專利名稱：一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域，具體為一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了提高固體推進(jìn)劑的能量，一般會(huì)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(duì)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(diǎn)，但又低于金屬燃燒產(chǎn)物的沸點(diǎn)， 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?dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生碰撞，碰撞后的顆粒直徑等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，顆粒參數(shù)的變化會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性帶來(lái)較大的影響例如，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中凝相顆粒粒徑的變化可能會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒不穩(wěn)定。再如，發(fā)動(dòng)機(jī)載體在大機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中，由于受到過(guò)載作用，凝相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生變化，在發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)絕熱層的燒蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸。影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)凝相顆粒碰撞的規(guī)律還缺乏認(rèn)識(shí)，其中一個(gè)重要的原因就是缺乏有效的試驗(yàn)方法?，F(xiàn)有的試驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(lái)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jiǎn)單地由水銀液滴碰撞規(guī)律來(lái)描述。單收縮管聚集法采用一個(gè)擁有收縮通道的縮比發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中顆粒的聚集狀態(tài)，通過(guò)改變收縮通道的角度和面積來(lái)改變粒子速度和粒子濃度，對(duì)比收縮通道入口和出口粒子直徑分布，來(lái)研究不同的聚集狀態(tài)對(duì)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(duì)粒子碰撞的影響，不能揭示凝相顆粒碰撞規(guī)律。

實(shí)用新型內(nèi)容要解決的技術(shù)問(wèn)題為了研究固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(gè)碰撞影響因素對(duì)凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響的試驗(yàn)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(cè)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(gè)碰撞影響因素對(duì)凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。為此，本實(shí)用新型提出了一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其技術(shù)方案為[0008]所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其特征在于包括試驗(yàn)段組件和顆粒發(fā)生器；試驗(yàn)段組件包括試驗(yàn)殼體和通氣接頭；試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)殼體另一端與底蓋密封固連，在試驗(yàn)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(yàn)殼體側(cè)壁上還開(kāi)有點(diǎn)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(yàn)殼體的空心連接段內(nèi)，封頭通過(guò)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(guò)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(diǎn)火包，導(dǎo)線將點(diǎn)火包與外部點(diǎn)火器連接；在底蓋上開(kāi)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(yàn)裝置的優(yōu)選方案，其特征在于試驗(yàn)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(yàn)裝置的優(yōu)選方案，其特征在于在試驗(yàn)殼體側(cè)壁上開(kāi)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(yàn)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(cè)壓座，測(cè)壓座上安裝壓力傳感器測(cè)量試驗(yàn)裝置內(nèi)部的壓強(qiáng)。所述一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置的優(yōu)選方案，其特征在于在試驗(yàn)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(yàn)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。有益效果采用本實(shí)用新型能夠模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環(huán)境，同時(shí)能夠在保持其他參數(shù)不變的情況下實(shí)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(duì)碰撞前后顆粒粒徑變化的影響。

[0016]圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；[0017]圖2本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖(測(cè)試顆粒碰撞)；[0018]圖3試驗(yàn)殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖4顆粒擋帽的結(jié)構(gòu)示意圖；[0020]圖5顆粒發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；[0021]圖6排氣接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖7顆粒粒度分布結(jié)果圖；[0023]其中:1、試驗(yàn)段組件；2、顆粒發(fā)生器；3、試驗(yàn)殼體；4、通氣接頭；5、底蓋；6、透明
觀察窗；7、排氣接頭；8、氣動(dòng)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(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本實(shí)用新型實(shí)施例本實(shí)施例為利用本實(shí)用新型提出的試驗(yàn)裝置進(jìn)行凝相顆粒碰撞試驗(yàn)，可以單一地研究顆粒速度、碰撞角度和顆粒濃度等三個(gè)碰撞影響因素對(duì)凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。參照附圖1和附圖2，本實(shí)施例中，采用的試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)段組件1和顆粒發(fā)生
2 ο參照附圖3，試驗(yàn)段組件1包括有試驗(yàn)殼體3和通氣接頭4，試驗(yàn)殼體3為空心圓柱結(jié)構(gòu)，其一端為開(kāi)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(yàn)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(yàn)前向試驗(yàn)裝置內(nèi)充入高壓氣體，模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中顆粒碰撞的高壓環(huán)境；在試驗(yàn)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(guò)選取不同的中心軸線間夾角α可以研究不同碰撞角度對(duì)凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響；試驗(yàn)殼體3開(kāi)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(shí)現(xiàn)試驗(yàn)殼體3下端的密封，在試驗(yàn)殼體3盛有少量的水，用于收集凝相顆粒。在試驗(yàn)殼體3的側(cè)壁上還開(kāi)有點(diǎn)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(guò)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(yàn)殼體3的密封。點(diǎn)火孔處固定有點(diǎn)火座。在底蓋5上開(kāi)有排氣孔，排氣接頭7通過(guò)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(yàn)殼體3的密封，排氣接頭7外端通過(guò)不銹鋼管路依次連接有氣動(dòng)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(kāi)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(yàn)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(yàn)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(kāi)有測(cè)壓孔，在測(cè)壓孔安裝有測(cè)壓座，測(cè)壓座上安裝壓力傳感器與外部測(cè)壓系統(tǒng)相連，用于測(cè)量試驗(yàn)裝置內(nèi)部的壓強(qiáng)。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(guò)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(duì)凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。在推進(jìn)劑13上還附有點(diǎn)火包，點(diǎn)火包內(nèi)為黑火藥和點(diǎn)火頭，采用導(dǎo)線穿過(guò)速度調(diào)節(jié)件14和點(diǎn)火座將點(diǎn)火頭與外部點(diǎn)火器相連。通過(guò)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(duì)凝相顆粒碰撞規(guī)律的影響。根據(jù)試驗(yàn)需要，可以將顆粒發(fā)生器2安裝在任意一個(gè)或多個(gè)空心圓柱型連接段內(nèi)，安裝時(shí)，將封頭11與試驗(yàn)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(shí)施例整個(gè)裝置中的金屬材料均采用不銹鋼材料。本實(shí)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(gè)端面包覆，另一端面燃燒，裝藥直徑為Φ50πιπι。設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)為5MPa，采用外部高壓氮?dú)庠刺峁└邏簹怏w，速度調(diào)節(jié)件14出口直徑為ΦΙΟπιπι。在試驗(yàn)前，首先由外部高壓氮?dú)庠赐ㄟ^(guò)通氣接頭4向試驗(yàn)裝置內(nèi)通入高壓氣體，試驗(yàn)裝置內(nèi)部達(dá)到工作壓強(qiáng)后關(guān)閉外部高壓氮?dú)庠?，隨后點(diǎn)火器點(diǎn)燃推進(jìn)劑14，并打開(kāi)氣動(dòng)球閥8，保證試驗(yàn)裝置內(nèi)的壓力平穩(wěn)，點(diǎn)火結(jié)束后，關(guān)閉氣動(dòng)球閥8，15分鐘后重新打開(kāi)氣動(dòng)球閥8排除氣體，氣體排盡后，向試驗(yàn)裝置內(nèi)注入水，收集顆粒。本實(shí)施例中共進(jìn)行了兩種試驗(yàn)工況，一種工況如附圖1，為未碰撞的凝相顆粒收集試驗(yàn)，另一種工況如附圖2，為碰撞后的凝相顆粒收集試驗(yàn)，其中碰撞角度α為90度。根據(jù)推進(jìn)劑性能參數(shù)及計(jì)算構(gòu)型，可以由FLUENT軟件中的離散相模型可以計(jì)算得到本實(shí)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(yàn)后，采用MastersizerfOOO激光粒度分析儀對(duì)收集到的粒子進(jìn)行粒徑測(cè)量， 兩次實(shí)試驗(yàn)測(cè)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(shuō)明在此試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)裝置，其特征在于包括試驗(yàn)段組件和顆粒發(fā)生器；試驗(yàn)段組件包括試驗(yàn)殼體和通氣接頭；試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)殼體另一端與底蓋密封固連，在試驗(yàn)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(yàn)殼體側(cè)壁上還開(kāi)有點(diǎn)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(yàn)殼體的空心連接段內(nèi)，封頭通過(guò)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(guò)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(diǎn)火包，導(dǎo)線將點(diǎn)火包與外部點(diǎn)火器連接；在底蓋上開(kāi)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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其特征在于試驗(yàn)殼體側(cè)壁的兩段空心連接段的中心軸線相交。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其特征在于在試驗(yàn)殼體側(cè)壁上開(kāi)有觀察孔，觀察孔中密封安裝有觀察窗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其特征在于在封頭一端的連接盤上安裝有測(cè)壓座，測(cè)壓座上安裝壓力傳感器測(cè)量試驗(yàn)裝置內(nèi)部的壓強(qiáng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其特征在于在試驗(yàn)殼體內(nèi)盛有少量的水用于收集顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，其特征在于排氣接頭內(nèi)端套有顆粒擋帽。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種研究凝相顆粒碰撞規(guī)律的試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)段組件和顆粒發(fā)生器，試驗(yàn)段組件包括試驗(yàn)殼體和通氣接頭，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；顆粒發(fā)生器安裝在試驗(yàn)殼體的空心連接段內(nèi)。通過(guò)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(gè)顆粒發(fā)生器的夾角，能夠模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中凝相顆粒碰撞的高溫高壓環(huán)境，同時(shí)能夠在保持其他參數(shù)不變的情況下實(shí)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(duì)碰撞前后顆粒粒徑變化的影響。
文檔編號(hào)F02K9/96GK202039973SQ201120018679
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)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(guó)強(qiáng), 夏盛勇, 張勝敏, 胡春波 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)