本实用新型涉及液体火箭发动机领域，具体涉及一种大流量液体输送系统频率特性试验系统，用于分析液体火箭发动机泵后液体输送系统的频率响应特性。
背景技术：
液体火箭发动机推进剂液体输送系统较为复杂，在工程实践中发现存在多种与推进剂液体输送系统频率特性相关的动力学问题，如低频的POGO问题、阀门自动器的振荡问题，燃烧组件与液体输送系统的耦合振荡燃烧问题、喷注器的动态喷注特性问题，若对上述问题进行研究，需要开展不同频率范围的动力学试验，以研究复杂液体输送系统的频率响应特性。由于发动机液体输送系统结构复杂，尤其是大流量的泵压式火箭发动机，包含了管路、阀门、推力室头腔、喷注器等多个组件，该类流体频率响应特性试验通常难以实施，一方面是缺少适合于宽频率范围、激励能量高的流体脉动激励系统；另一方面，大流量的流体液体输送系统动力学边界条件在液流试验台上难以模拟，尤其是对声学闭端入口边界条件的模拟缺少指导性方法；此外，如何选择试验台的流量、压力参数，提高试验数据的信噪比和准确性，也是很大的难题。
技术实现要素：
本实用新型的目的是解决现有大流量液体输送系统频率特性试验缺少适合于宽频率范围、激励能量高的流体脉动激励系统，以及大流量的流体液体输送系统动力学边界条件在液流试验台上难以模拟等问题，而提供一种大流量液体输送系统频率特性试验系统。
本实用新型的技术方案是：
一种大流量液体输送系统频率特性试验系统，包括试验台、液体输送系统、水力激振系统、蓄压器和节流组件；所述液体输送系统包括依次连接的主导管、氧化剂主阀、燃烧室氧化剂头腔和喷注器；所述水力激振系统包括连接在激励源管路上的第一节流圈和第二节流圈，所述第一节流圈和第二节流圈之间设置有旁通管路，转盘式脉动压力激励器设置在旁通管路上；所述试验台和主导管通过试验台主管路连接，所述蓄压器和节流组件均设置在试验台主管路上；所述水力激振系统出口连接至液体输送系统的燃烧室氧化剂头腔中。
进一步地，所述液体输送系统沿程布置脉动压力测点。
进一步地，所述液体输送系统沿程脉动压力测点的数量至少为4个。
进一步地，所述液体输送系统沿程脉动压力测点的数量在10个以上。
进一步地，连接蓄压器的分支管路直径与试验台主管路的管径相同。
同时，本实用新型还提供一种基于大流量液体输送系统频率特性试验系统的试验方法，包括以下步骤：
1)配置液体输送系统：液体输送系统包括依次连接的主导管、氧化剂主阀、燃烧室氧化剂头腔和喷注器，并在液体输送系统沿程布置脉动压力测点；
2)选择试验台主路流量工况：如果试验台能力满足液体输送系统全流量能力，则试验台主流量为液体输送系统在发动机中的工作流量；如果试验台能力不能满足全流量能力，则选择试验台主流量满足液体输送系统内部为充分湍流状态；
3)在试验台上模拟液体输送系统在发动机中的边界条件：液体输送系统入口端模拟为声学闭端边界，液体输送系统出口端模拟为声学开端边界；
4)根据试验台主路流量和设定的频率范围，利用转盘式脉动压力激励器，计算激励源管路所需的平均流量和压力，并搭建产生中、高频脉动压力信号的水力激振系统，在水力激振系统出口端布置脉动压力传感器测点和稳态压力传感器测点；
5)将水力激振系统出口连接至液体输送系统的燃烧室氧化剂头腔中；
6)在液体输送系统入口边界上游的试验台主管路上设置蓄压器，试验中保证蓄压器包含1/5～1/3总容积的气垫；
7)试验台主路通液，流量逐步增大至设计的流量工况；
8)水力激振系统通液，转盘式脉动压力激励器的电机通电，将水力激振系统稳态压力逐渐增大至设定值；
9)逐步改变转盘式脉动压力激励器的电机控制电压，使得产生的脉动压力激励频率从0Hz连续增大至所研究的最高频率值，再从最高频率值线性降低至0Hz，构成了一个扫频激励周期，即完成对研究对象的频率特性试验。
进一步地，所述步骤1)中液体输送系统沿程脉动压力测点的数量至少为4个。
进一步地，所述步骤1)中液体输送系统沿程脉动压力测点的数量在10个以上。
进一步地，所述步骤2)中，试验台主流量的最低值为：满足液体输送系统主导管中的雷诺数大于105。
进一步地，所述步骤3)中，液体输送系统入口端模拟为声学闭端边界，设置大阻抗的节流组件，在不产生汽蚀情况时，节流组件的阻抗绝对值大于下游主导管的特征阻抗2倍；液体输送系统出口端模拟为声学开端边界，直接通外界或者连接流通面积扩大5倍以上的固定压力容器内。
进一步地，所述步骤4)中，激励源管路的平均流量为试验台主管路流量的8％～15％，激励源管路压力大于主路压力2倍以上。
进一步地，所述步骤6)中，试验台主管路上设置蓄压器，连接蓄压器的分支管路直径与试验台主管路管径相同。
进一步地，所述步骤9)中，扫频激励频率为从0Hz连续增大至最高频率值，再从最高频率值连续降低至0Hz，频率变化速率≤12Hz/s。
本实用新型的优点为：
1.频率扫频范围宽：传统用于运载火箭液体推进剂液体输送系统POGO试验的活塞式激励系统频率范围在50Hz以内，且活塞的往复运动需要大功率的能源，不能满足液体输送系统在声学谐振范围内研究的需要。本实用新型采用转盘式脉动压力激励器，频率范围可以完整覆盖低、中、高频率，频率范围超过1000Hz，达到了液体输送系统声学谐振范围。
2.激励能量充足、信噪比高：传统应用于气体声腔的扬声器类激励源，声压太小只适合于密度和粘性都很小的气体，应用于单喷嘴动态雾化试验的激励源流量范围在100g/s以内，对于10kg/s量级的大流量液体火箭发动机液体输送系统，激励源的能量明显不足。为了保证足够高的激励能量和信噪比，本实用新型采用大流量转盘式脉动压力激励器器、增加系统节流圈、提高激励源稳态压力、主路增加蓄压器的方式，达到提高信噪比的目的，并确定了激励源流量与主流流量的合适比例范围。
3.动力学边界条件的合理模拟：本实用新型提供了试验台上需模拟的液体输送系统动力学边界条件，提出了模拟方法，在液体输送系统入口设置大阻抗的节流组件(阻抗绝对值应大于下游主导管的特征阻抗2倍)，以模拟入口为声学闭端边界；液体输送系统出口直接通外界(或者连接流通面积5倍以上的固定压力容器)，以模拟出口为声学开端边界。
4.提出进程、回程连续扫频激励方法，在一次试验中，扫频激励频率从0Hz连续增大至需研究的最高频率值，再从最高频率值连续降低至0Hz，可以一次性完成整个频率范围内的扫频激励，试验效率高，且通过进、回程的数据对比试验数据的重复性。
附图说明
图1为本实用新型的液流试验系统结构图；
图2为本实用新型液体输送系统结构图；
图3为本实用新型水力激振系统结构图。
图4为本实用新型方法的流程框图；
附图标记：1-液体输送系统，2-水力激振系统，3-节流组件，4-蓄压器，5-第一节流圈，6-主导管，7-氧化剂主阀，8-燃烧室氧化剂头腔，9-喷注器，10-激励源管路，11-第二节流圈，12-转盘式脉动压力激励器，13-旁通管路，14-试验台，15-试验台主管路。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实用新型提供了对大流量液体输送系统开展频率特性试验的系统和方法，用于研究火箭发动机泵后推进剂液体输送系统在中、高频范围的频率响应特性，以获取液体输送系统的声学谐振频率和振型。本实用新型给出了火箭发动机泵后液体输送系统的选择范围、试验流量工况、边界条件模拟原则、水力激振系统设计与工况参数、蓄压器设置要求、脉动压力测点布置、试验流程以及扫频激励方法，可以完整覆盖低、中、高频率，频率范围超过1000Hz，达到了液体输送系统声学谐振范围。本实用新型经过试验证实，激励能量充足、信噪比高，适合10kg/s量级的大流量液体火箭发动机液体输送系统，获得了某型发动机泵后液体输送系统在1200Hz以内的谐振频率和脉动压力振型分布，数据重复性好。
如图1、图2、图3所示的一种大流量液体输送系统频率特性试验系统，包括试验台14、液体输送系统1、水力激振系统2、蓄压器4和节流组件3；液体输送系统1包括依次连接的主导管6、氧化剂主阀7、燃烧室氧化剂头腔8和喷注器9；水力激振系统2包括连接在激励源管路10上的第一节流圈5和第二节流圈11，第一节流圈5和第二节流圈11之间设置有旁通管路13，转盘式脉动压力激励器12设置在旁通管路13上；试验台14和主导管6通过试验台主管路15连接，蓄压器4和节流组件3均设置在试验台主管路15上；水力激振系统2出口连接至液体输送系统1的燃烧室氧化剂头腔8中。进一步地，所述液体输送系统沿程布置脉动压力测点。液体输送系统沿程布置脉动压力测点。液体输送系统沿程脉动压力测点的数量至少为4个，液体输送系统沿程脉动压力测点的数量在10个以上，连接蓄压器的分支管路直径与试验台主管路的管径相同。
如图4所示，本实用新型还提供了一种大流量液体输送系统频率特性试验系统的试验方法，对液体火箭发动机大流量泵后推进剂液体输送系统开展中、高频范围的频率响应试验，以获取液体输送系统的声学谐振频率和振型，包括以下步骤：
1)选择真实的液体火箭发动机推进剂液体输送系统，液体输送系统包括依次连接的主导管、氧化剂主阀、燃烧室氧化剂头腔和喷注器，并在液体输送系统沿程布置脉动压力测点；脉动压力测点的数量至少为4个，最好在10个以上；
2)选择试验台主路流量工况：如果试验台能力满足液体输送系统全流量能力，则试验台主流量为液体输送系统在发动机中的工作流量；如果试验台能力不能满足全流量能力，则选择试验台主流量需满足液体输送系统内部为充分湍流状态；试验台主流量的最低值为满足液体输送系统主导管中的雷诺数大于105；
3)在液流试验台上模拟液体输送系统在发动机中的边界条件：液体输送系统入口端模拟为声学闭端边界，设置大阻抗的节流组件，在不产生汽蚀情况时，节流组件的阻抗绝对值大于下游主导管的特征阻抗2倍；液体输送系统出口端模拟为声学开端边界，直接通外界或者连接流通面积扩大5倍以上的固定压力容器内；
4)根据试验主路流量和研究的频率范围，利用转盘式脉动压力激励器，计算激励源管路所需的平均流量和压力，并搭建产生中、高频脉动压力信号的水力激振系统，在水力激振系统出口端布置脉动压力传感器测点和稳态压力传感器测点；激励源管路的平均流量为主流流量的8％～15％，激励源管路压力大于主路压力2倍以上；
5)将水力激振系统出口连接至研究对象(大流量复杂液体输送系统)的液体管路或者燃烧组件头腔中；
6)在液体输送系统入口边界上游的试验台主管路上设置大容积的蓄压器，试验中保证蓄压器包含1/5～1/3总容积的气垫；连接蓄压器的分支管路直径与试验台主管路管径相同；
7)试验台主路通液，流量逐步增大至设定的流量工况；
8)水力激振系统通液，转盘式脉动压力发生器的电机通电，将水力激振系统稳态压力逐渐增大至设计值；
9)逐步改变脉动压力激励器的电机控制电压，使得产生的脉动压力激励频率从0Hz连续增大至所研究的最高频率值，再从最高频率值线性降低至0Hz，构成了一个扫频激励周期，即完成对研究对象的频率特性试验，频率变化速率≤12Hz/s。
为了研究某型大流量液体火箭发动机氧化剂泵后液体输送系统的频率特性，运用本实用新型系统对此泵后液体输送系统开展了中、高频范围的频率特性试验，本实用新型具体实施例步骤如下：
1)选择液体火箭发动机推进剂液体输送系统，液体输送系统包括依次连接的主导管、氧化剂主阀、燃烧室氧化剂头腔和喷注器，并在液体输送系统沿程布置脉动压力测点；在氧主导管沿程布置9个脉动压力测点，在燃烧氧头腔布置3个脉动压力测点，在喷前腔对称布置2个脉动压力测点；
2)由于液体输送系统的全流量很大，试验台进行降流量模拟，选择试验台主流量为25kg/s，计算氧主导管内雷诺数为3.31×105，满足充分湍流状态；
3)在试验台上模拟液体输送系统在发动机中的边界条件：在液体输送系统入口端安装高阻抗节流组件，以模拟声学闭端边界(即流量脉动量为0)，将喷注器出口端直接通外界，即为声学开端边界(即压力脉动量为0)；
4)根据试验主路流量和需研究的频率范围，选择转盘式脉动压力激励器，转盘孔径为6mm，激励源管路的压力为4.5MPa，搭建产生中、高频脉动压力信号的水力激振系统，两个节流圈的孔径均为7mm，水力激振系统高压管路直径为10mm，在水力激振系统出口端布置对称脉动压力传感器测点和稳态压力传感器测点；
5)将水力激振系统出口连接至燃烧室的氧化剂头腔中或者主管路中，保证脉动压力激励器与氧化剂头腔之间的管路仅可能的平、直、短；
6)在试验台管路上安装300L容积的蓄压器，试验中保证蓄压器包含1/5～1/3总容积的气垫；
7)试验台主路通液，流量逐步增大至试验设定的25kg/s流量工况，维持不变；
8)水力激振系统通液，转盘式脉动压力激励器的电机通电，将水力激振系统稳态压力均值逐渐增大至设定值4.5MPa，脉动压力激励器的电机维持初始极低的运转速度；
9)通过PID编程，逐步增大脉动压力激励器的电机控制电压，在300s内使得脉动压力激励频率从0Hz匀速增大至1200Hz，再在300s内从1200Hz匀速降低至0Hz，完成了一个扫频激励周期，完成对了该型发动机氧泵后液体输送系统的频率特性试验。