反压环境舱的设计及在雾化实验中的应用

2009-11-20 曹智程西安航天动力研究所

　　液体火箭发动机推进剂的雾化是在较高或者很高压力条件下进行的。目前，喷嘴性能及雾化研究实验通常是在1个大气压环境下进行，这造成实验得到的雾化性能与实际状况有一定差异。为能子反压环境下进行喷嘴雾化实验，在更新近于喷嘴工作的真实状态进行喷嘴特性研究，进一步提高喷嘴雾化研究的水平，设计了反压环境舱。本文介绍反压环境舱的设计及应用。

1、反压环境舱技术参数及结构

1.1、技术参数

　　依据目前及今后一段时间液体火箭发动机燃烧室单嘴的工作参数，考虑目前技术条件，选择的反压环境舱的设计参数如下：

　　空气：m=0~1.8kg/s；

　　水：m=0~1kg/s；

　　反压压力：P=0.1~6MPa；

　　视窗直径：φ110mm。

1.2、反压环境舱结构

　　从使用性能和可操作性考虑，反压环境舱包括舱盖提升机构、舱体移动机构、喷嘴调节装置、气幕隔离装置、视镜和散光装置(整体外结构图见图1)等。

(1)舱盖提升机构

　　反压环境舱设计压力为6.0MPa，内径为φ280nm，罐高为800mm，材质选用1Cr18Ni9T。舱盖采用平板结构，螺栓连接方式。舱盖开有φ15mm通孔四个、φ6mm通孔两个，供实验介质和舱体压力测量用。舱盖重量比较重，因此设计了梯型螺旋丝杠提升舱盖。在丝杠两侧设计导向杆，以避免舱盖上升过程中出现晃动及偏斜。

(2)舱体移动机构

　　环境舱自身重量重、体积大，为便于移动将环境舱固定固定在可移动的小车上，小车移动采用活动式脚轮，由自锁机构完成位置固定。

(3)喷嘴调节装置

　　喷嘴装在环境舱盖的中心，沿轴线向下喷射。喷嘴在反压环境舱内需满足：(1)喷嘴出口位置需在视镜的三分之一处；(2)喷嘴能在夹具上360。转动，这样有利于拍摄到喷雾场的最佳位置。由于喷嘴实验型式、结构尺寸各不相同，为了满足上述两个位置条件，需设计能调节长短并同时自锁的喷嘴夹具。喷嘴夹具最大伸长长度为240mm，喷嘴夹具最小长度为160mm，伸杆距离确定后由碟型螺母紧固锁紧。喷嘴夹具固定盘设计成两道环槽孔，喷嘴可在固定上根据所需方向旋转固定。

(4)气幕隔离装置

　　由于喷嘴密闭在反压环境舱内，细小液雾滴的弥散会影响测量。同时由于喷嘴流量的变化，喷嘴出口形成的雾锥有大有小，喷雾场大时，喷嘴喷射的雾滴有可能飞溅到观察窗视镜上，影响高速动态分析系统对喷雾场拍摄图像的效果。为了消除小部分雾滴对视镜的影响，采用了如下措施：

　　①加长观察窗圆管的长度，减少液滴飞溅到视镜上的几率；

　　②设计气幕隔离装置，在雾场和视镜之间形成一道气幕帘。气幕隔离装置通入一定压力、流量的空气形成气幕帘，有效地防止液滴喷溅到观察窗视镜上。图2和图3显示了有无气幕装置观察窗的效果比较。