專利名稱：一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機試驗領(lǐng)域，具體為一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置。
背景技術(shù)：
在固體火箭發(fā)動機中，為了提高固體推進(jìn)劑的能量，一般會在推進(jìn)劑中加入一些 燃燒熱值較高的金屬燃料作為基本組元之一，例如鋁粉和硼粉等。對于這種含金屬的復(fù)合 推進(jìn)劑，由于推進(jìn)劑的燃燒溫度高于金屬燃燒產(chǎn)物的熔點，但又低于金屬燃燒產(chǎn)物的沸點， 因此產(chǎn)生的金屬燃燒產(chǎn)物在燃?xì)庵谐嗜廴跔顟B(tài)，即凝相。凝相顆粒在隨高溫燃?xì)獾牧鲃舆^ 程中會發(fā)生碰撞，碰撞后的顆粒直徑等參數(shù)會發(fā)生變化，顆粒參數(shù)的變化會對發(fā)動機的工 作特性帶來較大的影響例如，固體火箭發(fā)動機中凝相顆粒粒徑的變化可能會引起發(fā)動機 內(nèi)的燃燒不穩(wěn)定。再如，發(fā)動機載體在大機動飛行過程中，由于受到過載作用，凝相顆粒運 動軌跡會發(fā)生變化，在發(fā)動機內(nèi)部高度聚集，熔融態(tài)顆粒由于碰撞聚合作用形成粒徑更大 的粒子，高溫凝相大粒子會加劇發(fā)動機內(nèi)絕熱層的燒蝕，嚴(yán)重時會導(dǎo)致發(fā)動機爆炸。影響固體火箭發(fā)動機中凝相顆粒碰撞的主要因素為顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃 度。目前，對固體火箭發(fā)動機內(nèi)凝相顆粒碰撞的規(guī)律還缺乏認(rèn)識，其中一個重要的原因就是 缺乏有效的試驗方法?，F(xiàn)有的試驗方法主要有水銀液滴模擬法和單收縮管聚集法。水銀液 滴模擬法認(rèn)為水銀液滴的表面張力系數(shù)和固體火箭發(fā)動機中典型凝相顆粒三氧化二鋁液 滴的表面張力系數(shù)接近，利用常溫常壓下水銀液滴的碰撞規(guī)律來模擬固體火箭發(fā)動機中三 氧化二鋁液滴的碰撞規(guī)律。這種方法不能模擬固體火箭發(fā)動機中三氧化二鋁液滴碰撞的高 溫高壓環(huán)境，且三氧化二鋁液滴的碰撞規(guī)律還受其他因素的影響，不能簡單地由水銀液滴 碰撞規(guī)律來描述。單收縮管聚集法采用一個擁有收縮通道的縮比發(fā)動機來模擬固體火箭發(fā) 動機中顆粒的聚集狀態(tài)，通過改變收縮通道的角度和面積來改變粒子速度和粒子濃度，對 比收縮通道入口和出口粒子直徑分布，來研究不同的聚集狀態(tài)對粒徑變化的影響。這種方 法不能研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等單一因素對粒子碰撞的影響，不能揭示凝相 顆粒碰撞規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了研究固體火箭發(fā)動機中凝相顆粒碰撞規(guī)律，迫切需要建立一種既能夠模擬固 體火箭發(fā)動機中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環(huán)境，且能夠單一地研究顆粒速度、碰撞角度和 顆粒濃度等三個碰撞影響因素對凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響的試驗裝置。技術(shù)方案由于顆粒碰撞后最直接的表現(xiàn)為粒徑的變化，測出碰撞前后的顆粒粒徑，有利于 研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等三個碰撞影響因素對凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。為 此，本發(fā)明提出了一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其技術(shù)方案為所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于包括試驗段組件和顆粒發(fā)生器；試驗段組件包括試驗殼體和通氣接頭；試驗殼體為空心柱狀結(jié)構(gòu)，一端端面上 伸出有空心連接段，用于安裝顆粒發(fā)生器，在試驗殼體側(cè)壁上也伸出有兩段空心連接段，用 于安裝顆粒發(fā)生器，試驗殼體另一端與底蓋密封固連，在試驗殼體上安裝有通氣接頭，通氣 接頭與外部高壓氣源連接，在試驗殼體側(cè)壁上還開有點火孔；顆粒發(fā)生器包括燃燒室、封 頭、推進(jìn)劑和速度調(diào)節(jié)件；燃燒室為空心柱狀結(jié)構(gòu)，并在一端有周向的凸起；封頭為一端帶 有連接盤的柱狀結(jié)構(gòu)，封頭插入燃燒室內(nèi)，且封頭與燃燒室內(nèi)壁間存在間隙，封頭端頭的連 接盤與燃燒室端口接觸；封頭插入燃燒室的一端端面上固定有推進(jìn)劑；速度調(diào)節(jié)件一端為 圓柱段，與燃燒室一端固定連接，速度調(diào)節(jié)件另一端為錐形出口段；顆粒發(fā)生器安裝在試驗 殼體的空心連接段內(nèi)，封頭通過一端的連接盤與空心連接段固定連接，并與空心連接段配 合，通過燃燒室一端周向的凸起將燃燒室固定在空心連接段內(nèi)，燃燒室外壁與空心連接段 內(nèi)壁緊密接觸；在推進(jìn)劑上附有點火包，導(dǎo)線將點火包與外部點火器連接；在底蓋上開有 排氣孔，排氣孔中密封安裝有排氣接頭，排氣接頭外端依次與排氣閥和水箱連接。所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置的優(yōu)選方案，其特征在于試驗殼體 側(cè)壁的兩段空心連接段的中心軸線相交。所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置的優(yōu)選方案，其特征在于在試驗殼 體側(cè)壁上開有觀察孔，觀察孔中密封安裝有觀察窗。所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置的優(yōu)選方案，其特征在于在封頭一 端的連接盤上安裝有測壓座，測壓座上安裝壓力傳感器測量試驗裝置內(nèi)部的壓強。所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置的優(yōu)選方案，其特征在于在試驗殼 體內(nèi)盛有少量的水用于收集顆粒。所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置的優(yōu)選方案，其特征在于排氣接頭 內(nèi)端套有顆粒擋帽。有益效果采用本發(fā)明能夠模擬實際發(fā)動機中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環(huán)境，同時能夠在保 持其他參數(shù)不變的情況下實現(xiàn)顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等參數(shù)可調(diào)，能夠研究顆粒 速度、碰撞角度和顆粒濃度等單一參數(shù)對碰撞前后顆粒粒徑變化的影響。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(測試顆粒碰撞)；圖3試驗殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4顆粒擋帽的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5顆粒發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6排氣接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7顆粒粒度分布結(jié)果圖；其中:1、試驗段組件；2、顆粒發(fā)生器；3、試驗殼體；4、通氣接頭；5、底蓋；6、透明觀察窗；7、排氣接頭；8、氣動球閥；9、水箱；10、顆粒擋帽；11、封頭；12、燃燒室；13、推進(jìn) 劑；14、速度調(diào)節(jié)件；
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例描述本發(fā)明實施例本實施例為利用本發(fā)明提出的試驗裝置進(jìn)行凝相顆粒碰撞試驗，可以單一地研究 顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等三個碰撞影響因素對凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。參照附圖1和附圖2，本實施例中，采用的試驗裝置包括試驗段組件1和顆粒發(fā)生器2。 參照附圖3，試驗段組件1包括有試驗殼體3和通氣接頭4，試驗殼體3為空心圓 柱結(jié)構(gòu)，其一端為開口，另一端端面上伸出有空心圓柱型連接段，空心圓柱型連接段端部有 連接法蘭，用于與顆粒發(fā)生器2固定相連，在試驗殼體3的這一端端面上還裝有通氣接頭4， 通氣接頭4與外部高壓氣源連接，用于在試驗前向試驗裝置內(nèi)充入高壓氣體，模擬實際發(fā) 動機中顆粒碰撞的高壓環(huán)境；在試驗殼體3的側(cè)壁上也伸出有兩段空心圓柱型連接段，這 兩段空心圓柱型連接段的中心軸線相交，且通過選取不同的中心軸線間夾角α可以研究 不同碰撞角度對凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響；試驗殼體3開口一端與底蓋5螺栓固定連接，并 在縫隙處采用0型圈密封，實現(xiàn)試驗殼體3下端的密封，在試驗殼體3盛有少量的水，用于 收集凝相顆粒。在試驗殼體3的側(cè)壁上還開有點火孔和觀察孔，觀察孔處固定有透明觀察 窗6，用于觀察顆粒碰撞的過程，透明觀察窗6由觀察窗基座、石英玻璃和固定端蓋組成，觀 察窗基座焊接固定在觀察孔內(nèi)，采用固定端蓋將石英玻璃固定在觀察窗基座內(nèi)，在透明觀 察窗6與觀察孔的縫隙處采用0型圈密封，保證試驗殼體3的密封。點火孔處固定有點火 座。在底蓋5上開有排氣孔，排氣接頭7通過螺母固定在排氣孔內(nèi)，排氣接頭7與底蓋5之 間的縫隙處采用0型圈密封，保證試驗殼體3的密封，排氣接頭7外端通過不銹鋼管路依次 連接有氣動球閥8和水箱9 ；參照附圖4和附圖6在排氣接頭7的內(nèi)端套有顆粒擋帽10，顆 粒擋帽10周向開有氣流孔，可以讓氣流進(jìn)入排氣接頭7，但能夠阻止多數(shù)凝相顆粒進(jìn)入排 氣接頭7。參照附圖4，顆粒發(fā)生器2包括燃燒室12、封頭11、推進(jìn)劑13和速度調(diào)節(jié)件14。燃 燒室12為空心圓柱結(jié)構(gòu)，一端有周向的凸起，用于與試驗殼體3上的空心圓柱型連接段固 定，燃燒室12另一端有外螺紋，用于與速度調(diào)節(jié)件14連接。封頭11主體為圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱 直徑小于燃燒室12內(nèi)徑，封頭11 一端為連接法蘭結(jié)構(gòu)，用于與試驗殼體3上的空心圓柱型 連接段螺栓固定連接，并且在該端端面上開有測壓孔，在測壓孔安裝有測壓座，測壓座上安 裝壓力傳感器與外部測壓系統(tǒng)相連，用于測量試驗裝置內(nèi)部的壓強。封頭11插入燃燒室12 內(nèi)，燃燒室12端部的周向凸起與封頭11的連接法蘭緊密接觸，封頭11另一端端面上粘接 有推進(jìn)劑13。速度調(diào)節(jié)件14 一端為帶有內(nèi)螺紋的空心圓柱段，用于燃燒室12外螺紋段固 定連接，速度調(diào)節(jié)件14另一端為空心圓錐段，通過選擇不同的圓錐出口面積，可以改變凝 相顆粒的顆粒速度，能夠研究不同顆粒速度對凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。在推進(jìn)劑13上還 附有點火包，點火包內(nèi)為黑火藥和點火頭，采用導(dǎo)線穿過速度調(diào)節(jié)件14和點火座將點火頭 與外部點火器相連。通過采用不同的推進(jìn)劑13或改變推進(jìn)劑含鋁量，可以改變顆粒濃度， 從而能夠研究不同顆粒濃度對凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。根據(jù)試驗需要，可以將顆粒發(fā)生器2安裝在任意一個或多個空心圓柱型連接段 內(nèi)，安裝時，將封頭11與試驗殼體3的空心圓柱型連接段法蘭連接，并與燃燒室12—端的周向凸起配合，將周向凸起卡在封頭11與空心圓柱型連接段之間，將燃燒室12固定，并且 燃燒室12外壁空心圓柱型連接段內(nèi)壁緊密接觸。本實施例整個裝置中的金屬材料均采用不銹鋼材料。本實施例采用的推進(jìn)劑為HTPB推進(jìn)劑，含鋁量為17%，裝藥為圓柱形端面燃燒裝 藥，圓柱面和一個端面包覆，另一端面燃燒，裝藥直徑為Φ50πιπι。設(shè)計工作壓強為5MPa，采 用外部高壓氮氣源提供高壓氣體，速度調(diào)節(jié)件14出口直徑為ΦΙΟπιπι。在試驗前，首先由外 部高壓氮氣源通過通氣接頭4向試驗裝置內(nèi)通入高壓氣體，試驗裝置內(nèi)部達(dá)到工作壓強后 關(guān)閉外部高壓氮氣源，隨后點火器點燃推進(jìn)劑14，并打開氣動球閥8，保證試驗裝置內(nèi)的壓 力平穩(wěn)，點火結(jié)束后，關(guān)閉氣動球閥8，15分鐘后重新打開氣動球閥8排除氣體，氣體排盡 后，向試驗裝置內(nèi)注入水，收集顆粒。本實施例中共進(jìn)行了兩種試驗工況，一種工況如附圖1，為未碰撞的凝相顆粒收集 試驗，另一種工況如附圖2，為碰撞后的凝相顆粒收集試驗，其中碰撞角度α為90度。根據(jù) 推進(jìn)劑性能參數(shù)及計算構(gòu)型，可以由FLUENT軟件中的離散相模型可以計算得到本實施例 速度調(diào)節(jié)件14出口顆粒濃度為2. Okg/m3，顆粒速度為57. 2m/s。試驗后，采用MastersizerfOOO激光粒度分析儀對收集到的粒子進(jìn)行粒徑測量， 兩次實試驗測量的粒度分布結(jié)果如附圖7所示。由附圖7可知，碰撞后大于10 μ m的顆粒 減少，且粒徑變小，小于10 μ m的顆粒增多；顆粒粒徑整體減小，說明在此試驗條件下凝相 顆粒碰撞前后顆粒粒徑發(fā)生了較大變化，結(jié)果表明本試驗方法達(dá)到了預(yù)期的效果。
權(quán)利要求
1.一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于包括試驗段組件和顆粒發(fā)生 器；試驗段組件包括試驗殼體和通氣接頭；試驗殼體為空心柱狀結(jié)構(gòu)，一端端面上伸出有 空心連接段，用于安裝顆粒發(fā)生器，在試驗殼體側(cè)壁上也伸出有兩段空心連接段，用于安裝 顆粒發(fā)生器，試驗殼體另一端與底蓋密封固連，在試驗殼體上安裝有通氣接頭，通氣接頭與 外部高壓氣源連接，在試驗殼體側(cè)壁上還開有點火孔；顆粒發(fā)生器包括燃燒室、封頭、推進(jìn) 劑和速度調(diào)節(jié)件；燃燒室為空心柱狀結(jié)構(gòu)，并在一端有周向的凸起；封頭為一端帶有連接 盤的柱狀結(jié)構(gòu)，封頭插入燃燒室內(nèi)，且封頭與燃燒室內(nèi)壁間存在間隙，封頭端頭的連接盤 與燃燒室端口接觸；封頭插入燃燒室的一端端面上固定有推進(jìn)劑；速度調(diào)節(jié)件一端為圓柱 段，與燃燒室一端固定連接，速度調(diào)節(jié)件另一端為錐形出口段；顆粒發(fā)生器安裝在試驗殼體 的空心連接段內(nèi)，封頭通過一端的連接盤與空心連接段固定連接，并與空心連接段配合，通 過燃燒室一端周向的凸起將燃燒室固定在空心連接段內(nèi)，燃燒室外壁與空心連接段內(nèi)壁緊 密接觸；在推進(jìn)劑上附有點火包，導(dǎo)線將點火包與外部點火器連接；在底蓋上開有排氣孔， 排氣孔中密封安裝有排氣接頭，排氣接頭外端依次與排氣閥和水箱連接。
2.一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于試驗殼體側(cè)壁的兩段空心連 接段的中心軸線相交。
3.一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于在試驗殼體側(cè)壁上開有觀察 孔，觀察孔中密封安裝有觀察窗。
4.一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于在封頭一端的連接盤上安裝 有測壓座，測壓座上安裝壓力傳感器測量試驗裝置內(nèi)部的壓強。
5.一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于在試驗殼體內(nèi)盛有少量的水 用于收集顆粒。
6.一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，其特征在于排氣接頭內(nèi)端套有顆粒擋
全文摘要
本發(fā)明提出了一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗裝置，包括試驗段組件和顆粒發(fā)生器，通過選擇顆粒發(fā)生器的速度調(diào)節(jié)件出口面積、推進(jìn)劑中的金屬含量以及多個顆粒發(fā)生器的夾角，能夠模擬實際發(fā)動機中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環(huán)境，同時能夠在保持其他參數(shù)不變的情況下實現(xiàn)顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等參數(shù)可調(diào)，能夠研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等單一參數(shù)對碰撞前后顆粒粒徑變化的影響。
文檔編號F02K9/96GK102052199SQ20111002320
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者何國強, 夏盛勇, 張勝敏, 胡春波 申請人:西北工業(yè)大學(xué)