富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及一种液体火箭发动机地面试验装置及试验方法，具体涉及一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法。


背景技术：

2.全流量补燃循环技术是21世纪可重复使用液体火箭发动机技术的重要发展方向。甲烷具有易于制造、重复使用性能好等特点，被选为全流量补燃循环火箭发动机的重要推进剂。
3.液氧甲烷全流量补燃循环发动机和传统发动机的一个区别在于：其推力室中，燃料和氧化剂分别为高温富甲烷燃气(温度600～1200k，且ch4(g)含量>50%)和高温富氧燃气（温度400～1000k，o2(g)含量>70%），这两种气体在气气喷注器的作用下以一定的流量和混合比进入喷注燃烧室混合和燃烧，从而产生高温高压燃气，完成能量转化，产生推动力。
4.气气喷注单元是气气喷注器最小的燃烧组织单元。在液氧甲烷全流量补燃循环发动机推力室工作状态下，燃烧室为高压环境（压力值≥20mpa），所以气气喷注单元的设计在很大程度上决定了推力室的性能和可靠性。因此，在液氧甲烷全流量补燃循环发动机的研制过程中，需要开展气气喷注单元点火试验，筛选出结构可靠、燃烧性能好的气气喷注单元。
5.在现有技术中，通常采用常温推进剂、现有地面试验装置和试验方法进行富氧富甲烷气气喷注单元的筛选试验，但其无法模拟液氧甲烷全流量补燃循环发动机推力室在真实工作状态下的高室压、推进剂的温度和组分，导致气气喷注单元的燃烧特性差别较大；同时，在地面试验中模拟液氧甲烷发动机推力室的高室压，试验难度高且危险系数大。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术采用的常温推进剂、地面试验装置及试验方法无法筛选出结构可靠、燃烧性能优的富氧富甲烷气气喷注单元的技术问题，而提供一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法。
7.为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置，其特殊之处在于：包括富甲烷燃气发生器、富氧燃气发生器和气气喷注单元试验组件。
8.所述富甲烷燃气发生器包括依次连接的富甲烷燃烧室、第一节流孔板以及第一外接接口；富甲烷燃烧室的左端头上分别安装第一点火器、第一甲烷气入口以及第一氧气入口。
9.所述富氧燃气发生器包括依次连接的富氧燃烧室、第二节流孔板以及第二外接接口；所述富氧燃烧室的右端头上分别安装第二点火器、第二甲烷气入口以及第二氧气入口。
10.所述气气喷注单元试验组件包括头部、固定法兰、身部以及喉道。
11.所述头部包括主管道、设置在主管道侧部的燃料入口法兰和氧化剂入口法兰、设
置在主管道上的燃料路喷前压力监测装置和氧化剂路喷前压力监测装置、设置在主管道燃气输出端的外接法兰，以及设置在主管道上并位于燃料入口法兰与氧化剂入口法兰之间的头部隔板；其中燃料路喷前压力监测装置和燃料入口法兰位于头部隔板的下侧，靠近主管道的燃气输出端，氧化剂路喷前压力监测装置和氧化剂入口法兰位于头部隔板的上侧，远离主管道的燃气输出端。
12.所述头部隔板中间开设有与气气喷注单元试验件上端外径相适配的通孔；所述头部的外接法兰上开设有与气气喷注单元试验件的下端外径相适配的通孔；所述外接法兰和固定法兰之间螺栓连接。
13.所述富甲烷燃气发生器通过第一外接接口与头部的燃料入口法兰连接；所述富氧燃气发生器通过第二外接接口与头部的氧化剂入口法兰连接。
14.所述固定法兰的下方依次设置身部、喉道，固定法兰中间开设有通孔。
15.所述身部内部通道为试验件燃烧室；所述身部侧壁上设置有第三点火器、脉动压力监测装置、温度监测装置以及室压监测装置。
16.所述身部、喉道均采用冷却方案冷却。
17.进一步地，所述脉动压力监测装置、温度监测装置以及室压监测装置的数量为一个或多个。根据试验要求灵活调整脉动压力监测装置、温度监测装置、室压监测装置的数量。
18.进一步地，所述冷却方案为铜热沉方案或夹层冷却方案。根据燃气温度和试验时长的不同，选择装配铜热沉方案或夹层冷却方案的身部和喉道，方便试验快速进行，提高了试验效率。
19.进一步地，所述身部、喉道通过长螺柱组依次设置在固定法兰的下方；所述长螺柱组逐次穿过喉道、身部，其端部与固定法兰螺纹连接。气气喷注单元筛选试验中，可以通过仅拆装外接法兰和固定法兰之间的螺栓进行快速更换试验件头部，而固定法兰、身部和喉道保持不拆卸，方便试验快速进行，提高了试验效率，此外也方便更换身部和喉道。
20.一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验方法，其特殊之处在于，采用上述富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置，实现步骤如下：1）装配试验件头部根据结构模拟原则，将多个气气喷注单元试验件分别与多个头部的主管道、头部隔板、外接法兰、燃料入口法兰、氧化剂入口法兰装配在一起，形成多个试验件头部。
21.2）计算甲烷氧气流量根据温度和组分模拟原则，分析气气喷注单元试验件试验所需富甲烷燃气和富氧燃气的流量、温度与组分，通过热力学计算分别得到富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器组织燃烧所需甲烷和氧气的流量。
22.3）计算喉道的喉部直径根据降压模拟原则，确定试验件燃烧室的室压，计算出喉道的喉部直径。
23.4）选取并安装第一节流孔板、第二节流孔板结合步骤3）中确定的试验件燃烧室室压，确定富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器的室压预定值，并根据步骤2）中所得富甲烷燃气和富氧燃气的流量、温度参数，选取合适孔径的第一节流孔板、第二节流孔板并分别安装在富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器
中。
24.5）选择冷却方案根据燃气温度和试验时长，选择装配了合适冷却方案的身部和喉道。
25.6）组装试验装置连接步骤1）中得到的其中一个试验件头部以及固定法兰、身部、喉道、富甲烷燃气发生器以及富氧燃气发生器，检查各连接处，确保密封良好无泄漏。
26.7）开始监测打开氧化剂路喷前压力监测装置、燃料路喷前压力监测装置、脉动压力监测装置、温度监测装置以及室压监测装置，并启动各监测数据采集程序。
27.8）生成富甲烷燃气和富氧燃气根据步骤2）得到的甲烷和氧气的流量，为富甲烷燃烧室、富氧燃烧室供应相应流量的甲烷和氧气，并启动第一点火器、第二点火器，甲烷和氧气在富甲烷燃烧室、富氧燃烧室中进行燃烧，分别产生所需温度的富甲烷燃气和富氧燃气；富甲烷燃气在第一节流孔板的作用下，按照步骤4）所确定的室压预定值，在富甲烷燃烧室中建起相应的压力，然后依次经由第一外接接口、燃料入口法兰进入头部；富氧燃气在第二节流孔板的作用下，按照步骤4）所确定的室压预定值，在富氧燃烧室中建起相应的压力，然后依次经由第二外接接口、氧化剂入口法兰进入头部。
28.9）气气喷注单元试验件点火试验进入头部的富甲烷燃气和富氧燃气经由气气喷注单元试验件喷注入试验件燃烧室内，通过第三点火器点火，在试验件燃烧室内充分燃烧。
29.10）读取各监测数据，并存储记录。
30.11）拆卸当前试验件头部，更换步骤1）所得到的另外一个试验件头部，重复执行步骤6）
〜
10），直到装有所有气气喷注单元试验件的全部试验件头部完成测试。
31.12）气气喷注单元试验件筛选所有气气喷注单元试验件完成试验后，根据获得的每个试验件头部中气气喷注单元试验件的试验数据，筛选出合格的气气喷注单元试验件。
32.进一步地，步骤1）的具体操作方法如下：依次焊接气气喷注单元试验件上端与头部隔板上的通孔内壁、头部隔板的外缘与头部主管道内壁以及气气喷注单元试验件与外接法兰上的通孔内壁，焊接完成后，检查各焊接处，保证不漏气；最后将燃料入口法兰和氧化剂入口法兰装配在头部主管道侧面。这一结构很好的固定了气气喷注单元，增加了气气喷注单元的稳定性。
33.本发明对比现有技术具有的有益效果：1、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据温度和组分模拟原则，采用富甲烷燃气发生器和富氧燃气发生器提供一定温度、组分和压力的富甲烷燃气和富氧燃气作为推进剂，从而模拟出液氧甲烷发动机推力室工作状态下推进剂的状态，更好地模拟气气喷注单元在推力室条件下的燃烧特性，对喷注单元的筛选提供有效的数据支撑。
34.2、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据降压模拟原则，在保持富甲烷燃气和富氧燃气喷注前的流动状态与液氧甲烷推力室相同的前
提下，选取合适喉部直径的喉道，降低试验件燃烧室室压，从而大幅降低了高压试验难度，提高了高压试验的安全性，且操作简单，易于实现。
35.3、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据结构模拟原则，将气气喷注单元试验件装配在头部，试验过程中只需通过拆装外接法兰和固定法兰之间的螺栓，而无需拆卸固定法兰、身部和喉道，就可以实现快速更换气气喷注单元试验件，提高了试验效率，做到快速筛选。
36.4、本发明提供的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置及试验方法，根据试验中燃气温度和燃烧时长来选择合适冷却方案的身部和喉道，且身部和喉道通过长螺柱组与固定法兰连接，需要更换身部和喉道时，只需拆解长螺柱组，应用简单方便，试验效率高。
附图说明
37.图1为本发明富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置实施例的结构示意图；图2为本发明富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置实施例的试验件头部结构示意图；附图标记说明：1
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第一点火器，2
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第一甲烷气入口，3
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第一氧气入口，4
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富甲烷燃气发生器，5
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第一节流孔板，6
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第一外接接口，7
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头部，8
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氧化剂路喷前压力监测装置，9
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第二外接接口，10
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第二节流孔板，11
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富氧燃气发生器，12
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第二甲烷气入口，13
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第二点火器，14
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第二氧气入口，15
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燃料路喷前压力监测装置，16
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外接法兰，17
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固定法兰，18
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第三点火器，19
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脉动压力监测装置，20
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温度监测装置，21
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身部，22
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喉道，23
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室压监测装置，24
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长螺柱组，25
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气气喷注单元试验组件，26
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富甲烷燃烧室，27
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富氧燃烧室，28
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燃料入口法兰，29
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氧化剂入口法兰，30
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试验件燃烧室，31
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头部隔板，32
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气气喷注单元试验件。
具体实施方式
38.以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
39.如图1和图2所示，本发明的富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置，包括富甲烷燃气发生器4、富氧燃气发生器11和气气喷注单元试验组件25。所述气气喷注单元试验组件25是试验装置主体，富甲烷燃气发生器4和富氧燃气发生器11位于气气喷注单元试验组件25的上游，分别为气气喷注单元组件25提供一定温度、压力和组分的富甲烷燃气和富氧燃气，作为燃料和氧化剂。
40.所述气气喷注单元试验组件25包括头部7、固定法兰17、身部21和喉道22。所述头部7用于放置并焊接气气喷注单元试验件32以及连接富甲烷燃气发生器4和富氧燃气发生器11；固定法兰17用于连接头部7、身部21；身部21内部通道为试验件燃烧室30；喉道22用于调节试验件燃烧室30室压。
41.所述头部7包括主管道、设置在主管道侧部的燃料入口法兰28和氧化剂入口法兰29、设置在主管道上的燃料路喷前压力监测装置15和氧化剂路喷前压力监测装置8、设置在主管道燃气输出端的外接法兰16，以及设置在主管道上并位于燃料入口法兰28与氧化剂入口法兰29之间的头部隔板31；其中燃料路喷前压力监测装置15和燃料入口法兰28位于头部隔板31的下侧，靠近主管道的燃气输出端，氧化剂路喷前压力监测装置8和氧化剂入口法兰
29位于头部隔板31的上侧，远离主管道的燃气输出端；头部隔板31的作用是隔离富甲烷燃气和富氧燃气，富甲烷燃气和富氧燃气分别通过气气喷注单元试验件32上不同的气流入口进入气气喷注单元试验件32；所述头部隔板31中间开设有与气气喷注单元试验件32上端外径相适配的通孔，用于焊接气气喷注单元试验件32的上端；所述头部7的外接法兰16上开设有与气气喷注单元试验件32的下端外径相适配的通孔，用于焊接气气喷注单元试验件32的下端；所述外接法兰16和固定法兰17之间螺栓连接；所述富甲烷燃气发生器4包括依次连接的富甲烷燃烧室26、第一节流孔板5以及第一外接接口6；富甲烷燃烧室26的左端头上分别安装第一点火器1、第一甲烷气入口2以及第一氧气入口3；所述富甲烷燃气发生器4通过第一外接接口6与头部7的燃料入口法兰28连接。
42.所述富氧燃气发生器11包括依次连接的富氧燃烧室27、第二节流孔板10以及第二外接接口9；所述富氧燃烧室27的右端头上分别安装第二点火器13、第二甲烷气入口12以及第二氧气入口14；所述富氧燃气发生器11通过第二外接接口9与头部7的氧化剂入口法兰29连接。
43.所述身部21、喉道22通过长螺柱组24依次设置在固定法兰17的下方；所述长螺柱组24逐次穿过喉道22、身部21，其端部与固定法兰17螺纹连接；所述固定法兰17中间开设有通孔，供富甲烷燃气和富氧燃气通过固定法兰17进入试验件燃烧室30。
44.所述身部21的内部通道为试验件燃烧室30；所述身部21的侧壁上设置有一个第三点火器18，以及一个或数个脉动压力监测装置19、温度监测装置20、以及室压监测装置23；富甲烷燃气和富氧燃气经由气气喷注单元试验件32进入试验件燃烧室30，经第三点火器18点火后，在试验件燃烧室30中充分燃烧，由脉动压力监测装置19、温度监测装置20以及室压监测装置23记录燃烧特性参数。
45.所述喉道22的作用是在试验件燃烧室30内建起压力，通过选取合适喉部直径的喉道22，可以降低试验件燃烧室30压力。
46.所述身部21、喉道22均采用冷却方案冷却。根据试验时长和燃烧温度选择装配了铜热沉方案或夹层冷却方案的身部21和喉道22。
47.采用如图1所示富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验装置的一种富氧富甲烷气气喷注单元地面筛选试验方法，实现步骤如下：1）装配试验件头部根据结构模拟原则，将多个气气喷注单元试验件32分别与多个头部7的主管道、头部隔板31、外接法兰16、燃料入口法兰28、氧化剂入口法兰29装配在一起，形成多个试验件头部。具体操作方法如下：依次焊接气气喷注单元试验件32上端与头部隔板31上的通孔内壁、头部隔板31的外缘与头部7主管道内壁以及气气喷注单元试验件32与外接法兰16上的通孔内壁，焊接完成后，检查各焊接处，保证内腔道密封良好不泄露；最后将燃料入口法兰28和氧化剂入口法兰29装配在头部7主管道侧面。
48.2）计算甲烷氧气流量根据温度和组分模拟原则，分析气气喷注单元试验件32试验所需富甲烷燃气和富氧燃气的流量、温度与组分，通过热力学计算分别得到富甲烷燃气发生器4和富氧燃气发生器11组织燃烧所需甲烷和氧气的流量。
49.3）计算喉道22的喉部直径根据降压模拟原则，确定试验件燃烧室30的室压，计算出喉道22的喉部直径。
50.4）选取并安装第一节流孔板5、第二节流孔板10结合步骤3）中确定的试验件燃烧室30室压，确定富甲烷燃气发生器4和富氧燃气发生器11的室压预定值，并根据步骤2）中所得富甲烷燃气和富氧燃气的流量、温度参数，选取合适孔径的第一节流孔板5、第二节流孔板10并分别安装在富甲烷燃气发生器4和富氧燃气发生器11中。
51.5）选择冷却方案根据燃气温度和试验时长，选择装配了铜热沉方案或者夹层冷却方案的身部21和喉道22。
52.6）组装试验装置连接步骤1）中得到的试验件头部以及固定法兰17、身部21、喉道22、富甲烷燃气发生器4以及富氧燃气发生器11，检查各连接处，确保密封良好无泄漏。
53.7）开始监测试验前，打开氧化剂路喷前压力监测装置8、燃料路喷前压力监测装置15、脉动压力监测装置19、温度监测装置20以及室压监测装置23，其中脉动压力监测装置19、温度监测装置20以及室压监测装置23的数量为一个或多个；并启动各监测数据采集程序。
54.8）生成富甲烷燃气和富氧燃气根据步骤2）得到的甲烷和氧气的流量，给富甲烷燃烧室26、富氧燃烧室27供应相应流量的甲烷和氧气，并启动第一点火器1、第二点火器13，甲烷和氧气在富甲烷燃烧室26、富氧燃烧室27中进行燃烧，分别产生所需温度的富甲烷燃气和富氧燃气；富甲烷燃气在第一节流孔板5的作用下，按照步骤4）所确定的室压预定值，在富甲烷燃烧室26中建起相应的压力，然后依次经由第一外接接口6、燃料入口法兰28进入头部7；富氧燃气在第二节流孔板10的作用下，按照步骤4）所确定的室压预定值，在富氧燃烧室27中建起相应的压力，然后依次经由第二外接接口9、氧化剂入口法兰29进入头部7。
55.9）气气喷注单元试验件32点火试验进入头部7的富甲烷燃气和富氧燃气经由气气喷注单元试验件32喷注入试验件燃烧室30内，通过第三点火器18点火，在试验件燃烧室30内充分燃烧。
56.10）读取各监测数据，并存储记录。
57.11）拆卸当前试验件头部，更换步骤1）所得到的另外一个试验件头部，重复执行步骤6）
〜
10），直到装有所有气气喷注单元试验件32的全部试验件头部完成测试。
58.12）气气喷注单元试验件32筛选所有气气喷注单元试验件32完成试验后，根据获得的每个试验件头部中气气喷注单元试验件32的试验数据，筛选出合格的气气喷注单元试验件32。