装置的栓式喷注器针阀动特性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、开启作动阀，作动腔排气，记录作动阀通电开启的时间T1，针阀与壳体的第一密封面、针阀与中心杆的第二密封面开启，第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室，此时栓式喷注器开启；

步骤二、栓式喷注器开启后，采用高速摄影方法拍摄第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室的图像，获取第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室开始燃烧时的时间T2，同时，通过光电位移传感器获取位移测量导杆开始运动的时间T3和结束运动的时间T4；

步骤三、获得针阀开启响应时间、针阀完全打开的响应时间以及第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间；

Δt1=T3-T1

Δt2=T4-T1

Δt3=T2-T1

其中，Δt1为针阀开启响应时间；Δt2为针阀完全打开的响应时间；Δt3为第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间。

进一步地，还包括步骤四，重复步骤一至步骤三，获取多个Δt1和Δt2、Δt3，随后，对多个Δt1和Δt2、Δt3进行平均值计算，将计算后的平均值作为针阀开启响应时间、针阀完全打开的响应时间和第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益技术效果如下：

1.本发明针阀动特性测试装置及测试方法为冷态试验，通过该装置和方法在前期即可获取栓式喷注器的针阀动特性及喷注特性，从而掌握影响针阀动作响应的参数规律以及推进剂开启后进入燃烧室的喷注特性，实现快响应优化，提高了栓式喷注器的工作可靠性。

2.本发明针阀动特性测试装置及测试方法为冷态试验，只需设置动特性测量装置即可进行测试，测试时间较短、测试效率较高、测试成本较低，测试过程简单。

附图说明

图1为本发明用于栓式喷注器的针阀动特性测试装置压合关机状态示意图；

图2为本发明用于栓式喷注器的针阀动特性测试装置开启起动状态示意图；

图3为本发明用于栓式喷注器的针阀动特性测试装置的局部放大示意图。

附图标记：1-针阀，2-中心筒，3-壳体，4-作动腔，5-安装法兰，6-中心杆，7-第一密封面，8-第二密封面，9-密封法兰，10-动特性测量装置，11-入口腔，12-入口孔，13-环形凸台，101-位移测量导杆，102-套管，103-光电位移传感器。

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。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

在栓式喷注器研制中，可移动针阀的运动响应特性对于发动机快响应设计目标极为重要，而栓式喷注器的结构参数、工作参数等多因素对针阀运动特性影响机理复杂，如作动形式、作动压力、进排（液）气容腔大小、通道直径、喷前液压力与作动面积等，本发明通过对栓式喷注器进行冷试测量获取针阀的运动特性及喷注特性，从而获得针阀完全打开的响应时间和推进剂进入燃烧室的时差，通过试验快速掌握响应特性及喷注时序的评估和改进优化方向。

如图1和图2所示，本发明提供一种栓式喷注器，其中，栓式喷注器为面关机栓式喷注器，其结构如下：该栓式喷注器包括针阀1、中心筒2、壳体3和中心杆6；中心筒2的顶端外侧设置有安装法兰5，中心筒2设置在壳体3内，且通过安装法兰5与壳体3连接；针阀1为套筒结构，设置在中心筒2、壳体3之间，此时针阀1的外壁与壳体3内壁形成第一推进剂的流道，针阀1顶端外侧设置有密封法兰9，且密封法兰9位于安装法兰5下方，密封法兰9上端面、安装法兰5下端面、中心筒2外壁面以及壳体3内壁面形成作动腔4，作动腔4与作动阀连通；针阀1的外壁中部设置有环形凸台13，环形凸台13与壳体3内壁上设置的环形台阶配合形成第一密封面7，第一密封面7用于实现第一推进剂的阻断，此时密封法兰9下端面、针阀1外壁面、环形凸台13上表面以及壳体3内壁面形成入口腔11，壳体3的侧壁上设置有与入口腔11连通的入口孔12，用于第一推进剂的进入；中心杆6设置在中心筒2的腔体内，中心杆6的底端与针阀1内壁上设置的环形凸起配合形成第二密封面8，第二密封面8用于实现中心筒2内第二推进剂的阻断。

上述第一密封面7和第二密封面8均为锥形密封面，锥形密封面可实现良好且可靠的密封。中心筒2的外壁面上设置有环形凹槽，用于减小中心筒2外壁面与针阀1内壁面的接触阻力。中心筒2的内壁上设置有安装凸台，安装凸台上设置有第二推进剂通过的通孔，此时，中心杆6通过安装凸台设置在中心筒2内。密封法兰9的外周面上设置有密封圈，实现密封法兰9与壳体3内壁的密封。同时，安装法兰5的外周面上设置有密封圈，实现安装法兰5与壳体3内壁的密封。

如图3所示，本发明动特性测量装置10包括位移测量导杆101、套管102和光电位移传感器103，套管102设置在中心筒2的安装法兰5上，位移测量导杆101的底端穿过套管102与密封法兰9连接，顶端延伸至中心筒2外侧；光电位移传感器103设置在位移测量导杆101的顶端，用于测量位移测量导杆101的位移。具体的，位移测量导杆101的底端与密封法兰9螺纹连接，位移测量导杆101与套管102的接触面上设置有密封圈，同时，套管102的底端与安装法兰5的接触面上设置有密封垫。位移测量导杆101依靠螺纹安装固定在针阀1上端，并穿过固定于壳体3的中心筒2，针阀1运动即时带动位移测量导杆101，套管102依靠密封垫、密封圈确保作动腔4的高压气密封。

如图1和图2所示，本发明针阀上端设置有作动腔4，栓式喷注器工作原理为“液压打开+气压关闭”的方式，针阀1、中心筒2、壳体3形成作动腔4，其与作动阀连接供应高压气；可移动的针阀1在作动腔4气压作用下，与壳体3及中心杆6分别处于关闭密封状态；作动阀通电，作动腔4内的高压气排出，针阀1在入口腔11液压力作用下向上移动，燃料路（即第一推进剂）和氧化剂路（即第二推进剂）通道同时被打开，燃料和氧化剂喷出、撞击、燃烧，栓式喷注器工作；作动阀断电，作动腔4充气，气压力推动针阀1向下移动，燃料路和氧化剂路通道同时关闭密封，喷注器停止工作。作动腔4充气时，针阀1与壳体3密封面、针阀1与中心杆6密封面将两路推进剂切断。

栓式喷注器试验时，根据不同的作动腔压力、入口腔压力、运动行程H、喷注（节流）压降以及作动阀进排气通径等参数，采用光电位移传感器103测量不同工况下作动阀通电后针阀1运动的动特性，包括行程、时间、作动建压特性等；栓式喷注器开启后，采用高速摄影测量两路推进剂进入燃烧室的喷注特性和时差，同时通过动特性测量装置10测量针阀1完全打开响应特性，进行数据采集，将试验结果用于面关机栓式喷注器快响应优化改进。具体的，本发明提供的栓式喷注器针阀动特性测试方法包括以下步骤：

步骤一、开启作动阀，作动腔4排气，记录作动阀通电开启的时间T1，针阀1与壳体3的第一密封面7、针阀1与中心杆6的第二密封面8开启，第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室，此时栓式喷注器开启；

步骤二、栓式喷注器开启后，采用高速摄影方法拍摄第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室的图像，获取第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室开始燃烧时的时间T2，同时，通过光电位移传感器获取位移测量导杆开始运动的时间T3和结束运动的时间T4；

步骤三、获得针阀开启响应时间、针阀完全打开的响应时间以及第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间；

Δt1=T3-T1

Δt2=T4-T1

Δt3=T2-T1

其中，Δt1为针阀开启响应时间；Δt2为针阀完全打开的响应时间；Δt3为第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间。

步骤四、重复步骤一至步骤三，获取多个Δt1和Δt2、Δt3，随后，对多个Δt1和Δt2、Δt3进行平均值计算，将计算后的平均值作为针阀开启响应时间、针阀完全打开的响应时间和第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间。

Claims (8)

1.一种栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、搭建用于栓式喷注器的针阀动特性测试装置

所述栓式喷注器包括针阀（1）、中心筒（2）、壳体（3）和中心杆（6）；

所述中心筒（2）的顶端外侧设置有安装法兰（5），所述中心筒（2）设置在壳体（3）内，且通过安装法兰（5）与壳体（3）连接；

所述针阀（1）为套筒结构，设置在中心筒（2）、壳体（3）之间，此时针阀（1）的外壁与壳体（3）内壁形成第一推进剂的流道，所述针阀（1）顶端外侧设置有密封法兰（9），且密封法兰（9）位于安装法兰（5）下方，所述密封法兰（9）上端面、安装法兰（5）下端面、中心筒（2）外壁面以及壳体（3）内壁面形成作动腔（4），所述作动腔（4）与作动阀连通；

所述针阀（1）的外壁中部设置有环形凸台（13），所述环形凸台（13）与设置在壳体（3）内壁上的环形台阶配合形成第一密封面（7），所述第一密封面（7）用于实现第一推进剂的阻断，此时密封法兰（9）下端面、针阀（1）外壁面、环形凸台（13）上表面以及壳体（3）内壁面形成入口腔（11），所述壳体（3）的侧壁上设置有与入口腔（11）连通的入口孔（12），用于第一推进剂的进入；

所述中心杆（6）设置在中心筒（2）的腔体内，中心杆（6）的底端与针阀（1）内壁上设置的环形凸起配合形成第二密封面（8），所述第二密封面（8）用于实现中心筒（2）内第二推进剂的阻断；

所述用于栓式喷注器的针阀动特性测试装置包括位移测量导杆（101）、套管（102）和光电位移传感器（103），所述套管（102）设置在中心筒（2）的安装法兰（5）上，所述位移测量导杆（101）的底端穿过套管（102）与密封法兰（9）连接，顶端延伸至中心筒（2）外侧；所述光电位移传感器（103）设置在位移测量导杆（101）的顶端，用于测量位移测量导杆（101）的位移；

步骤二、开启作动阀，作动腔（4）排气，记录作动阀通电开启的时间T1，针阀（1）与壳体（3）的第一密封面（7）、针阀（1）与中心杆（6）的第二密封面（8）开启，第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室，此时栓式喷注器开启；

步骤三、栓式喷注器开启后，采用高速摄影方法拍摄第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室的图像，获取第一推进剂和第二推进剂进入燃烧室开始燃烧时的时间T2，同时，通过光电位移传感器（103）获取位移测量导杆（101）开始运动的时间T3和结束运动的时间T4；

步骤四、获得针阀（1）开启响应时间、针阀（1）完全打开的响应时间以及第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间；

Δt1=T3-T1

Δt2=T4-T1

Δt3=T2-T1

其中，Δt1为针阀（1）开启响应时间；Δt2为针阀（1）完全打开的响应时间；Δt3为第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间。

2.根据权利要求1所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于，还包括步骤五：重复步骤二至步骤四，获取多个Δt1、Δt2和Δt3，随后，对多个Δt1、Δt2和Δt3进行平均值计算，将计算后的平均值作为针阀（1）开启响应时间、针阀（1）完全打开的响应时间和第一推进剂、第二推进剂进入燃烧室燃烧至建压响应时间。

3.根据权利要求1所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于：所述位移测量导杆（101）的底端与密封法兰（9）螺纹连接，且位移测量导杆（101）与套管（102）的接触面上设置有密封圈。

4.根据权利要求3所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于：所述套管（102）的底端与安装法兰（5）的接触面上设置有密封垫。

5.根据权利要求1所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于：所述第一密封面（7）和第二密封面（8）均为锥形密封面。

6.根据权利要求5所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于：所述中心筒（2）的外壁面上设置有环形凹槽，用于减小中心筒（2）外壁面与针阀（1）内壁面的接触阻力。

7.根据权利要求6所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于：所述中心筒（2）的内壁上设置有安装凸台，所述中心杆（6）通过安装凸台设置在中心筒（2）内，所述安装凸台上设置有第二推进剂流通的通孔。

8.根据权利要求7所述的栓式喷注器针阀动特性测试方法，其特征在于：所述安装法兰（5）的外周面上设置有密封圈，实现安装法兰（5）与壳体（3）内壁的密封；

所述密封法兰（9）的外周面上设置有密封圈，实现密封法兰（9）与壳体（3）内壁的密封。

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