CN117761011A - 一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，所述试车台包括基座、滑轨、滑块、支撑架、喷管支撑架、光学玻璃挡板、进气段支撑架、推力承重墙、推力架、进气段、膨胀偏流喷管实验段、连接段、过渡段、泡沫铜多孔板、压力软管、塞锥、推力传感器、光学玻璃、高频压力传感器和压力传感器。该试车台能够在地面实验条件下模拟膨胀偏流喷管在不同落压比状态，通过纹影系统和压力传感器分别获取二元喷管流动状态和壁面压力分布特征，用于测试膨胀偏流喷管在高压冷流氮气输入条件下的喷管工作工作状态。本发明具有原理简单、高适应性、准确测量工作状态的优点，对膨胀偏流喷管试验具有较好的应用前景。

Description

一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台

技术领域

本发明属于航空航天测试技术中喷管试车与测试领域，涉及一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台。

背景技术

膨胀偏流喷管是一种能够满足宽空域工作的高度补偿喷管，相对于常规喷管具有无移动部件、大扩张比、可靠性高的优势。高度补偿能力通过两种工作模态实现，分别是闭合模态和开放模态。而膨胀偏流喷管中复杂的流动现象，尤其是激波-激波相互作用，激波-边界层相互作用以及流动分离为喷管的推力预示带来困难。如何捕捉喷管工作模态，确定喷管流动状态十分重要，而壁面激波分离非线性振荡所带来的推力振动使获取典型流场流动特征更为迫切。

发明内容

针对膨胀偏流喷管试验装置，本发明提供了一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台。该试车台能够在地面实验条件下模拟膨胀偏流喷管在不同落压比状态，通过纹影系统和压力传感器分别获取二元喷管流动状态和壁面压力分布特征，用于测试膨胀偏流喷管在高压冷流氮气输入条件下的喷管工作工作状态。本发明具有原理简单、高适应性、准确测量工作状态的优点，对膨胀偏流喷管试验具有较好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，包括支撑结构、测试发动机主体以及配套测试设备，其中：

所述支撑结构包括基座、滑轨、滑块、支撑架、喷管支撑架、光学玻璃挡板、进气段支撑架、推力承重墙和推力架；

所述测试发动机主体包括进气段、膨胀偏流喷管实验段、连接段、过渡段、泡沫铜多孔板、压力软管和塞锥；

所述配套测试设备包括推力传感器、光学玻璃、高频压力传感器和压力传感器；

所述基座的一侧安装有推力承重墙，推力承重墙与滑轨连接，滑轨固定在基座上，滑轨上设置有两个滑块，一个滑块上设置有进气段支撑架，另一个滑块上设置有支撑架；

所述推力承重墙上安装有推力传感器用以测量发动机轴向推力；

所述推力传感器与推力架相连，推力架通过法兰与进气段连接，进气段通过法兰与过渡段连接，过渡段通过法兰与连接段连接，连接段通过法兰与膨胀偏流喷管实验段连接；

所述压力软管的一端与进气段连接，压力软管的另一端与供气系统连接提供高压高流量气体；

所述进气段连接有压力传感器测量进气总压，进气段的下部与进气段支撑架连接；

所述连接段连接有压力传感器测量入口总压；

所述膨胀偏流喷管实验段的壁面连接有高频压力传感器测量壁面压力，膨胀偏流喷管实验段的侧面连接有光学玻璃挡板，膨胀偏流喷管实验段的下部与喷管支撑架的上侧连接，喷管支撑架的下侧与支撑架连接；

所述光学玻璃挡板上固定有光学玻璃；

所述塞锥安装在连接段和膨胀偏流喷管实验段之间；

所述泡沫铜多孔板安装在进气段与过渡段之间。

一种利用上述试车台进行冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试的方法，包括如下步骤：

步骤一、按照要求安装试车台及传感器，连接数采，检查传感器是否连接正常；

步骤二、调整纹影系统光路，让相机内拍摄到清晰完整的像，打开相机开始录制，同时开启数采记录；

步骤三、开始实验，气动阀开启，供气系统输入高压氮气，气体膨胀做功产生推力；

步骤四、关闭气动阀，关闭数采，关闭相机记录，实验结束。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提出的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台能够模拟二元膨胀偏流喷管工作状态，通过压力传感器测量喷管壁面压力分布从而获取喷管壁面流动特征，通过推力传感器采集喷管推力特性，纹影系统也能够透过光学玻璃捕捉流场波系。

2、本发明提出的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台具有在地面试车条件下对喷管工作状态测量更准确的特点，尽可能在有限的试验条件下可以最大程度的测量落压比对喷管工作状态的影响。

3、本发明提出的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台相比于其他的试车架有测量准确的特点，具有质量轻和可靠性高等优势，相较于其他喷管的试车架，可以获得喷管内部纹影图的优势。

4、本发明提出的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台可以通过更换不同的塞锥零件来满足不同塞锥几何设计参数下的喷管实验。

附图说明

图1是冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台总体装配图；

图2是冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台的支撑结构装配图；

图3是冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台的推力架、进气段、过渡段、连接段、喷管等测试结构装配图；

图4是冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台的进气段和过渡段的剖切结构图；

图5是冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台的膨胀偏流喷管的剖切结构图；

图6为纹影图；

图7为喷管壁面六个高频压力传感器测量结果；

图中：1-基座；2-滑轨；3-滑块；4-支撑架；5-喷管支撑架；6-光学玻璃挡板；7-进气段支撑架；8-进气段；9-推力传感器；10-推力承重墙；11-光学玻璃；12-高频压力传感器；13-膨胀偏流喷管实验段；14-连接段；15-压力传感器；16-过渡段；17-推力架；18-泡沫铜多孔板；19-压力软管；20-塞锥。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，如图1-5所示，所述试车台主要部分由支撑结构、测试发动机主体以及配套测试设备组成，其中：

所述支撑结构包括基座1、滑轨2、滑块3、支撑架4、喷管支撑架5、光学玻璃挡板6、进气段支撑架7、推力承重墙10和推力架17；

所述测试发动机主体包括进气段8、膨胀偏流喷管实验段13、连接段14、过渡段16、泡沫铜多孔板18、压力软管19和塞锥20；

所述配套测试设备包括推力传感器9、光学玻璃11、高频压力传感器12和压力传感器15；

所述基座1的一侧安装有推力承重墙10，推力承重墙10与滑轨2连接，滑轨2固定在基座1上，滑轨2上设置有两个滑块3，一个滑块上设置有进气段支撑架7，另一个滑块上设置有支撑架4；

所述推力承重墙10上安装有推力传感器9用以测量发动机轴向推力；

所述推力传感器9与推力架17相连，推力架17通过法兰与进气段8连接，进气段8通过法兰与过渡段16连接，过渡段16通过法兰与连接段14连接，连接段14通过法兰与膨胀偏流喷管实验段13连接；

所述压力软管19的一端与进气段8连接，压力软管19的另一端与供气系统连接提供高压高流量气体；

所述进气段8连接有压力传感器15测量进气总压，进气段8的下部与进气段支撑架7连接；所述连接段14连接有压力传感器15测量入口总压；

所述膨胀偏流喷管实验段13的喷管壁面连接有高频压力传感器12测量壁面压力，膨胀偏流喷管实验段13侧面连接有光学玻璃挡板6，膨胀偏流喷管实验段13的下部与喷管支撑架5的上侧连接，喷管支撑架5的下侧与支撑架4连接；

所述光学玻璃挡板6上固定有光学玻璃11；

所述塞锥20安装在连接段14和膨胀偏流喷管实验段13之间；

所述泡沫铜多孔板18安装在进气段8与过渡段16之间。

本发明中，所述基座1、推力承重墙10、滑轨2和滑块3为主要承力结构，通过该结构能够使发动机在滑块3上支撑并在滑轨2上沿轴向移动。

本发明中，所述支撑架4是重要支撑装置，用来支撑进气段8和喷管，为发动机提供重力支撑，保持发动机水平并垂直于推力承重墙10。

本发明中，所述进气段8安装有压力传感器15，可以测量进入的氮气总压。

本发明中，所述过渡段16是一个内部通道由圆形转为方形的管段，用来改变气体流动的截面形状，把圆形截面过渡为方形截面。

本发明中，所述连接段14是一方形管道，安装有压力传感器15，同时连接段14也对气流进一步整流，保证进入膨胀偏流喷管实验段13的气流方向和速度一致。

本发明中，所述压力软管19是一段耐高压波纹管，压力软管19的一端通过螺纹连接方式与进气段8连接，压力软管19的另一端通过外螺纹与供气系统连接，该管段连通供气系统与进气段8，设备工作时，供气系统提供的高压氮气通过压力软管19流入进气段8，压力软管19能够保证发动机在轴向上能够产生位移，从而准确测量推力。

本发明中，所述推力传感器9安装在推力架17与推力承重墙10之间，用以测量发动机轴向推力。

本发明中，所述进气段8前端通过推力架17与推力传感器9相连接，可以测量膨胀偏流喷管的轴向推力。

本发明中，所述膨胀偏流喷管实验段13是一种二元平面喷管，其内表面为气流接触的实验段，型面通过优化获得，保证推力效果最佳。膨胀偏流喷管实验段13的上壁面设有6个压力测量孔，用于安装高频压力传感器12，可以测量壁面不同位置的压力分布。膨胀偏流喷管实验段13与连接段14通过法兰连接，气体经连接段14进入膨胀偏流喷管实验段13后再经膨胀偏流喷管实验段13膨胀流出。膨胀偏流喷管实验段13侧面留有螺纹孔，用于与光学玻璃挡板6通过螺栓连接，压紧光学玻璃11。膨胀偏流喷管实验段13下部设有螺纹孔，用于与喷管支撑架5连接，支撑膨胀偏流喷管实验段13。工作时，高压气体经进气段8下方的压力软管19进入进气段8内，通过进气段8与过渡段16之间的泡沫铜多孔板18进行整流后进入过渡段16，再流入连接段14内形成均匀稳定的气流进入膨胀偏流喷管实验段13，在膨胀偏流喷管实验段13内膨胀产生推力。

本发明中，所述连接段14和膨胀偏流喷管实验段13通过安装两个不同型号的压力传感器，可以对比不同型号的传感器对测量结果造成的影响，进行相互标定。

本发明中，所述压力传感器15和高频压力传感器12为两种型号传感器，压力传感器15采样频率低，主要用于测量入口总压，高频压力传感器12采样频率高，用于测量喷管壁面压力，压力传感器15和高频压力传感器12被安装在相同轴向位置，用于相互标定。

本发明中，所述光学玻璃挡板6是用来固定光学玻璃11的C字型挡板，其通过螺栓与膨胀偏流喷管实验段13连接，压紧光学玻璃11。

本发明中，所述光学玻璃11为高透钢化玻璃，可以用纹影系统拍摄，记录纹影图像。

本发明中，所述塞锥20为喷管型面的重要组成部分，通过螺栓安装在连接段14和膨胀偏流喷管实验段13上，其型面保证气体流入膨胀偏流喷管实验段13时流动方向产生偏转。

本发明中，所述泡沫铜多孔板18安装在进气段8与过渡段16之间，其为一种孔隙率为95％的泡沫铜材料，能够使气流通过并使流动方向相同，起整流作用，通过泡沫铜多孔板18的气流方向一致，流速均匀。

上述试车台具有如下设计特点：

1)通过一套完整的气体整流、压力测量、纹影记录，能够在有限的实验条件下实现不同落压比条件下的膨胀偏流喷管冷流条件工作特性实验，捕捉喷管流动纹影图和壁面压力分布以及喷管推力的动态数据。

2)在膨胀偏流喷管的工作过程中，落压比，即喷管工作总压与环境压力的比值，会对喷管的工作状态造成影响，本发明可以通过分布在上壁面的多个压力传感器能在有限的试验条件下，准确测量喷管在不同落压比情况下壁面压力分布及压力变化规律。通过两种型号压力传感器的对比，辨别压力传感器自身对测量结果的影响。

3)在喷管两侧装有光学玻璃，通过纹影设备拍摄，可以记录喷管工作过程中的激波变化规律。

4)通过改变入口总压供应，能够实验不同落压比条件下的喷管工作状态模拟。

5)通过入口段进入的高压冷流氮气模拟发动机在燃烧室高总压气体，经泡沫铜多孔板、圆转方段、整流段整流后形成流向相同、流速均匀、压力相同的入口高品质气流，满足实验要求。

6)来流气体进入膨胀偏流喷管实验段后，在喷管扩张段膨胀，其流场现象如激波、膨胀波、滑移线等结构可经纹影系统射出的平行光透过光学玻璃再经反射后由高速相机捕捉，该图像能够帮助研究人员分析喷管的流动特征。

7)通过改变入口处的总压，可以方便的改变喷管的落压比，从而进行不同落压比条件的冷流试验，满足模拟不同总压喷管的设计要求。

实施例：

本实施例提供了一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，测试发动机采用常规火箭发动机，如图1所示，所述试车台主要部分由支撑结构、测试发动机主体以及配套测试设备组成，其中：支撑结构包括基座1、滑轨2、滑块3、支撑架4、喷管支撑架5、光学玻璃挡板6、进气段支撑架7、推力承重墙10和推力架17；测试发动机主体包括进气段8、膨胀偏流喷管实验段13、连接段14、过渡段16、泡沫铜多孔板18、压力软管19和塞锥20；配套测试设备包括推力传感器9、光学玻璃11、高频压力传感器12和压力传感器15。支撑结构承托测试发动机主体，通过配套测试设备获得实验数据。

图2为支撑结构配图，通过图中可以看出，滑轨2和推力承重墙10通过螺栓与基座1固定连接，同时保持两条滑轨2平行，在每条滑轨2上放置两块滑块3，支撑架4通过螺栓连接在滑块3上，进气段支撑架7直接连接一个滑块上，喷管支撑架5与支撑架4连接，支撑架4连接在另一个滑块，推力传感器9安装在推力承重墙10上，将图3的测试结构通过法兰盘和螺栓与喷管支撑架5和进气段支撑架7连接，发动机试车架装配完毕。

图3为测试结构装配，共分为五段：头部推力架段(即推力架17)、进气段8、过渡段16、连接段14、膨胀偏流喷管实验段13，各段均通过法兰连接，进气段法兰盘与过渡段法兰盘连接，进气段8固支在进气段支撑架7上，过渡段法兰盘与连接段法兰盘连接，连接段法兰盘与膨胀偏流喷管实验段法兰盘连接，膨胀偏流喷管实验段13固支在喷管支撑架5上。该设计能使发动机在竖直方向上固定，承受大部分发动机自身重力，在水平方向上可以自由移动，保证了测量推力的准确性。头部推力架段与推力传感器9相连测量推力。压力软管19通过外螺纹与供气系统连接提供高压高流量气体。

开始试验时打开供气阀门，气体经进气管流入进气段8、过渡段16、连接段14进入膨胀偏流喷管实验段13膨胀做功，提供推力。进气段8通过螺纹连接有压力传感器15测量进气总压，连接段14通过螺纹连接压力传感器15，膨胀偏流喷管实验段13的喷管壁面通过螺纹连接有六个高频压力传感器12测量壁面压力，推力传感器9通过喷管产生的轴向力测量推力，纹影系统可以透过光学玻璃11记录流场纹影图像。

图4为图3测试结构的半剖图，其中泡沫铜多孔板18处于进气段与过渡段之间，压力软管19通过螺纹连接的方式连接在进气段8上。

图5是喷管的剖切结构图，其中塞锥20是可更换部件，通过更换不同的塞锥20即可满足不同塞锥几何设计参数条件下的喷管实验，丰富了实验内容。

膨胀偏流喷管试验流程，在试验开始前，打开记录试验数据的设备开始记录，之后打开供气系统阀门，向发动机内供应高压氮气，通气一段时间停止通气，保存试验数据，改变流入氮气的总压进行重复试验，对实验结果进行分析与总结。纹影图如图6所示，喷管壁面六个高频压力传感器测量结果如图7所示。

Claims (9)

1.一种冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述试车台包括支撑结构、测试发动机主体以及配套测试设备，其中：

所述支撑结构包括基座、滑轨、滑块、支撑架、喷管支撑架、光学玻璃挡板、进气段支撑架、推力承重墙和推力架；

所述测试发动机主体包括进气段、膨胀偏流喷管实验段、连接段、过渡段、泡沫铜多孔板、压力软管和塞锥；

所述配套测试设备包括推力传感器、光学玻璃、高频压力传感器和压力传感器；

所述基座的一侧安装有推力承重墙，推力承重墙与滑轨连接，滑轨固定在基座上，滑轨上设置有两个滑块，一个滑块上设置有进气段支撑架，另一个滑块上设置有支撑架；

所述推力承重墙上安装有推力传感器用以测量发动机轴向推力；

所述推力传感器与推力架相连，推力架通过法兰与进气段连接，进气段通过法兰与过渡段连接，过渡段通过法兰与连接段连接，连接段通过法兰与膨胀偏流喷管实验段连接；

所述压力软管的一端与进气段连接，压力软管的另一端与供气系统连接提供高压高流量气体；

所述进气段连接有压力传感器测量进气总压，进气段的下部与进气段支撑架连接；

所述连接段连接有压力传感器测量入口总压；

所述膨胀偏流喷管实验段的壁面连接有高频压力传感器测量壁面压力，膨胀偏流喷管实验段的侧面连接有光学玻璃挡板，膨胀偏流喷管实验段的下部与喷管支撑架的上侧连接，喷管支撑架的下侧与支撑架连接；

所述光学玻璃挡板上固定有光学玻璃；

所述塞锥安装在连接段和膨胀偏流喷管实验段之间；

所述泡沫铜多孔板安装在进气段与过渡段之间。

2.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述过渡段是一个内部通道由圆形转为方形的管段。

3.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述连接段是一方形管道。

4.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述压力软管是一段耐高压波纹管。

5.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述压力传感器和高频压力传感器安装在相同轴向位置，用于相互标定。

6.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述光学玻璃挡板是C字型挡板。

7.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述光学玻璃为高透钢化玻璃。

8.根据权利要求1所述的冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试试车台，其特征在于所述泡沫铜多孔板的孔隙率为95％。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述试车台进行冷流二元膨胀偏流喷管性能与流动纹影测试的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、按照要求安装试车台及传感器，连接数采，检查传感器是否连接正常；

步骤二、调整纹影系统光路，让相机内拍摄到清晰完整的像，打开相机开始录制，同时开启数采记录；

步骤三、开始实验，气动阀开启，供气系统输入高压氮气，气体膨胀做功产生推力；

步骤四、关闭气动阀，关闭数采，关闭相机记录，实验结束。