火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统的制作方法

1.本发明涉及液体火箭发动机研究领域，特别是一种火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统。


背景技术：

2.液体火箭的核心部件—液体火箭发动机，实际工作在高温高压的极端环境下，发动机结构稳定性和可靠性受到严峻考验。特别是在内部推进剂燃烧发生不稳定现象时，燃烧室内部出现较大压力振荡，当流场压力振荡频率与发动机结构固有频率接近时，会引起结构共振，局部位置承受较大载荷，极易出现结构疲劳破坏，最终使整个燃烧室、整台发动机甚至整个火箭的毁灭性破坏。
3.针对燃烧不稳定引起的压力振荡与结构振动的耦合分析，目前重点集中在燃烧室的声学特性、结构模态特性和声结构耦合响应等。试验测量方案是将燃烧室顶部进行固定，随后在燃烧室壁面沿轴向或周向设置测量点，每个测量点上安装三轴或单轴加速度传感器。通过对比分析燃烧稳定与燃烧不稳定两种情况下振动传感器传回数据，找出燃烧与振动耦合的关系，并提出消除耦合的办法。
4.现有技术偏向于对发动机振动的模态进行测量，同时测量时往往将发动机端面进行固定约束，因此测量结果包括了约束结构的影响。考虑到燃烧室内燃烧不稳定分为横向和纵向两种类型，不同的燃烧状态对结构振动的影响很大，因此需对燃烧和振动进行解耦研究，即限制发动机的自由度，保证燃烧状态与振动方向一致。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统，该火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统基于模型发动机结构，测量发动机轴向振动数据，为总结燃烧与振动的耦合关系提供数据支撑，能方便研究火箭发动机点火试验过程中内流场的纵向燃烧不稳定与结构轴向振动的耦合问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统，包括弹簧阻尼模块、测量模块和发动机模块。
8.弹簧阻尼组件包括定板、动板、弹簧组件和导杆。
9.定板纵向位置固定。
10.动板与定板相平行且同轴布设。
11.弹簧组件布设在定板与动板之间，且两端分别与定板与动板相连接；弹簧组件能沿火箭发动机纵向伸缩。
12.导杆安装在定板与动板上，且沿火箭发动机纵向布设，能对弹簧组件的纵向伸缩进行导向。
13.测量模块嵌设在动板中，能对动板或弹簧组件的纵向伸缩数据进行实时监测。
14.发动机模块同轴安装在背离定板一侧的动板上。
15.发动机模块包括沿纵向依次同轴布设的喷注段、燃烧室和尾喷管；其中，燃烧室内设置有压力传感器，压力传感器能够监测燃烧室压力。
16.纵向伸缩数据包括纵向伸缩加速度和纵向位移量中的一种或组合。
17.动板朝向弹簧组件的一侧设置有凸台，凸台上均布有若干个弹簧安装孔，用于安装弹簧组件中的弹簧；动板背离弹簧组件的一侧设置有圆形凹槽，用于布设测量模块。
18.导杆均布在定板与动板的四周，且每根导杆的伸缩长度能够调节。
19.每根导杆的一端设置有螺纹部，螺纹部上套设有固定螺母，通过调节固定螺母在导杆上的纵向位置，进而能够调节每根导杆的伸缩长度。
20.喷注段包括喷注管和分别设置在喷注管两端的动板安装法兰和燃烧室安装法兰；其中，燃烧室安装法兰用于与燃烧室相连接；动板安装法兰用于与动板相连接，动板安装法兰四周布设有与导杆数量相同的导杆避让槽。
21.动板安装法兰还设置有穿线孔，用于测量模块中传感器出线。
22.弹簧组件包括若干根均沿纵向并列布设的弹簧。
23.当火箭发动机的纵向为竖直方向时，则研究系统的振动模型为：
24.ma＝-kx-f-mg f(t)
25.其中，m为发动机模块和动板的质量；a为测量模块获得的动板纵向伸缩加速度；k为弹簧组件的劲度系数，x为测量模块获得的动板位移量；f为导杆的滑动阻力，通过滑动测试试验测量得到；g为重力加速度；f(t)为推力，为燃烧室压力与喉部面积的乘积。
26.通过改变弹簧的劲度系数和弹簧数目，能够改变研究系统的纵向振动频率，结合燃烧室内部压力振荡的频率，能够研究结构振动与压力振荡在频率上的耦合关系；其中，燃烧室内部压力振荡的频率通过燃烧室内压力传感器测量数据进行fft求得，结构振动通过加速度传感器测量数据进行fft求得。
27.本发明具有如下有益效果：
28.1、本发明基于模型发动机结构，测量发动机轴向振动数据，为总结燃烧与振动的耦合关系提供数据支撑，能方便研究火箭发动机点火试验过程中内流场的纵向燃烧不稳定与结构轴向振动的耦合问题，进而能解决液体火箭发动机试车时，轴向(纵向)振动载荷较大的实际问题。
29.2、本发明通过弹簧和导轨约束，替代之前的固定约束，一定程度上消除了约束结构对测量结果的干扰。
30.3、本发明将发动机振动简化为弹簧振子的受迫振动，完成了振动解耦，仅从轴向(纵向)上研究燃烧与振动的耦合关系。
31.4、系统组成较为精简，各组件易于加工，整体组装较为简单，有利于后续的更换和改造。
附图说明
32.图1显示了本发明火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统的结构示意图。
33.图2显示了本发明中动板的顶面结构示意图。
34.图3显示了本发明中动板的底面结构示意图。
35.图4显示了本发明中燃烧室的结构示意图。
36.其中有：
37.10.弹簧阻尼模块；
38.11.定板；
39.12.动板；121.弹簧安装孔；122.圆形凹槽；123.导杆孔；124.螺栓安装孔；125.凸台；
40.13.弹簧组件；
41.14.导杆；141.限位头部；142.固定螺母；
42.20.测量模块；
43.30.发动机模块；
44.31.喷注段；
45.311.动板安装法兰；311a.导杆避让槽；311b.穿线孔；
46.312.燃烧室安装法兰；
47.313.喷注管；313a.推进剂加注口；313b.喷嘴；
48.32.燃烧室；
49.33.尾喷管。
具体实施方式
50.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
51.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
52.如图1所示，一种火箭发动机纵向不稳定燃烧与结构振动耦合的研究系统，包括弹簧阻尼模块10、测量模块20和发动机模块30。
53.弹簧阻尼组件包括定板11、动板12、弹簧组件13和导杆14。
54.定板纵向位置固定，如通过螺栓固定在机架的顶板上等。
55.动板与定板相平行且同轴布设，在动板与定板的四周均匀布设有若干个圆形导槽，优选为四个；在每个圆形导槽内各安装一根导杆。
56.导杆沿火箭发动机纵向布设，能对弹簧组件的纵向伸缩进行导向。
57.每根导杆均优选呈螺栓状，包括限位头部141、光滑杆部和螺纹部。其中，限位头部141位于动板下方，光滑杆部依次穿过动板的圆形导槽和定板的圆形导槽。然后，在螺纹部上套设固定螺母142，通过调节固定螺母在导杆的螺纹部上的纵向位置，进而能够调节每根导杆的伸缩长度。
58.如图2和图3所示，上述动板朝向弹簧组件的一侧设置有凸台125，凸台上均布有若干个弹簧安装孔121，用于安装弹簧组件中的弹簧；动板背离弹簧组件的一侧设置有圆形凹
槽122，用于布设测量模块。
59.弹簧组件布设在定板与动板之间，且两端分别与定板与动板相连接；弹簧组件包括若干根均沿纵向并列布设的弹簧，且能沿火箭发动机纵向伸缩。
60.测量模块嵌设在动板中，能对动板或弹簧组件的纵向伸缩数据进行实时监测。纵向伸缩数据包括纵向伸缩加速度和纵向位移量中的一种或组合。
61.发动机模块同轴安装在背离定板一侧的动板上。
62.发动机模块包括沿纵向依次同轴布设的喷注段31、燃烧室32和尾喷管33；其中，燃烧室内设置有压力传感器，压力传感器能够监测燃烧室压力。
63.如图4所示，喷注段包括喷注管313和分别设置在喷注管两端的动板安装法兰311和燃烧室安装法兰312；其中，燃烧室安装法兰用于与燃烧室相连接；动板安装法兰用于与动板相连接，动板安装法兰四周布设有与导杆数量相同的导杆避让槽311a。
64.进一步，动板安装法兰还设置有穿线孔311b，用于测量模块中传感器出线。上述穿线孔为大孔设计，还能作为减重孔，减轻整体重量。
65.喷注管上设置有推进剂加注口313a和喷嘴313b。燃料和氧化剂通过喷嘴喷出后在燃烧室段燃烧，最后通过喷管段喷出形成推力。
66.当火箭发动机的纵向为竖直方向时，则研究系统的振动模型为：
67.ma＝-kx-f-mg f(t)
68.其中，m为发动机模块和动板的质量；a为测量模块获得的动板纵向伸缩加速度；k为弹簧组件的劲度系数，x为测量模块获得的动板位移量；f为导杆的滑动阻力，通过滑动测试试验测量得到；g为重力加速度；f(t)为推力，为燃烧室压力与喉部面积的乘积。
69.当纵向燃烧不稳定发生时，由于燃烧室内压力出现大幅度振荡，导致推力也出现振荡，整个发动机模块连同动板产生振动，由于弹簧阻尼模块上的导轨约束和弹簧阻尼作用，可动部分的运动可简化为弹簧振子的受迫振动。通过改变弹簧的劲度系数和弹簧数目，能够改变研究系统的纵向振动频率，结合燃烧室内部压力振荡的频率，能够研究结构振动与压力振荡在频率上的耦合关系；其中，燃烧室内部压力振荡的频率通过燃烧室内压力传感器测量数据进行fft求得，结构振动通过加速度传感器测量数据进行fft求得。
70.基于上述振动模型，结合振动加速度数据与燃烧室压力数据，可进一步研究纵向燃烧不稳定与结构振动间的耦合关系。
71.本发明重点研究纵向燃烧不稳定与结构振动间的耦合关系，组装后发动机处于竖直状态。考虑到后续燃烧室加长后导致整体机构过高，可以改变导杆的设计，将整体系统改为卧式结构。
72.本发明的解耦思路还可用于对其他结构的振动分析，如飞机、轮船等，本实验系统也可用于对其他结构的振动的单自由度分析。
73.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。