反壓環(huán)境艙的設(shè)計及在霧化實驗中的應(yīng)用

2009-11-20 曹智程西安航天動力研究所

　　液體火箭發(fā)動機推進劑的霧化是在較高或者很高壓力條件下進行的。目前，噴嘴性能及霧化研究實驗通常是在1個大氣壓環(huán)境下進行，這造成實驗得到的霧化性能與實際狀況有一定差異。為能子反壓環(huán)境下進行噴嘴霧化實驗，在更新近于噴嘴工作的真實狀態(tài)進行噴嘴特性研究，進一步提高噴嘴霧化研究的水平，設(shè)計了反壓環(huán)境艙。本文介紹反壓環(huán)境艙的設(shè)計及應(yīng)用。

1、反壓環(huán)境艙技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

1.1、技術(shù)參數(shù)

　　依據(jù)目前及今后一段時間液體火箭發(fā)動機燃燒室單嘴的工作參數(shù)，考慮目前技術(shù)條件，選擇的反壓環(huán)境艙的設(shè)計參數(shù)如下：

　　空氣：m=0~1.8kg/s；

　　水：m=0~1kg/s；

　　反壓壓力：P=0.1~6MPa；

　　視窗直徑：φ110mm。

1.2、反壓環(huán)境艙結(jié)構(gòu)

　　從使用性能和可操作性考慮，反壓環(huán)境艙包括艙蓋提升機構(gòu)、艙體移動機構(gòu)、噴嘴調(diào)節(jié)裝置、氣幕隔離裝置、視鏡和散光裝置(整體外結(jié)構(gòu)圖見圖1)等。

(1)艙蓋提升機構(gòu)

　　反壓環(huán)境艙設(shè)計壓力為6.0MPa，內(nèi)徑為φ280nm，罐高為800mm，材質(zhì)選用1Cr18Ni9T。艙蓋采用平板結(jié)構(gòu)，螺栓連接方式。艙蓋開有φ15mm通孔四個、φ6mm通孔兩個，供實驗介質(zhì)和艙體壓力測量用。艙蓋重量比較重，因此設(shè)計了梯型螺旋絲杠提升艙蓋。在絲杠兩側(cè)設(shè)計導(dǎo)向桿，以避免艙蓋上升過程中出現(xiàn)晃動及偏斜。

(2)艙體移動機構(gòu)

　　環(huán)境艙自身重量重、體積大，為便于移動將環(huán)境艙固定固定在可移動的小車上，小車移動采用活動式腳輪，由自鎖機構(gòu)完成位置固定。

(3)噴嘴調(diào)節(jié)裝置

　　噴嘴裝在環(huán)境艙蓋的中心，沿軸線向下噴射。噴嘴在反壓環(huán)境艙內(nèi)需滿足：(1)噴嘴出口位置需在視鏡的三分之一處；(2)噴嘴能在夾具上360。轉(zhuǎn)動，這樣有利于拍攝到噴霧場的最佳位置。由于噴嘴實驗型式、結(jié)構(gòu)尺寸各不相同，為了滿足上述兩個位置條件，需設(shè)計能調(diào)節(jié)長短并同時自鎖的噴嘴夾具。噴嘴夾具最大伸長長度為240mm，噴嘴夾具最小長度為160mm，伸桿距離確定后由碟型螺母緊固鎖緊。噴嘴夾具固定盤設(shè)計成兩道環(huán)槽孔，噴嘴可在固定上根據(jù)所需方向旋轉(zhuǎn)固定。

(4)氣幕隔離裝置

　　由于噴嘴密閉在反壓環(huán)境艙內(nèi)，細小液霧滴的彌散會影響測量。同時由于噴嘴流量的變化，噴嘴出口形成的霧錐有大有小，噴霧場大時，噴嘴噴射的霧滴有可能飛濺到觀察窗視鏡上，影響高速動態(tài)分析系統(tǒng)對噴霧場拍攝圖像的效果。為了消除小部分霧滴對視鏡的影響，采用了如下措施：

　　①加長觀察窗圓管的長度，減少液滴飛濺到視鏡上的幾率；

　　②設(shè)計氣幕隔離裝置，在霧場和視鏡之間形成一道氣幕簾。氣幕隔離裝置通入一定壓力、流量的空氣形成氣幕簾，有效地防止液滴噴濺到觀察窗視鏡上。圖2和圖3顯示了有無氣幕裝置觀察窗的效果比較。

(5)視鏡

　　高速動態(tài)分析系統(tǒng)有側(cè)向片光源和背直光源兩種狀態(tài)動態(tài)拍攝方式。為此反壓環(huán)境艙采用三面視窗結(jié)構(gòu)，視鏡結(jié)構(gòu)，視鏡的通光直徑為φ110mm，工作壓力為6.4MPa。圖4為反壓環(huán)境艙視鏡。

(6)散光設(shè)置

　　為了消除艙內(nèi)里多種裝置對入射光的折射或反射，提高光場及攝影效果。設(shè)計了散光裝置，散光裝置如圖5

(7)安全措施

　　為實驗安全的進行，反壓環(huán)境艙設(shè)置了安全泄壓裝置。艙內(nèi)壓力如果超出安全使用壓力，安全閥將自動開啟并快速排出氣體來降低艙內(nèi)的過高壓力。反壓環(huán)境艙底部都開有φ25mm×2.5mm的壓力調(diào)控管路，管路上裝有流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)反壓艙內(nèi)壓力值，通過流量調(diào)節(jié)閥對反壓壓力的調(diào)節(jié)，可完成不同壓力的反壓霧化實驗。

2、在反壓霧化實驗的應(yīng)用

　　結(jié)合介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和高速動態(tài)分析系統(tǒng)，組成一套反壓環(huán)境霧化實驗系統(tǒng)可對噴嘴進行反壓霧化實驗研究。

2.1、流量實驗

　　氣/氣噴嘴的流量特性受環(huán)境壓力影響較大，在艙內(nèi)環(huán)境下進行了氣/氣噴嘴實驗。實驗測試的參數(shù)包括：噴注壓降、流量以及艙壓壓力。在有氣液同軸直流離心噴嘴，使用高速動態(tài)分析系統(tǒng)和環(huán)境艙在同一噴嘴壓降，不同艙壓環(huán)境下進行了霧化實驗，噴霧數(shù)據(jù)如表2。