[發明專利]應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機及其點火方案有效
| 申請號: | 201310611254.2 | 申請日: | 2013-11-26 |
| 公開(公告)號: | CN103644044A | 公開(公告)日: | 2014-03-19 |
| 發明(設計)人: | 賀碧蛟;吳靖;蔡國飆;王文龍 | 申請(專利權)人: | 北京航空航天大學 |
| 主分類號: | F02K9/00 | 分類號: | F02K9/00;F02K9/95 |
| 代理公司: | 北京永創新實專利事務所 11121 | 代理人: | 趙文穎 |
| 地址: | 100191*** | 國省代碼: | 北京;11 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 應用于 真空 效應 實驗 研究 多組元 模擬 發動機 及其 點火 方案 | ||
1.應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,包括預燃室頭部、預燃補氧室、推力室頭部和推力室身部,預燃室頭部與預燃補氧室之間緊固連接,預燃補氧室、推力室頭部和推力室身部依次緊固連接;
預燃室頭部包括噴嘴焊接座、點火氧化劑焊接噴嘴和點火燃燒劑焊接嘴;噴嘴焊接座內部設有空腔,噴嘴焊接座前端固定連接點火氧化劑焊接噴嘴,點火氧化劑焊接噴嘴內部設有中空的管路,點火氧化劑焊接噴嘴與空腔通過凸臺過渡配合,凸臺設有周向的通孔;噴嘴焊接座側面設有通孔以及同軸沉孔,用于焊接點火燃燒劑焊接嘴,點火燃燒劑焊接嘴內部設有中空的管路,管路連通空腔;點火氧化劑焊接噴嘴尾端外圍與噴嘴焊接座之間形成環形空腔,環形空腔形成點火燃燒劑噴嘴,點火氧化劑焊接噴嘴尾端內部空腔形成點火氧化劑噴嘴,點火燃燒劑噴嘴與點火氧化劑噴嘴形成同軸剪切噴嘴,點火燃燒劑噴嘴、點火氧化劑噴嘴分別連通預燃補氧室的預燃氣通道;
預燃補氧室包括預燃室、補氧焊接嘴和火花塞;預燃室內部設有中空的預燃氣通道;預燃室側壁設有內螺紋結構的通孔及其同軸沉孔,用于緊固火花塞;預燃室尾部設有凹槽,凹槽中間設有中空錐形結構,錐形結構中空部分與預燃氣通道連通,中空部分的尾端形成預燃氣噴嘴,錐形結構尾端與推力室頭部燃燒室收斂段中空通道之間形成環形空腔,環形空腔形成補氧氣噴嘴,預燃氣噴嘴與補氧氣噴嘴形成同軸剪切噴嘴,預燃氣噴嘴、補氧氣噴嘴分別連通燃燒室的中空通路;尾部側壁設有通孔及其同軸沉孔,用于焊接補氧焊接嘴,補氧焊接嘴內部是中空的管路,預燃室尾部的凹槽與推力室頭部之間形成空腔,空腔與補氧焊接嘴內中空管路連通;
推力室頭部包括燃燒室、燃燒室測壓管嘴和測壓管嘴密封圈;燃燒室內部設有收斂-平直-擴張-平直的中空通路;燃燒室側壁設有螺紋結構的通孔及其同軸沉孔,用于放置和緊固燃燒室測壓管嘴及測壓管嘴密封圈,燃燒室測壓管嘴連通中空通路;
推力室身部包括推力室、推力室喉部冷卻管嘴和冷卻管嘴密封圈;推力室內部設有中空的通道,通道形狀模擬燃燒室和噴管的內型面,通道與燃燒室中空通路連通,推力室通道喉部處沿推力室橫截面方向設有喉部冷卻通道,冷卻通道兩側分別連接一個緊固推力室喉部冷卻管嘴。
2.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,預燃室頭部與預燃補氧室之間通過膨脹石墨密封墊圈密封,預燃補氧室與推力室頭部之間通過膨脹石墨密封墊圈密封,推力室頭部與推力室身部通過膨脹石墨密封墊圈密封。
3.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,預燃室頭部與預燃補氧室之間采用螺紋結構緊固連接,預燃補氧室、推力室頭部和推力室身部采用螺紋結構緊固連接,螺紋結構位置與點火燃燒劑焊接嘴相錯45°。
4.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,冷卻通道兩側設有螺紋孔和沉孔,兩個緊固推力室喉部冷卻管嘴分別通過冷卻管嘴密封圈與冷卻通道兩端連接。
5.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,燃燒室與緊固燃燒室測壓管嘴之間設有測壓管嘴密封圈。
6.根據權利要求4或者5所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,測壓管嘴密封圈和冷卻管嘴密封圈采用紫銅進行加工并做退火處理。
7.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,噴嘴焊接座、點火氧化劑焊接噴嘴、點火燃燒劑焊接嘴、預燃室和補氧焊接嘴均采用304不銹鋼進行加工。
8.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,燃燒室和推力室采用紫銅進行加工。
9.根據權利要求1所述的應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機,燃燒室測壓管嘴采用黃銅進行加工。
10.應用于真空羽流效應實驗研究的多組元模擬發動機的點火方案,包括工質輸入、點火時序和預燃室容積設計;
工質輸入,將全部的燃燒劑和一部分氧化劑分別通過點火燃燒劑焊接嘴和點火氧化劑焊接噴嘴輸入預燃室點燃,另外一部分氧化劑通過補氧焊接嘴輸入燃燒室與預燃氣混合燃燒;燃燒劑包括氫氣、烴類氣態化合物,或上述氣體的混合物,氧化劑包括氧氣、氧化亞氮,或上述氣體的混合物,其余氧化劑中根據需要混入氮氣、二氧化碳氣體,模擬真實發動機的燃燒產物;
點火時序,先接通火花塞電源,然后輸入燃燒劑,再輸入一部分氧化劑,給預燃室制造富燃環境,然后,再輸入另外一部分氧化劑,時間間隔在10-100ms之間;
預燃室容積設計,設計合適的預燃室容積,使燃燒劑進入預燃室后,在10ms內使預燃室建立高于火花塞放電所要求的氣壓環境;根據巴申定律,在氣體成分和電極材料確定的情況下,電極間的擊穿電壓U是pd的函數,其中p為氣體壓力,d為電極間距;
具體的預燃室容積校核方法為:
根據理想氣體狀態方程,t時刻點火器內的壓強與密度關系為
p(t)=ρ(t)RT,
其中p(t)為t時刻點火器內的平均壓強,ρ(t)為t時刻點火器內的平均密度,且m(t)為氣體質量,V為預燃室的容積,R為氣體常,T為氣體溫度;利用差分方法對時間進行離散,設時間步長為Δt,t時刻為第i個時間步長的末端,t=iΔt,則
其中qin為點火燃燒劑流量;極短的時間內預燃室的出口認為是真空,出口流速達到聲速,應用流量公式可得其中,為t前一時刻流出預燃氣噴嘴的流量,Cd為流量系數,k為點火燃燒劑比熱比,R為氣體常數,pi-1為t前一時刻預燃室的壓力,T為點火燃燒劑溫度,At為預燃氣噴嘴的橫截面積;
利用以上關系式,得到在確定的預燃室容積V的情況下,預燃室壓力p隨時間t的變化關系,通過p判斷預燃室容積V是否滿足要求。
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