CN115013187A - 一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法及模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法及模具，通过设计大小两种不同燃面的装药进行燃烧试验，根据燃烧时的压力数据得到线性增长常数，再根据两次试验得到的线性增长常数差值计算得到推进剂压强响应函数的实部值，因此可去除以往脉冲激励法测量固体推进剂压强响应函数的过程中引入的实验误差；由于低频下压力耦合响应函数较小，脉冲信号的引入会极大地增大相对误差，因而本发明采用更大燃面的杯型装药，以大燃面获取大增益，使推进剂在燃烧过程中自发振荡，并以燃面差法得比以往更为精确地结果；因此能够精确测量推进剂低频响应函数，从而用于燃烧不稳性的评估。
Description
技术领域
本发明属于固体火箭发动机不稳定燃烧技术领域，具体涉及一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法及模具。
背景技术
实际中多发的不稳定燃烧现象多为低频不稳定燃烧，其压力振荡频率多为100-300Hz，而无论是国内还是国外，现有的压力耦合响应测量试验多在高频条件下进行。因此，设计可以测量低频振荡100-300Hz的固体推进剂响应函数的超大型T型燃烧器，给出丁羟推进剂响应函数随着发动机内腔频率，流速，装药燃烧的不同阶段的变化规律，解决当前型号产品评估至关重要的关键数据。为此专门设计低频响应函数测量装置。
由于T型燃烧器激发的声振振型为纵向振型，其振荡的频率为fz可由下式计算，因此可以通过改变两端装药之间的距离l来调整和控制其振荡频率。
推进剂的压强耦合响应函数在声振荡中起增益的作用，因此对声振荡幅值起到放大的作用。在声振荡的自激放大过程中，其振荡幅值的变化可以用指数eαt来表达，其α为增益系数。对于直筒通道的纵向振形来说，其燃面增益αg可以表示为如下：
其中a为燃烧室中的音速，Sb为燃面面积，Sc为燃烧室截面面积，l为燃烧室长度，γ为燃气的比热比，
为燃面附近的气流平均马赫数，
为推进剂的压强耦合响应函数的实部值。由此可知在使用T形燃烧器测量出推进剂的压强响应函数的关键是能够较为准确地测定αg，而实际情况下T形燃烧器中除了燃面的增益外还有阻尼，即：
αc＝αg+|αd| (3)
而式中|αd|在实际中测量中误差较大，且复现效果差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可用于精确测量固体推进剂低频(100～300Hz)下压强响应函数的测量方法及模具。
一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法，包括如下步骤：
步骤1、在T型燃烧器的压力振荡频率范围内选取需要测量的频率点，计算得到每个压力振荡频率下T型燃烧器的长度，并加工相应长度的T型燃烧器；
步骤2、针对步骤1加工的各个T型燃烧器，为其加工大、小两种不同燃面面积的装药；
步骤3、将步骤2的两种燃面面积的装药分别装到T型燃烧器的壳体中，并进行两次燃烧试验，测得两次燃烧试验时壳体内压力数据；
步骤4、根据两次试验的压力数据分别得到两次试验对应的线性声增长常数，分别定义为α小和α大；
步骤5、根据如下公式计算推进剂压强响应函数的实部值
其中，a为所述壳体中的音速，L为燃烧器长度，γ为燃气的比热比，
为燃面附近的气流平均马赫数，Sc为燃烧器截面面积，Sb大、Sb小分别为所述两个装药的燃面面积。
较佳的，所述线性声增长常数的计算方法为：
取所述压力数据中随时间增长段的包络线，获得上包络pup和下包络pdown，从而得到压力振荡幅值pamp＝(pup+pdown)/2；然后对pamp取对数，得到ln(pamp)与时间t的数据，对数据进行线性拟合，得到的直线的斜率k即为线性声增长常数。
较佳的，两种不同燃面面积的装药分别为端燃面装药和杯型装药。
较佳的，所述端燃面装药安装到壳体的两端，压力测试点设置在其中任意一侧装药附近。
较佳的，所述杯型装药安装在壳体的一端，压力测试点设置在壳体的另一端。
一种用于加工端燃面装药的模具，包括端面模具外套(12)、端面模具底板(13)、端面模具上盖板(14)、端面模具下卡箍(15)；端面模具底板(13)的上表面具有一个圆盘形凸起，与要制备的端燃面装药直径一致；端面模具外套(12)为上、下开口的圆筒结构，下端卡在端面模具底板(13)的圆盘形凸起外侧，其外表面通过圆环形的端面模具下卡箍(15)卡紧，并通过螺钉将端面模具下卡箍(15)将端面模具外套(12)固定在一起；圆盘形的端面模具上盖板(14)置于端面模具外套(12)上端，两者通过螺钉固定连接。
一种用于加工杯型装药的模具，包括杯型模具下卡箍(22)、杯型模具底板(23)、杯型模具外套(24)、杯型模具上卡箍(27)、杯型模具上盖板((28))、杯型模具芯模(29)；杯型模具底板(23)的上表面具有一个圆盘形凸起，与要制备的杯型装药直径一致；杯型模具外套(24)为上、下开口的圆筒结构，下端卡在杯型模具底板(23)的圆盘形凸起外侧，其外表面通过圆环形的杯型模具下卡箍(22)和杯型模具上卡箍(27)卡紧，杯型模具下卡箍(22)和杯型模具上卡箍(27)通过螺钉固定在杯型模具外套(24)圆周面上；杯型模具上盖板(28)为圆盘形，杯型模具芯模(29)为圆柱形，杯型模具芯模(29)固定在杯型模具上盖板((28))下表面中心处，杯型模具上盖板(28)固定在杯型模具外套(24)的上开口。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过设计大小两种不同燃面的装药进行燃烧试验，根据燃烧时的压力数据得到线性增长常数，再根据两次试验得到的线性增长常数差值计算得到推进剂压强响应函数的实部值，因此可去除以往脉冲激励法测量固体推进剂压强响应函数的过程中引入的实验误差；由于低频下压力耦合响应函数较小，脉冲信号的引入会极大地增大相对误差，因而本发明采用更大燃面的杯型装药，以大燃面获取大增益，使推进剂在燃烧过程中自发振荡，并以燃面差法得比以往更为精确地结果；因此能够精确测量推进剂低频响应函数，从而用于燃烧不稳性的评估，填补当前固体火箭发动机领域推进剂低频燃烧响应函数的空缺；
本发明提供的用于加工装药的模具，可以加工两种大燃面装药，装药的均匀性问题和成形。
附图说明
图1为本发明的T型燃烧器的结构示意图；
图2为本发明的端燃面装药模具的示意图；
图3为本发明的杯型装药的结构示意图；
图4为本发明的杯型装药工装的示意图；
图5为本发明的端燃面装药的测试原理图；
图6为本发明的杯型装药的测试原理图。
其中，11，16，21，25，26-螺钉，12-端面模具外套，13-端面模具底板，14-端面模具上盖板，15-端面模具下卡箍，22-杯型模具下卡箍，23-杯型模具底板，24-杯型模具外套，27-杯型模具上卡箍，28-杯型模具上盖板，29-杯型模具芯模。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法基本构思如下：
在使用T形燃烧器测量出推进剂的压强响应函数的关键是能够较为准确地测定αg，而实际情况下T形燃烧器中除了燃面的增益外还有阻尼，即利用二种工况的燃烧面积之差，计算出在相同声阻尼工况下，相对应的声能增长率，此方法称为倍燃面法。在同一T形燃烧器内，对大、小不同总燃面面积推进剂的测量增长常数αc，将两值相减就可以得到由燃面面积不同引起的增长常数的差值，再假设对于同一T型燃烧器而言阻尼|αd|与燃面面积无关，那么就可以得到下式：
根据上式就可以求得推进剂压强响应函数的实部值
其中，a为燃烧室中的音速，L为燃烧室长度，γ为燃气的比热比，
为燃面附近的气流平均马赫数，Sc为燃烧室截面面积，Sb大、Sb小分别大小两个燃面面积。
本发明的测试方法，包括如下步骤：
步骤1、在T型燃烧器的压力振荡频率范围100Hz-300Hz内，选取需要测量的一个或多个频率点，计算得到每个压力振荡频率下T型燃烧器的长度，并加工相应长度的T型燃烧器。
其中，通过改变T型燃烧器长度，获得不同压强振荡基频；分别测量不同振荡基频条件下的压强耦合响应函数值，最终获得压强耦合响应函数随振荡频率变化曲线。根据公式(1)和表1的燃气平均声速，可得到不同的一阶声频所对应的T形燃烧器的长度。下面给出本实施例中需要测量的推进剂的响应函数的实部值对应的不同频率以及对应燃烧室的长度：
表1不同声基频对应的燃烧室长度
步骤2、针对各尺寸的T型燃烧器，为其加工两种不同燃面面积的装药，每种装药各加工两个；对应安装到T型燃烧器的壳体的两端。
其中，根据T型燃烧器内腔轴向声场声压振荡幅值特性，其两端各阶声压振幅最大；中间位置处奇数阶声压振幅为零，偶数阶声压振幅最大。因此，推进剂试件放置在两端声压振荡幅值最大位置处，喷管安放在中间位置处。为使推进剂按预定要求点燃，在两端装药附近放置点火药包，使用点火控制系统控制其同时点火。
本发明中，由于测量的压力振荡频率范围100Hz-300Hz范围内，属于低频，此时推进剂的压强响应函数值较小。测量此频率下的响应函数，若采用以往的脉冲激励的方式产生声振荡，会引入较大的相对误差，影响测试结果，故需要采用倍燃面法。如果装药的燃面面积很小，产生的增益可能小于阻尼，很难振荡起来，因此需要增加装药的燃面面积，使得点火后，可以自发产生声振荡，由此可提高测试精度。本发明解决的方案即是增大燃面面积，使其自发振荡，但如果增大燃面面积，对装药的加工提出了挑战，主要是装药的均匀性问题和成形问题。
端燃面药型为恒面燃烧，因此在整个工作过程中燃烧室的压强可以认为不变；本发明还测试了变燃面装药导致燃烧室内的压强情况下的响应函数，如图3所示，为端燃面装药的一侧表面中心具有一个沉孔的杯型装药，点火后燃面为凸起的环形，当燃面后退，燃面为整个圆盘，燃面增加，则腔内压力变大。
步骤3、如图5所示，对于端燃面装药，在T形燃烧器两端的侧向测压孔上(封头附近，1号和3号测点)分别安装好测压装置(此处压力传感器用于测量波动压力，一侧的波动压力灵敏度为2KPa，另一侧为20～50KPa)；在T形燃烧器的中间部件，与喷管相对的测压孔(2号测点)上安装好测压装置(此处压力传感器用于测量平衡压力)。位于中间位置的2号测量点是测量平衡压强的，根据圆柱管腔的声学理论分析可知，这一点为管腔中振荡压强驻波的波节位置，基本不受压力振荡的影响，故这一点处的压力可以用于表征燃烧室中的平衡压力。因此对于两次燃面面积不同的实验，通过对比该测点处的压力数值来判断是否已经保证了两次实验的压力相等这一条件。
如图6所示，对于T形燃烧器来说，左右两端的压力值大小是一样的，因此端燃面装药可选择其中一个测量点的数据。但由于压力值与测量点到T形燃烧器中间的轴向距离有关系，而端燃面和杯型装药的轴向长度是不同的，杯型装药的轴向长度是端燃面的3倍左右。因此为了保证两次实验的测点距离中间的轴向距离相同，杯型装药的实验中只能在另一侧没有药的一端进行压力测量。
步骤4、点火并收集各测压装置的数据；
步骤5、更换另一个燃面的装药，再次进行点火和测压数据的收集。
步骤6、根据两次点火的测压数据，得到两次实验的线性声增长常数的差值，根据公式(4)，得到推进剂的压强耦合响应函数的实部值。
其中，线性声增长常数的计算过程如下：
计算线性声增长常数α时，使用两端面附近的测点压力数据(1或2号测点)，对于杯型装药只有一个测点。通过对端面附近的测点的压强振荡数据的增长段数据取包络线，获得上包络pup以及下包络pdown，从而得到压力振荡幅值pamp＝(pup+pdown)/2，然后对pamp取对数，得到ln(pamp)与时间t的数据，对数据进行线性拟合，得到的直线的斜率k就是α。上述过程为每次实验数据的处理步骤，端面装药(小燃面面积)实验中得到的线性声增长常数为α小，杯型装药(大燃面面积)实验中得到的线性声增长常数为α大。
为解决大燃面装药的均匀性问题和成形问题，本发明设计了一种模具，可以加工端面燃面装药，如图2所示，包括端面模具外套12、端面模具底板13、端面模具上盖板14、端面模具下卡箍15；端面模具底板13的上表面具有一个圆盘形凸起，与要制备的端燃面装药直径一致；端面模具外套12为上、下开口的圆筒结构，下端卡在端面模具底板13的圆盘形凸起外侧，其外表面通过圆环形的端面模具下卡箍15卡紧，并通过螺钉将端面模具下卡箍15将端面模具外套12固定在一起。圆盘形的端面模具上盖板14置于端面模具外套12上端，两者通过螺钉固定连接。
相应的，为了进一步增大燃面面积，本发明还设计了制备杯型装药的模具，如图4所示，包括杯型模具下卡箍22、杯型模具底板23、杯型模具外套24、杯型模具上卡箍27、杯型模具上盖板28、杯型模具芯模29；杯型模具底板23的上表面具有一个圆盘形凸起，与要制备的杯型装药直径一致；杯型模具外套24为上、下开口的圆筒结构，下端卡在杯型模具底板23的圆盘形凸起外侧，其外表面通过圆环形的杯型模具上卡箍27和杯型模具下卡箍22卡紧，两者通过螺钉固定在杯型模具外套24外表面。杯型模具上盖板28为圆盘形，杯型模具芯模29为圆柱形，杯型模具芯模29固定在杯型模具上盖板28下表面中心处，杯型模具上盖板28固定在杯型模具外套24的上开口。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在T型燃烧器的压力振荡频率范围内选取需要测量的频率点，计算得到每个压力振荡频率下T型燃烧器的长度，并加工相应长度的T型燃烧器；
步骤2、针对步骤1加工的各个T型燃烧器，为其加工大、小两种不同燃面面积的装药；
步骤3、将步骤2的两种燃面面积的装药分别装到T型燃烧器的壳体中，并进行两次燃烧试验，测得两次燃烧试验时壳体内压力数据；
步骤4、根据两次试验的压力数据分别得到两次试验对应的线性声增长常数，分别定义为α小和α大；
步骤5、根据如下公式计算推进剂压强响应函数的实部值
其中，a为所述壳体中的音速，L为燃烧器长度，γ为燃气的比热比，
为燃面附近的气流平均马赫数，Sc为燃烧器截面面积，Sb大、Sb小分别为所述两个装药的燃面面积。
2.如权利要求1所述的一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述线性声增长常数的计算方法为：
取所述压力数据中随时间增长段的包络线，获得上包络pup和下包络pdown，从而得到压力振荡幅值pamp＝(pup+pdown)/2；然后对pamp取对数，得到ln(pamp)与时间t的数据，对数据进行线性拟合，得到的直线的斜率k即为线性声增长常数。
3.如权利要求1或2所述的一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，两种不同燃面面积的装药分别为端燃面装药和杯型装药。
4.如权利要求3所述的一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述端燃面装药安装到壳体的两端，压力测试点设置在其中任意一侧装药附近。
5.如权利要求3所述的一种固体推进剂压强耦合响应函数测量方法，其特征在于，所述杯型装药安装在壳体的一端，压力测试点设置在壳体的另一端。
6.一种用于加工权利要求3所述的端燃面装药的模具，其特征在于，包括端面模具外套(12)、端面模具底板(13)、端面模具上盖板(14)、端面模具下卡箍(15)；端面模具底板(13)的上表面具有一个圆盘形凸起，与要制备的端燃面装药直径一致；端面模具外套(12)为上、下开口的圆筒结构，下端卡在端面模具底板(13)的圆盘形凸起外侧，其外表面通过圆环形的端面模具下卡箍(15)卡紧，并通过螺钉将端面模具下卡箍(15)将端面模具外套(12)固定在一起；圆盘形的端面模具上盖板(14)置于端面模具外套(12)上端，两者通过螺钉固定连接。
7.一种用于加工权利要求3所述的杯型装药的模具，其特征在于，包括杯型模具下卡箍(22)、杯型模具底板(23)、杯型模具外套(24)、杯型模具上卡箍(27)、杯型模具上盖板((28))、杯型模具芯模(29)；杯型模具底板(23)的上表面具有一个圆盘形凸起，与要制备的杯型装药直径一致；杯型模具外套(24)为上、下开口的圆筒结构，下端卡在杯型模具底板(23)的圆盘形凸起外侧，其外表面通过圆环形的杯型模具下卡箍(22)和杯型模具上卡箍(27)卡紧，杯型模具下卡箍(22)和杯型模具上卡箍(27)通过螺钉固定在杯型模具外套(24)圆周面上；杯型模具上盖板(28)为圆盘形，杯型模具芯模(29)为圆柱形，杯型模具芯模(29)固定在杯型模具上盖板((28))下表面中心处，杯型模具上盖板(28)固定在杯型模具外套(24)的上开口。
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| EP0918194A1 (de) * | 1997-11-24 | 1999-05-26 | Abb Research Ltd. | Verfahren zur Auslegung eines Verbrennungssystems und Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Brennereigenschaften |
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- 2023-09-05 LU LU506320A patent/LU506320B1/en active
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