專利名稱：氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置的制作方法
氣_氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于測定氣-氣噴嘴流量特性，是一種利用氣-氣噴嘴噴出的推進(jìn)劑建立
壓力從而為噴嘴冷流試驗(yàn)提供反壓的設(shè)備。主要應(yīng)用于推進(jìn)劑為氣態(tài)的各類噴嘴流量特性 試驗(yàn)研究。
背景技術(shù)：
噴嘴是液體發(fā)動機(jī)中的重要部件，一種噴嘴在應(yīng)用之前需要進(jìn)行噴嘴的流量特性 試驗(yàn)研究。噴嘴的流量特性是指在一定反壓條件下，噴嘴壓降與流量的關(guān)系。流量特性試 驗(yàn)是通過試驗(yàn)手段測量噴嘴的進(jìn)口壓力、反壓和噴嘴流量，通過流量公式確定噴嘴的流量 系數(shù)。噴嘴的流量系數(shù)影響噴入燃燒室的推進(jìn)劑流量，進(jìn)而影響燃燒室的混合比和燃燒過 程，從而對火箭發(fā)動機(jī)的熱試性能產(chǎn)生重要影響。因此開展對噴注器流量特性的研究有重 要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 在全流量補(bǔ)燃循環(huán)液體火箭發(fā)動機(jī)中，全部流量的液態(tài)推進(jìn)劑先進(jìn)入富氧預(yù)燃室 和富燃預(yù)燃室初步燃燒，形成高溫的富氧燃?xì)夂透蝗既細(xì)?，然后兩種燃?xì)庠龠M(jìn)入主燃燒室 繼續(xù)摻混燃燒，因此在全流量補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動機(jī)的主燃燒室中需要使用氣_氣噴嘴，即噴射 的燃料和氧化劑均為氣態(tài)的噴嘴。目前國內(nèi)開展氣-氣噴嘴研究的單位僅有北京航空航天 大學(xué)一家單位，在氣_氣燃燒相似規(guī)律、氣_氣噴嘴燃燒特點(diǎn)以及新式噴嘴研究等諸多方面 取得了重要的成果，對工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。 為了盡可能的模擬噴嘴真實(shí)工作條件下的流量特性，必須模擬發(fā)動機(jī)實(shí)際工作時(shí) 的燃燒室壓力環(huán)境，因而噴嘴的冷試需要在有反壓的環(huán)境下進(jìn)行。多數(shù)單位在做噴嘴流量 特性試驗(yàn)時(shí)，由于沒有為噴嘴提供模擬燃燒室壓力的反壓設(shè)備，往往進(jìn)行無反壓下的噴嘴 流量特性試驗(yàn)，此時(shí)得到的噴嘴流量特性與噴嘴實(shí)際工作時(shí)的流量特性差別較大。有能力 進(jìn)行帶反壓流量特性試驗(yàn)研究的，通常是在充滿氣體的反壓艙內(nèi)進(jìn)行。 此類反壓艙的工作原理如下將噴嘴放入反壓艙，關(guān)閉反壓艙出口閥門，反壓艙通 過氣體管路流入空氣和氮?dú)饨毫?，待反壓艙的壓力達(dá)到需要值時(shí)，關(guān)閉反壓艙進(jìn)氣管 路。這種反壓設(shè)備對噴嘴流量特性試驗(yàn)而言有以下缺點(diǎn)(1)、反壓艙體積大，成本高，如 果只為測定噴嘴流量系數(shù)購買反壓艙或者采用外協(xié)的方式聯(lián)合別的單位進(jìn)行，勢必造成人 力、物力和時(shí)間上的損失；(2)在測定噴嘴流量系數(shù)的試驗(yàn)過程中，由于噴嘴噴出的氣體推 進(jìn)劑直接進(jìn)入反壓艙，如果反壓艙容積過小，或者噴嘴噴出的流量較大，那么反壓艙內(nèi)的壓 力勢必升高，高出設(shè)計(jì)反壓。假如要在同一反壓下進(jìn)行多次試驗(yàn)，必須泄壓，帶來了很多麻 煩。 公知的是，氣-氣噴嘴噴射出氣體推進(jìn)劑，而節(jié)流孔對氣體具有節(jié)流作用，當(dāng)節(jié)流 孔前后壓力比達(dá)到一定值后，氣流將會在節(jié)流孔最小面積處達(dá)到音速，此時(shí)經(jīng)過節(jié)流孔的 流量達(dá)到最大值，以音速傳播的外界壓力擾動波不能達(dá)到和穿越節(jié)流孔去影響節(jié)流孔內(nèi)的 流動。因此設(shè)計(jì)合適的節(jié)流裝置對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進(jìn)劑進(jìn)行節(jié)流，可為氣-氣 噴嘴建立所需的壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，利用對噴嘴噴出的氣體推進(jìn)劑進(jìn)行 節(jié)流能夠?yàn)闅鈅氣噴嘴模擬系統(tǒng)可承受壓力范圍內(nèi)的任意反壓。提供了氣_氣噴嘴流量特 性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法和反壓建立的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。此試驗(yàn)裝置已通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)方法簡 單有效。使用此試驗(yàn)裝置，可大量節(jié)省人力、物力，能夠?yàn)闅?氣噴嘴的流量特性試驗(yàn)提供 穩(wěn)定而準(zhǔn)確的反壓環(huán)境。 本發(fā)明氣_氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如下所述。 氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，包括密封墊(1)、斷裂法蘭(2)、容腔(3)、接管嘴 (4) (7)、外套螺母(5)、節(jié)流球頭(6)。容腔(3)通常設(shè)計(jì)為圓柱筒狀，圓柱容腔一端敞口用 于與噴嘴相連接，另一端開適口用于焊接接管嘴(4)，圓柱容腔側(cè)壁上開一適孔用以焊接接 管嘴(7)，從而安裝壓力傳感器。節(jié)流球頭(6)可更換，通過外套螺母(5)與接管嘴(4)相 連接。斷裂法蘭(2)以及密封墊(1)起到與氣-氣噴嘴裝置連接密封的作用。 本發(fā)明通過更換不同節(jié)流孔徑的節(jié)流球頭，對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進(jìn)劑進(jìn)
行節(jié)流，可為氣-氣噴嘴冷流試驗(yàn)建立任意反壓環(huán)境，并可節(jié)省大量的人力和物力。本發(fā)明 用于而不局限于為氣_氣噴嘴進(jìn)行流量特性試驗(yàn)提供反壓，還可以用于其他涉及氣_氣噴 注裝置或設(shè)備的冷試實(shí)驗(yàn)中。


圖1是本發(fā)明氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置
圖2是起節(jié)流建壓作用的節(jié)流球頭
圖3是利于安裝的斷裂法蘭視圖1
圖4是利于安裝的斷裂法蘭視圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明首次提出利用帶節(jié)流孔的節(jié)流球頭對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進(jìn)劑進(jìn) 行節(jié)流作用，從而為氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)建立反壓環(huán)境。通過更換不同節(jié)流孔徑的節(jié) 流球頭，能為氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)建立任意所需的壓力環(huán)境，壓力環(huán)境準(zhǔn)確而又穩(wěn)定。
如圖l所示的氣-氣噴嘴冷流試驗(yàn)裝置，包括密封墊(1)、斷裂法蘭(2)、容腔(3)、 接管嘴(4) (7)、外套螺母(5)、節(jié)流球頭(6)。
此試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方法如下所述 1、試驗(yàn)之前通過氣-氣噴嘴的推進(jìn)劑流量以及推進(jìn)劑種類都是確定好的，定義為 A,其氣體常數(shù)都是已知的。 2、推進(jìn)劑經(jīng)過氣_氣噴嘴噴入容腔，最終通過容腔出口的球頭節(jié)流裝置噴入大 氣。設(shè)球頭的節(jié)流孔最小流通面積為At，球頭的反壓Pb與球頭進(jìn)口壓力Pi之比為o =Pb/ Pi，當(dāng)通過節(jié)流孔的流量達(dá)到最大且保持不變時(shí)，壓力比為臨界壓力比
,7 、:n J =丄
'u+u 當(dāng)o《Ot時(shí)，球頭的節(jié)流孔達(dá)到音速，以音速傳播的外界壓力擾動波不能達(dá)到和穿越節(jié)流孔出口截面去影響球頭內(nèi)也就是容腔內(nèi)的流動。此時(shí)，氣體的流量公式為 & -經(jīng)過節(jié)流孔的流量，也即噴嘴噴出的推進(jìn)劑的流量 Cd-節(jié)流球頭的流量系數(shù) k-氣體的比熱比
R-氣體常數(shù)
T*_氣體總溫 對于給定的推進(jìn)劑流量，R、 T*、 k都是已知或者可測量計(jì)算得到，節(jié)流球頭的流量系數(shù)推薦Cd = 0. 97。假如要求反壓容腔內(nèi)壓力值為P，可利用氣體的流量公式求出節(jié)流孔的面積At，進(jìn)而求出節(jié)流孔的直徑dt。因而對于給定的推進(jìn)劑流量，可通過更換不同節(jié)流孔徑的節(jié)流球頭調(diào)節(jié)容腔壓力。 3、反壓容腔的出口通過氬弧焊焊接一接管嘴，接管嘴與球頭相配合，再以螺帽將球頭與接管嘴相配合。接管嘴、螺帽均有標(biāo)準(zhǔn)件，可購買也可自行加工；帶節(jié)流孔的球頭需要自行設(shè)計(jì)，只需與接管嘴、螺帽連接達(dá)到密封和耐壓效果。接管嘴在反壓容腔上的焊接位置可自己選擇。反壓的壓力測量只需在反壓容腔壁上開通孔，安裝壓力傳感器；溫度測量同理(圖示中不做設(shè)計(jì))。反壓容腔的容積、形狀可自由設(shè)計(jì)，只需滿足傳感器等部件的安放，壁厚只需滿足承壓能力。反壓容腔與噴注器的連接通過螺栓連接，采用密封墊起到密封效果。 至此，氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。
權(quán)利要求
氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，包括密封墊、斷裂法蘭、容腔、接管嘴(4)(7)、外套螺母、節(jié)流球頭，采用斷裂法蘭將其他部件與氣-氣噴嘴相連接，密封墊在其中起密封作用；節(jié)流球頭與接管嘴(4)和外套螺母相連接，接管嘴(7)處安裝壓力傳感器。其特征在于利用節(jié)流孔的節(jié)流作用對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進(jìn)劑進(jìn)行節(jié)流，當(dāng)節(jié)流孔于最小截面處達(dá)到音速時(shí)，流經(jīng)節(jié)流孔的流量達(dá)到最大值，以音速傳播的外界壓力擾動波不能達(dá)到和穿越節(jié)流孔去影響節(jié)流孔內(nèi)的流動，因此設(shè)計(jì)合適的節(jié)流裝置可為節(jié)流孔前方容腔建立壓力。
2. 如權(quán)利要求l所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，其特征在于斷裂法蘭是一個(gè) 完整的法蘭被切成兩部分，密封墊采用聚四氟乙烯制造。
3. 如權(quán)利要求1所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，其特征在于接管嘴(4)和外 套螺母可配套購買，節(jié)流球頭自行設(shè)計(jì)，節(jié)流球頭內(nèi)徑先收縮后等直，孔徑按流量公式計(jì)算 得到，節(jié)流球頭的外廓尺寸與接管嘴(4)和外套螺母相配合。
4. 如權(quán)利要求1所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，其特征在于接管嘴(7)焊接 在容腔上，在接管嘴(7)上安裝壓力傳感器。
5. 如權(quán)利要求l 4任一權(quán)利要求所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，其特征在于 接管嘴(4)和接管嘴(7)在容腔上的焊接位置可變，容腔形狀優(yōu)先選用圓柱狀。
全文摘要
氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，利用球頭節(jié)流裝置對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進(jìn)劑進(jìn)行節(jié)流，當(dāng)節(jié)流球頭于最小截面處達(dá)到音速時(shí)，能夠在反壓容腔內(nèi)建立準(zhǔn)確而穩(wěn)定的壓力環(huán)境，通過更換不同節(jié)流孔徑的球頭節(jié)流裝置，可為氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)提供所需的反壓環(huán)境。包括密封墊(1)、斷裂法蘭(2)、容腔(3)、接管嘴(4)(7)、外套螺母(5)、節(jié)流球頭(6)，其中接管嘴(7)用以安裝壓力傳感器，接管嘴(4)配以外套螺母(5)用以安裝球頭節(jié)流裝置(6)，球頭節(jié)流裝置可根據(jù)需要建立的反壓環(huán)境自行更換。斷裂法蘭與氣-氣噴嘴通過螺栓相連接，密封墊在其中起到密封的作用。斷裂法蘭的采用可以解決因接管嘴(7)所處位置引起的安裝問題，同時(shí)減輕了重量、降低了成本，并可針對不同的氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)加工不同的斷裂法蘭，而容腔等其他部件無需重新加工。氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)裝置，使用方便、成本低、體積小、質(zhì)量輕，克服了傳統(tǒng)反壓艙在氣-氣噴嘴流量特性試驗(yàn)中存在的不足，能夠?yàn)闅?氣噴嘴流量特性試驗(yàn)提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的反壓環(huán)境。
文檔編號F02K9/96GK101782029SQ200910076980
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者杜正剛, 蔡國飆, 高玉閃 申請人:北京航空航天大學(xué)