專利名稱：氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置的制作方法
氣_氣噴嘴流量特性試驗裝置
技術領域：
本發明用于測定氣-氣噴嘴流量特性，是一種利用氣-氣噴嘴噴出的推進劑建立
壓力從而為噴嘴冷流試驗提供反壓的設備。主要應用于推進劑為氣態的各類噴嘴流量特性 試驗研究。
背景技術：
噴嘴是液體發動機中的重要部件，一種噴嘴在應用之前需要進行噴嘴的流量特性 試驗研究。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系。流量特性試 驗是通過試驗手段測量噴嘴的進口壓力、反壓和噴嘴流量，通過流量公式確定噴嘴的流量 系數。噴嘴的流量系數影響噴入燃燒室的推進劑流量，進而影響燃燒室的混合比和燃燒過 程，從而對火箭發動機的熱試性能產生重要影響。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用價值。 在全流量補燃循環液體火箭發動機中，全部流量的液態推進劑先進入富氧預燃室 和富燃預燃室初步燃燒，形成高溫的富氧燃氣和富燃燃氣，然后兩種燃氣再進入主燃燒室 繼續摻混燃燒，因此在全流量補燃循環發動機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的噴嘴。目前國內開展氣-氣噴嘴研究的單位僅有北京航空航天 大學一家單位，在氣_氣燃燒相似規律、氣_氣噴嘴燃燒特點以及新式噴嘴研究等諸多方面 取得了重要的成果，對工程應用具有重要的指導意義。 為了盡可能的模擬噴嘴真實工作條件下的流量特性，必須模擬發動機實際工作時 的燃燒室壓力環境，因而噴嘴的冷試需要在有反壓的環境下進行。多數單位在做噴嘴流量 特性試驗時，由于沒有為噴嘴提供模擬燃燒室壓力的反壓設備，往往進行無反壓下的噴嘴 流量特性試驗，此時得到的噴嘴流量特性與噴嘴實際工作時的流量特性差別較大。有能力 進行帶反壓流量特性試驗研究的，通常是在充滿氣體的反壓艙內進行。 此類反壓艙的工作原理如下將噴嘴放入反壓艙，關閉反壓艙出口閥門，反壓艙通 過氣體管路流入空氣和氮氣建立壓力，待反壓艙的壓力達到需要值時，關閉反壓艙進氣管 路。這種反壓設備對噴嘴流量特性試驗而言有以下缺點(1)、反壓艙體積大，成本高，如 果只為測定噴嘴流量系數購買反壓艙或者采用外協的方式聯合別的單位進行，勢必造成人 力、物力和時間上的損失；(2)在測定噴嘴流量系數的試驗過程中，由于噴嘴噴出的氣體推 進劑直接進入反壓艙，如果反壓艙容積過小，或者噴嘴噴出的流量較大，那么反壓艙內的壓 力勢必升高，高出設計反壓。假如要在同一反壓下進行多次試驗，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劑，而節流孔對氣體具有節流作用，當節流 孔前后壓力比達到一定值后，氣流將會在節流孔最小面積處達到音速，此時經過節流孔的 流量達到最大值，以音速傳播的外界壓力擾動波不能達到和穿越節流孔去影響節流孔內的 流動。因此設計合適的節流裝置對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進劑進行節流，可為氣-氣 噴嘴建立所需的壓力。
發明內容
本發明提出的氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，利用對噴嘴噴出的氣體推進劑進行 節流能夠為氣_氣噴嘴模擬系統可承受壓力范圍內的任意反壓。提供了氣_氣噴嘴流量特 性試驗裝置的設計方法和反壓建立的設計準則。此試驗裝置已通過實驗檢驗，設計方法簡 單有效。使用此試驗裝置，可大量節省人力、物力，能夠為氣-氣噴嘴的流量特性試驗提供 穩定而準確的反壓環境。 本發明氣_氣噴嘴流量特性試驗裝置的結構如下所述。 氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，包括密封墊(1)、斷裂法蘭(2)、容腔(3)、接管嘴 (4) (7)、外套螺母(5)、節流球頭(6)。容腔(3)通常設計為圓柱筒狀，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)，圓柱容腔側壁上開一適孔用以焊接接 管嘴(7)，從而安裝壓力傳感器。節流球頭(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。 本發明通過更換不同節流孔徑的節流球頭，對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進劑進
行節流，可為氣-氣噴嘴冷流試驗建立任意反壓環境，并可節省大量的人力和物力。本發明 用于而不局限于為氣_氣噴嘴進行流量特性試驗提供反壓，還可以用于其他涉及氣_氣噴 注裝置或設備的冷試實驗中。
圖1是本發明氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置
圖2是起節流建壓作用的節流球頭
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施方式
本發明首次提出利用帶節流孔的節流球頭對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進劑進 行節流作用，從而為氣-氣噴嘴流量特性試驗建立反壓環境。通過更換不同節流孔徑的節 流球頭，能為氣-氣噴嘴流量特性試驗建立任意所需的壓力環境，壓力環境準確而又穩定。
如圖l所示的氣-氣噴嘴冷流試驗裝置，包括密封墊(1)、斷裂法蘭(2)、容腔(3)、 接管嘴(4) (7)、外套螺母(5)、節流球頭(6)。
此試驗裝置的設計方法如下所述 1、試驗之前通過氣-氣噴嘴的推進劑流量以及推進劑種類都是確定好的，定義為 A,其氣體常數都是已知的。 2、推進劑經過氣_氣噴嘴噴入容腔，最終通過容腔出口的球頭節流裝置噴入大 氣。設球頭的節流孔最小流通面積為At，球頭的反壓Pb與球頭進口壓力Pi之比為o =Pb/ Pi，當通過節流孔的流量達到最大且保持不變時，壓力比為臨界壓力比
,7 、:n J =丄
'u+u 當o《Ot時，球頭的節流孔達到音速，以音速傳播的外界壓力擾動波不能達到和穿越節流孔出口截面去影響球頭內也就是容腔內的流動。此時，氣體的流量公式為 & -經過節流孔的流量，也即噴嘴噴出的推進劑的流量 Cd-節流球頭的流量系數 k-氣體的比熱比
R-氣體常數
T*_氣體總溫 對于給定的推進劑流量，R、 T*、 k都是已知或者可測量計算得到，節流球頭的流量系數推薦Cd = 0. 97。假如要求反壓容腔內壓力值為P，可利用氣體的流量公式求出節流孔的面積At，進而求出節流孔的直徑dt。因而對于給定的推進劑流量，可通過更換不同節流孔徑的節流球頭調節容腔壓力。 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、螺帽均有標準件，可購買也可自行加工；帶節流孔的球頭需要自行設計，只需與接管嘴、螺帽連接達到密封和耐壓效果。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(圖示中不做設計)。反壓容腔的容積、形狀可自由設計，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裝置的設計已經完成。
權利要求
氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，包括密封墊、斷裂法蘭、容腔、接管嘴(4)(7)、外套螺母、節流球頭，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。其特征在于利用節流孔的節流作用對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進劑進行節流，當節流孔于最小截面處達到音速時，流經節流孔的流量達到最大值，以音速傳播的外界壓力擾動波不能達到和穿越節流孔去影響節流孔內的流動，因此設計合適的節流裝置可為節流孔前方容腔建立壓力。
2. 如權利要求l所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，其特征在于斷裂法蘭是一個 完整的法蘭被切成兩部分，密封墊采用聚四氟乙烯制造。
3. 如權利要求1所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，其特征在于接管嘴(4)和外 套螺母可配套購買，節流球頭自行設計，節流球頭內徑先收縮后等直，孔徑按流量公式計算 得到，節流球頭的外廓尺寸與接管嘴(4)和外套螺母相配合。
4. 如權利要求1所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，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. 如權利要求l 4任一權利要求所述的氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，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，容腔形狀優先選用圓柱狀。
全文摘要
氣-氣噴嘴流量特性試驗裝置，利用球頭節流裝置對氣-氣噴嘴噴射出的氣體推進劑進行節流，當節流球頭于最小截面處達到音速時，能夠在反壓容腔內建立準確而穩定的壓力環境，通過更換不同節流孔徑的球頭節流裝置，可為氣-氣噴嘴流量特性試驗提供所需的反壓環境。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)用以安裝球頭節流裝置(6)，球頭節流裝置可根據需要建立的反壓環境自行更換。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裝置，使用方便、成本低、體積小、質量輕，克服了傳統反壓艙在氣-氣噴嘴流量特性試驗中存在的不足，能夠為氣-氣噴嘴流量特性試驗提供準確而穩定的反壓環境。
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 優先權日2009年1月15日
發明者杜正剛, 蔡國飆, 高玉閃 申請人:北京航空航天大學