CN114810420B - 能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能测气核压力振荡的中心式气‑液同轴旋流模型喷注器，包括液体中心式气‑液同轴旋流喷嘴、压力传感器安装座和压力传感器；液体中心式气‑液同轴旋流喷嘴包括集液腔室和中心旋流喷嘴；集液腔室的中心设置有集液腔，集液腔同轴套设在中心旋流喷嘴的顶部外周；中心旋流喷嘴的顶部外周沿周向均布有若干个切向孔；每个切向孔均与集液腔以及中心旋流喷嘴的内液体通道相连通，并能在内液体通道内形成气核；压力传感器安装座的外壁面与集液腔室密封连接，压力传感器安装座的顶端面与喷嘴压板底面相连接。本发明能够解决自激振荡时或者稳态条件气核压力振荡的测量，以及快速研究雾化特性对几何构型和喷注工况变化的响应特性。

Description

能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器

技术领域

本发明涉及一种检验装置，特别是一种能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器。

背景技术

液体中心式气-液同轴旋流喷注器因其结构简单，参数敏感性小，雾化特性好广泛应用于低温液体火箭发动机中。其雾化原理为：液体通过切向孔进入中心旋流喷注器，在中心喷嘴内液体紧贴壁面向下运动，在离心力的作用下形成中心气核，液体流出中心喷嘴后，因离心力形成液膜与气体相互作用，完成雾化过程。其突出特性是在一定的构型（缩进长度为5mm）和工况条件（液体流量160g/s左右，气体流量为5g/s左右）下会发生喷雾自激振荡现象。自激振荡发生时喷雾形态呈“圣诞树”型，推进剂流量出现周期性振荡，推进剂供应系统压力出现振荡，同时根据仿真发现旋流喷嘴中心气核内出现压力振荡。此喷嘴的雾化过程与中心气核的动态特性紧密相关。研究表明这种振荡很有可能与燃烧室声学特性相耦合，引起不稳定燃烧，轻则导致火箭发动机震动，推力性能下降，重则引起推力室烧蚀，甚至爆炸，导致任务失败。因此，液体中心式气-液同轴旋流喷注器的喷雾自激振荡特性引起了人们的广泛关注，学者们进行了广泛的研究，但目前为止还缺乏实验中测量中心气核压力振荡的方法和模型喷注器，很大程度上限制了液体中心式气-液同轴旋流喷注器雾化特性的研究。

影响液体中心式气-液同轴旋流喷注器最重要的几何构型有缩进长度、气体环缝宽度、喷嘴出口扩张角、切向孔直径等。传统的喷嘴模型实验装置将模型喷注器一体化设计，这就导致在研究不同几何构型对雾化特性的影响时要加工多套喷嘴，造成时间和经费的浪费。有些模型喷嘴虽然采用了模块化设计，但其中心旋流喷嘴为封闭设计，无法测量旋流喷嘴中心气核的压力动态特性。

传统的液体中心式气-液同轴旋流喷注器模型采用一体化设计，结构复杂，在改变结构几何构型时要更换多个部件，导致过程繁琐，造成经济浪费。适用于研究不同工况下的雾化特性，改变几何特性较为复杂繁琐。因此一体化的模型喷注器设计具有一定的局限性。有些方案虽然采用了模块化设计，但将中心旋流喷嘴完全置于模型喷注器内，完全无法实现中心气核内部的动态特性，导致研究的局限性，无法全面研究喷嘴的动态特性。最后导致认识问题和结论的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，该能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器能够解决液体中心式气-液旋流喷嘴发生喷雾自激振荡时或者稳态条件下中心气核压力振荡的测量，以及快速研究雾化特性对几何构型和喷注工况变化的响应特性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，包括液体中心式气-液同轴旋流喷嘴、压力传感器安装座和压力传感器。

液体中心式气-液同轴旋流喷嘴包括喷嘴压板、集液腔室和中心旋流喷嘴。

喷嘴压板同轴安装在集液腔室的顶端。

集液腔室的中心设置有集液腔，集液腔同轴套设在中心旋流喷嘴的顶部外周。

中心旋流喷嘴的顶部外周沿周向均布有若干个切向孔；每个切向孔均与集液腔以及中心旋流喷嘴的内液体通道相连通，并能在内液体通道内形成气核。

压力传感器安装座同轴密封设置在中心旋流喷嘴的顶端。

压力传感器安装座的中心设置有压力传感器安装孔，压力传感器安装座的外壁面与集液腔室密封连接，压力传感器安装座的顶端面与喷嘴压板底面相连接。

压力传感器同轴密封插设在压力传感器安装孔内，且压力传感器的底面与内液体通道顶面相齐平。

压力传感器上设置有限位轴肩，压力传感器安装孔的内壁设置有与限位轴肩相配合的限位轴肩安装孔；限位轴肩能对压力传感器在压力传感器安装孔内的轴向位置进行限位，从而使得压力传感器的底面与内液体通道顶面相齐平。

压力传感器包括外螺纹和压紧环。

外螺纹设置在位于限位轴肩上方的压力传感器外周。

压紧环套设在压力传感器的外周，且具有外螺纹相配合的内螺纹。

位于压紧环外周的压力传感器安装座上开设有压紧环安装槽，通过旋转压紧环，将压紧环压紧在压紧环安装槽底面，从而实现压力传感器与压力传感器安装孔之间的密封连接。

压力传感器为高温差动输出压力传感器，采样频率能达200kHZ。

压力传感器的型号为奇石乐603系列。

位于压力传感器安装孔外周的压力传感器安装座底面上还设有观察孔，且观察孔位于内液体通道的上方，观察孔内设置有可视化探头，可视化探头底面与内液体通道顶面相齐平。

压力传感器安装座同轴密封焊接在中心旋流喷嘴的顶端，且在焊缝处设置有倒角。

液体中心式气-液同轴旋流喷嘴还包括集气腔室和缩进室。

集气腔室同轴密封且可拆卸式设置在集液腔室的底部，集气腔室中设置有集气腔。

缩进室同轴密封且可拆卸式设置在集气腔室的底部，缩进室的中心设置有轴向贯通的气体喷孔。

中心旋流喷嘴包括旋流室和一体同轴设置在旋流室底部的液体喷管；内液体通道包括相连通的旋流通道以及液体喷射通道。

旋流室底部密封安装在集气腔室的顶部中心，旋流室中心设置所述旋流通道。

液体喷管底部从集气腔室中穿出，并同轴插设在所述气体喷孔中；液体喷管的中心设置所述液体喷射通道，液体喷管的外壁面与气体喷孔内壁面之间形成气体环缝；液体喷管的底面与气体喷孔的底面之间形成缩进区。

集气腔的底端开口设置；缩进室的顶部中心设置有凸缘；集气腔能同轴套设在凸缘外周，使得液体喷管能同轴插设在气体喷孔中，进而保证气体环缝径向厚度的均匀度。

通过更换缩进室，调整气体喷孔的直径或轴向长度，从而能够研究不同缩进区长度、不同气体环缝宽度对雾化特性的影响。

压力传感器安装座的外壁面设置有集液腔上密封槽，集液腔上密封槽内嵌设有密封圈，用于实现压力传感器安装座与集液腔室的密封连接，也即实现集液腔的顶部密封。

位于集液腔外周的集气腔室顶面设置有集液腔下密封槽，集液腔下密封槽内嵌设有密封圈，用于实现集气腔室与集液腔室的密封，也即实现集液腔的底部密封。

位于液体喷管外周的旋流室底面设置有集气腔上密封槽，集气腔上密封槽内嵌设有密封圈，用于实现旋流室底部与集气腔室顶部的密封，也即实现集气腔的顶部密封。

位于集气腔外周的缩进室顶面设置有集气腔下密封槽，集气腔下密封槽内嵌设有密封圈，用于实现缩进室与集气腔室的密封，也即实现集气腔的底部密封。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明能够实现对压力传感器在压力传感器安装孔内的轴向位置的限位，从而使得压力传感器的底面与内液体通道顶面相齐平，进而在不破坏任何雾化过程的情况下实现了中心气核动态压力的测量，没有影响喷嘴本身任何的雾化过程。

2.本发明能够兼顾模型喷注器几何构型的快速边界更换、喷注工况研究、以及旋流喷嘴中心气核压力振荡的动态监测，既满足了模型喷注器的模块化，简单化设计，又实现了中心气核压力的动态监测，能够进一步认识喷嘴的雾化特性和自激振荡特性及其形成机理。

附图说明

图1是本发明一种能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器的结构爆炸图。

图2a显示了本发明的中心式气-液同轴旋流模型喷注器的整体结构图。

图2b显示了图2a中的A-A剖面图。

图2c显示了图2b中圆圈区域的放大示意图。

图3a显示了本发明中安装有压力传感器的中心旋流喷嘴的结构示意图。

图3b显示了图3a中的A-A剖面图。

图3c显示了本发明中安装有压力传感器的中心旋流喷嘴的的结构爆炸图。

图4a显示了本发明中集液腔室的结构示意图。

图4b显示了本发明中集液腔室的截面图。

图5a显示了本发明中集气腔室的结构示意图。

图5b显示了本发明中集气腔室的截面图。

图6a显示了本发明中缩进室的结构示意图。

图6b显示了本发明中缩进室的截面图。

其中有：

10.喷嘴压板；

20.集液腔室；21.进液通道；22.集液腔；

30.中心旋流喷嘴；31.切向孔；32.内液体通道；321.旋流通道；322.液体喷射通道；33.旋流室；34.液体喷管；

40.集气腔室；41.进气通道；42.集气腔；

50.缩进室；51.气体喷孔；52.凸缘；

60.压力传感器安装座；60.压力传感器安装孔；611.限位轴肩安装孔；62.压紧环安装槽；

70.压力传感器；71.压紧环；711.内螺纹；72.限位轴肩；73.外螺纹；

80.密封槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，包括液体中心式气-液同轴旋流喷嘴、压力传感器安装座60和压力传感器70。

液体中心式气-液同轴旋流喷嘴包括喷嘴压板10、集液腔室20、中心旋流喷嘴30、集气腔室40和缩进室50。

喷嘴压板同轴安装在集液腔室的顶端。

如图4a和图4b所示，集液腔室包括进液通道21和集液腔22；集液腔设置在集液腔室的中心，进液通道设置在集液腔室的外壁面上，且与集液腔相连通。

如图2a和图2b所示，中心旋流喷嘴的顶部同轴插设在集液腔的中心，中心旋流喷嘴包括切向孔31、内液体通道32、旋流室33和液体喷管34。

旋流室和液体喷管从上至下同轴一体设置。

内液体通道包括从上至下依次同轴布设且连通的旋流通道321以及液体喷射通道322。其中，旋流通道位于旋流室的轴线中心，液体喷射通道位于液体喷管的轴线中心。

若干个切向孔沿旋流室的周向均匀布设；每个切向孔均与集液腔和旋流通道相连通，并能在旋流通道内形成气核。

如图5a和图5b所示，集气腔室同轴密封且可拆卸式设置在集液腔室的底部。

集气腔室包括进气通道41和集气腔42；集气腔设置在集气腔室的中心，进气通道设置在集气腔室的外壁面上，且与集气腔相连通。

集气腔室与集液腔室的同轴密封的方法优选为：位于集液腔外周的集气腔室顶面设置有集液腔下密封槽，集液腔下密封槽内嵌设有密封圈，用于实现集气腔室与集液腔室的密封，也即实现集液腔的底部密封。

本发明也可以采用两部件贴合端面（如集气腔室与集液腔室的贴合端面）设置凸起和凹槽，并在凹槽中放置石棉密封垫，来完成密封工作；本发明还可以通过在部件外围设置法兰，将所有部件锁紧完成装配密封，以下涉及密封时，均采才有类似密封方法。

集气腔室与集液腔室优选通过螺栓实现可拆卸连接。

另外，在位于液体喷管外周的旋流室底面设置有集气腔上密封槽，集气腔上密封槽内嵌设有密封圈，用于实现旋流室底部与集气腔室顶部的密封，也即实现集气腔的顶部密封。

如图6a和图6b所示，缩进室同轴密封且可拆卸式设置在集气腔室的底部。

缩进室包括气体喷孔51和凸缘52。

气体喷孔轴向贯通式设置在缩进室中心，且上述液体喷管底部从集气腔室中穿出，并同轴插设在该气体喷孔中，液体喷管的底面与气体喷孔的底面之间形成缩进区，液体喷管的外壁面与气体喷孔内壁面之间形成气体环缝。

本发明能通过更换缩进室，调整气体喷孔的直径或轴向长度，从而能够研究不同缩进区长度、不同气体环缝宽度对雾化特性的影响。

进一步，上述凸缘优选同轴设置在缩进室的顶部中心，从而使得集气腔能同轴套设在凸缘外周，进而保证气体环缝厚度的均匀度。

缩进室与集气腔室同轴密封的方法优选为：位于集气腔外周的缩进室顶面设置有集气腔下密封槽，集气腔下密封槽内嵌设有密封圈，用于实现缩进室与集气腔室的密封，也即实现集气腔的底部密封。

如图3a、图3b和图3c所示，压力传感器安装座同轴密封设置（优选密封焊接）在中心旋流喷嘴的顶端。为保证焊接密封性和操作便捷性，在焊缝处设置有倒角。另外，为了防止焊接过程中热变形对切向孔精度的影响，本实施例中优选采用先将压力传感器安装座同轴密封焊接在中心旋流喷嘴的顶端，然后再打切向孔的工艺，从而保证切向孔的打孔精度。

压力传感器安装座的中心设置有压力传感器安装孔61，用于安装压力传感器。

压力传感器安装座的外壁面与集液腔室密封连接，密封连接方法优选为：压力传感器安装座的外壁面设置有集液腔上密封槽80，集液腔上密封槽内嵌设有密封圈，用于实现压力传感器安装座与集液腔室的密封连接，也即实现集液腔的顶部密封。

压力传感器安装座的顶端面与喷嘴压板底面相连接。

压力传感器安装座的顶端面中心优选设置有压紧环安装槽62，位于紧环安装槽下方的压力传感器安装孔内设置有限位轴肩安装孔611。

进一步，位于压力传感器安装孔外周的压力传感器安装座底面上设有观察孔，且观察孔位于内液体通道的上方，观察孔内设置有可视化探头，可视化探头底面与内液体通道顶面相齐平，用于观测中心气核的形成及其动态特性，进一步丰富了实验数据。

本发明中，压力传感器优选为高温差动输出压力传感器，采样频率能达200kHZ，型号优选为奇石乐603系列。

压力传感器同轴密封插设在压力传感器安装孔内，压力传感器包括压紧环71、限位轴肩72和外螺纹73。

上述限位轴肩设置在压力传感器的中下部，与限位轴肩安装孔相配合，实现对压力传感器在压力传感器安装孔内的轴向位置进行限位，从而使得压力传感器的底面与内液体通道顶面相齐平。在不破坏任何雾化过程的情况下实现了中心气核动态压力的测量，没有影响喷嘴本身任何的雾化过程。

上述外螺纹设置在位于限位轴肩上方的压力传感器外周。

上述压紧环位于压紧环安装槽内，且套设在压力传感器的外周，并具有外螺纹相配合的内螺纹711。通过旋转压紧环，将压紧环压紧在压紧环安装槽底面，从而实现压力传感器与压力传感器安装孔之间的密封连接。

本发明主要通过螺栓将喷嘴压板、集液腔室、集气腔室和缩进室连接起来，从而实现模块化设计，一体化安装，能够提高安装精度，提高安装时中心旋流喷嘴的同轴度，这对锥形液膜的形成至关重要。并且采用常见材料，加工工艺较为简单，安装更换更加便捷，进一步节约成本。

本发明提出的可测气核压力振荡的液体中心式气-液同轴旋流模型喷注器也可以通过改进应用于同轴剪切喷嘴、气体中心式自激振荡氧管的压力振荡测量，模型喷嘴顶端开口，安装压力传感器测量气核或者气体通道的压力振荡。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：包括液体中心式气-液同轴旋流喷嘴、压力传感器安装座、压力传感器、集气腔室和缩进室；

液体中心式气-液同轴旋流喷嘴包括喷嘴压板、集液腔室和中心旋流喷嘴；

喷嘴压板同轴安装在集液腔室的顶端；

集液腔室的中心设置有集液腔，集液腔同轴套设在中心旋流喷嘴的顶部外周；

中心旋流喷嘴的顶部外周沿周向均布有若干个切向孔；每个切向孔均与集液腔以及中心旋流喷嘴的内液体通道相连通，并能在内液体通道内形成气核；

压力传感器安装座同轴密封设置在中心旋流喷嘴的顶端；

压力传感器安装座的中心设置有压力传感器安装孔，压力传感器安装座的外壁面与集液腔室密封连接，压力传感器安装座的顶端面与喷嘴压板底面相连接；

压力传感器同轴密封插设在压力传感器安装孔内，且压力传感器的底面与内液体通道顶面相齐平；

集气腔室同轴密封且可拆卸式设置在集液腔室的底部，集气腔室中设置有集气腔；

缩进室同轴密封且可拆卸式设置在集气腔室的底部，缩进室的中心设置有轴向贯通的气体喷孔；

中心旋流喷嘴包括旋流室和一体同轴设置在旋流室底部的液体喷管；内液体通道包括相连通的旋流通道以及液体喷射通道；

旋流室底部密封安装在集气腔室的顶部中心，旋流室中心设置所述旋流通道；

液体喷管底部从集气腔室中穿出，并同轴插设在所述气体喷孔中；液体喷管的中心设置所述液体喷射通道，液体喷管的外壁面与气体喷孔内壁面之间形成气体环缝；液体喷管的底面与气体喷孔的底面之间形成缩进区。

2.根据权利要求1所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：压力传感器上设置有限位轴肩，压力传感器安装孔的内壁设置有与限位轴肩相配合的限位轴肩安装孔；限位轴肩能对压力传感器在压力传感器安装孔内的轴向位置进行限位，从而使得压力传感器的底面与内液体通道顶面相齐平。

3.根据权利要求2所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：压力传感器包括外螺纹和压紧环；

外螺纹设置在位于限位轴肩上方的压力传感器外周；

压紧环套设在压力传感器的外周，且具有外螺纹相配合的内螺纹；

位于压紧环外周的压力传感器安装座上开设有压紧环安装槽，通过旋转压紧环，将压紧环压紧在压紧环安装槽底面，从而实现压力传感器与压力传感器安装孔之间的密封连接，压力传感器为高温差动输出压力传感器，采样频率能达200kHZ。

4.根据权利要求3所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：压力传感器的型号为奇石乐603系列。

5.根据权利要求1所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：位于压力传感器安装孔外周的压力传感器安装座底面上还设有观察孔，且观察孔位于内液体通道的上方，观察孔内设置有可视化探头，可视化探头底面与内液体通道顶面相齐平。

6.根据权利要求1所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：压力传感器安装座同轴密封焊接在中心旋流喷嘴的顶端，且在焊缝处设置有倒角。

7.根据权利要求1所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：集气腔的底端开口设置；缩进室的顶部中心设置有凸缘；集气腔能同轴套设在凸缘外周，使得液体喷管能同轴插设在气体喷孔中，进而保证气体环缝径向厚度的均匀度。

8.根据权利要求1所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：通过更换缩进室，调整气体喷孔的直径或轴向长度，从而能够研究不同缩进区长度、不同气体环缝宽度对雾化特性的影响。

9.根据权利要求1所述的能测气核压力振荡的中心式气-液同轴旋流模型喷注器，其特征在于：压力传感器安装座的外壁面设置有集液腔上密封槽，集液腔上密封槽内嵌设有密封圈，用于实现压力传感器安装座与集液腔室的密封连接，也即实现集液腔的顶部密封；

位于集液腔外周的集气腔室顶面设置有集液腔下密封槽，集液腔下密封槽内嵌设有密封圈，用于实现集气腔室与集液腔室的密封，也即实现集液腔的底部密封；

位于液体喷管外周的旋流室底面设置有集气腔上密封槽，集气腔上密封槽内嵌设有密封圈，用于实现旋流室底部与集气腔室顶部的密封，也即实现集气腔的顶部密封；

位于集气腔外周的缩进室顶面设置有集气腔下密封槽，集气腔下密封槽内嵌设有密封圈，用于实现缩进室与集气腔室的密封，也即实现集气腔的底部密封。