泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置及方法
本发明涉及泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置及方法，用于解决目前泵压式变推力火箭发动机燃气发生器热力参数测量不准确的问题。本发明中燃气发生器的第一输入端与第一贮箱的输出端通过第一管路连接，燃气发生器的第二输入端与第二贮箱的输出端通过第二管路连接；第一断流阀安装在第一管路上；第二断流阀安装在第二管路上；第一管路中的推进剂流量与第二管路中的推进剂流量不相等；流量调节器安装在推进剂流量较小的管路上，且靠近燃气发生器的第一输入端或第二输入端；气蚀管安装在推进剂流量较大的管路上，且靠近燃气发生器的第二输入端或第一输入端。
发明专利
CN202311337597.4
2023-10-16
CN117449981A
2024-01-26
F02K9/96(2006.01)
西安航天动力研究所
李斌;孙海雨;王海燕;兰晓辉;黄晓磊;黄蒙;陈新红;周江平
710100 陕西省西安市航天基地飞天路289号
西安智邦专利商标代理有限公司
王少文
陕西;61
1.一种泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置，其特征在于：包括燃气发生器(1)、气蚀管(2)、流量调节器(3)、第一断流阀(4)、第二断流阀(5)、第一贮箱(6)和第二贮箱(7)，所述燃气发生器(1)的第一输入端与第一贮箱(6)的输出端通过第一管路连接，所述燃气发生器(1)的第二输入端与第二贮箱(7)的输出端通过第二管路连接； 所述第一断流阀(4)安装在第一管路上； 所述第二断流阀(5)安装在第二管路上； 所述第一贮箱(6)和第二贮箱(7)用于存放不同种类的推进剂，所述推进剂为燃料或氧化剂； 所述第一管路中的推进剂流量与第二管路中的推进剂流量不相等； 所述流量调节器(3)安装在推进剂流量较小的管路上，且靠近燃气发生器(1)设置，用于自适应压差调节所在管路的流量； 所述气蚀管(2)安装在推进剂流量较大的管路上，且靠近燃气发生器(1)设置，用于控制所在管路的流量。 2.根据权利要求1所述的一种泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置，其特征在于：所述第一管路中的推进剂流量大于第二管路中的推进剂流量，所述流量调节器(3)安装在第二管路上，且靠近燃气发生器1的第二输入端； 所述气蚀管(2)安装在第一管路上，且靠近燃气发生器(1)的第一输入端。 3.根据权利要求2所述的一种泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置，其特征在于： 燃气发生器(1)的总流量通过以下公式计算： 其中，qmgg为燃气发生器的总流量，qmgg＝qmv+qmtj，qmv为汽蚀管的流量，qmtj为流量调节器的流量；Rgg为燃气发生器燃气气体常数，Tgg为燃气发生器燃气温度；pc为燃气发生器的燃烧室压力；At为燃气发生器的喉部等效面积；k为燃气发生器的定熵指数； 燃气发生器(1)的混合比Kgg表示如下： 其中，为燃气发生器的氧化剂流量；/>为燃气发生器的燃料流量。 4.根据权利要求2或3所述的一种泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置，其特征在于：所述汽蚀管(2)的流量qmv通过以下公式计算： 其中，Cd为汽蚀管的流量系数； Av为汽蚀管等效喉部面积； ρ为推进剂密度； ptank1为第一贮箱的压力； Δpp1为第一贮箱到汽蚀管入口的压降； ps为汽蚀管推进剂入口温度下的饱和蒸汽压； 汽蚀管的汽蚀裕度δ表示为： 其中，piv为汽蚀管的入口压力，pev为汽蚀管的出口压力。 5.根据权利要求4所述的一种泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置，其特征在于： 所述第二管路的流量为流量调节器(3)的开度的函数；通过改变流量调节器(3)的开度来调节第二管路的流量，从而达到调节燃气发生器(1)混合比的目的； 流量调节器的流量计算公式为： qmtj＝f(α) 流量调节器的流量调节公式为： Δptj＝ptan k2-Δpp2-Δph-pc 其中，qmtj为流量调节器的流量；α为流量调节器的开度；Δptj为流量调节器的压降；pc为燃气发生器的燃烧室压力；ptank2为第二贮箱的压力；Δpp2为第二贮箱到流量调节器入口的压降；Δph为燃气发生器喷注器压降。 6.一种泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，安装如权利要求1所述的泵压式变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验装置；第一贮箱(6)为氧化剂贮箱，第二贮箱(7)为燃料储箱； 步骤2，将第一贮箱(6)和第二贮箱(7)的压力增至设计值，首先打开第一断流阀(4)，一定时间间隔后打开第二断流阀(5)，使得氧化剂比燃料提前进入燃气发生器(1)的燃气腔，氧化剂和燃料燃烧产生燃气，最终在燃气发生器(1)中出口喉部建立燃烧室喉部第一压力pc1； 步骤3，通过改变流量调节器(3)的开度，进而改变燃气发生器(1)的混合比，燃气发生器燃气气体常数Rgg和燃气发生器燃气温度Tgg随之改变，记为第一组热力参数和得到燃气发生器(1)混合比Kgg与第一组热力参数之间的关系，即第一组试验数据； 步骤4，关闭第二断流阀5，之后关闭第一断流阀4； 步骤5，更换气蚀管(2)，并按照步骤2-步骤4的方法，获得燃烧室喉部第二压力pc2下该气蚀管(2)对应的燃气发生器(1)混合比Kgg与第二组热力参数和/>之间的关系，即第二组试验数据； 步骤6，对比两组试验数据，如果差别大于阈值，则分别建立气体参数Rgg和温度Tgg与混合比Kgg、室压pc的二维矩阵，实现室压的宽范围调节；如果差别小于阈值，使用其中任意一组试验数据即可实现室压的宽范围调节。 7.根据权利要求6所述的泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验方法，其特征在于： 步骤6中，对比两组试验数据，如果差别大于阈值，则实际工况下的气体参数Rgg和温度Tgg根据二维矩阵得到。 8.根据权利要求7所述的泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验方法，其特征在于，步骤3具体如下： 调节燃气发生器(1)的混合比时，通过改变流量调节器(3)的开度，实现第二管路中推进剂流量改变； 混合比改变引起燃气发生器中燃烧产物的温度、气体常数的变化，最终得到一组混合比与燃气发生器(1)燃烧产物的热力参数Rgg和Tgg之间的关系； 其中，qmgg为燃气发生器的总流量，qmgg＝qmv+qmtj，qmv为燃气发生器安装汽蚀管的第一管路流量，qmtj为燃气发生器安装流量调节器的第二管路流量；pc为燃气发生器的燃烧室压力；At为燃气发生器的喉部等效直径；Rgg为燃气发生器中燃烧产物的燃气气体常数，燃气气体常数受燃气发生器的混合比和室压影响；Tgg为燃气发生器中燃烧产物的燃气温度，受燃气发生器的混合比和室压影响，通过直接测量得到；k为燃气发生器中燃烧产物的定熵指数。 9.根据权利要求7所述的泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验方法，其特征在于，步骤5具体如下： 更换气蚀管(2)，其等效喉部面积Av改变，气蚀管(2)的流量qmv随之改变，进而改变燃气发生器(1)的总流量qmgg和燃气发生器(1)的燃烧室压力pc；更换气蚀管(2)后进行试验，通过流量调节器(3)的开度，使得第二管路的流量与第一管路流量匹配，获得燃烧室喉部第二压力pc2下，燃气发生器混合比Kgg与第二组热力参数和/>之间的关系。 10.根据权利要求9所述的泵压变推力火箭发动机燃气发生器宽工况试验方法，其特征在于： 步骤6中，所述阈值为3％。