一种流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法与流程

1.本发明属于液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法。


背景技术：

2.变推力液体火箭发动机能够根据指令要求实现推力的精确控制，具有广泛用途。例如：航天运输系统多采用变推力发动机，可以实现最佳推力控制，从而使运载能力达到最大；载人航天的主动段飞行使用变推力发动机，可以严格控制宇航员的过载，确保宇航员的飞行安全；对于空间飞行器的交会对接与轨道机动，变推力发动机可以提高操纵控制的灵活性和准确性；要在月球等无大气的天体表面进行软着陆和机动飞行，变推力发动机是唯一可用的动力装置。
3.变推力发动机有多种实现方案，其中流量定位同轴可调针栓喷注器结构简单、工作可靠性高，在变推力发动机领域应用广泛。流量定位同轴可调针栓喷注器研制优化过程需要进行大量的热试车验证，通过液流试验将喷注器状态调整到满足设计要求是热试车验证充分性、有效性的基础，行之有效的流量定位同轴可调针栓喷注器液流试验方法是推力室顺利研制和飞行产品状态控制的必要保障措施。
4.通过液流试验将针栓喷注器状态调整到设计状态是流量定位同轴可调针栓喷注器研制的关键所在，即通过液流试验中模拟喷注器工作状态的受力情况以及测量针阀的位置是液流试验的基础。非海平面大气环境工作的发动机，液流试验时海平面大气环境压强与实际工作环境压强不同，以往通过抽真空的方法进行环境压强模拟，抽真空方法试验成本高且难以实现绝对压强为零，调整的精度低，无法准确保证液流实验的准确性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有通过液流试验模拟喷注器工作状态和受力情况时，以往通过抽真空的方法进行环境压强模拟的试验成本高、难以实现绝对压强为零，且调整的精度低的问题，而提供了一种流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1、将流量定位同轴可调针栓喷注器推力室中的燃烧室更换为液流试验用反压仓，同时在针阀上预留连接接口；步骤2、将位移测量工装通过针阀上预留连接接口连接，使位移测量工装与针阀同步运动；步骤3、计算针阀上的作用力；步骤4、选取包含发动机工作中的最高工况点、最低工况点及其他不少于5个的工况点进行液流试验，液流试验按从最高工况到最低工况再到最高工况的顺序连续进行，计
算发动机在其中一个工况点下弹簧的压缩量
∆
t；步骤5、利用反压仓模拟发动机工作的工况，使反压仓压强等于发动机工作时工况点的发动机燃烧室压强pc，进行液流试验，计算液流试验时弹簧的压缩量
∆
t＇；步骤6、比较发动机工作状态下弹簧压缩量
∆
t与液流试验时弹簧压缩量
∆
t＇，判断液流试验中针阀的位置与实际工作状态时是否相同；若
∆
t=
∆
t＇，则pa=pb，液流试验中针阀的位置与实际工作状态时相同，完成发动机在该工况点的液流试验，执行步骤8；pa为液流试验时环境压强；pb为发动机工作状态的环境压强；如
∆
t≠
∆
t＇，则pa≠pb，执行步骤7；步骤7、增加反压仓的压力，使得液流试验中针阀的位置与实际工作状态时相同，完成发动机在该工况点的液流试验；步骤8、返回步骤4，直至完成发动机所有工况点的液流试验。
7.进一步地，步骤3具体为：3.1、计算针阀在弹簧作用下产生的向下作动力f0：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，k为弹簧刚度；
∆
t为弹簧压缩量；
∆
to为弹簧初始压缩量；3.2、计算环境压力产生的向上作动力f 1：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，pb为发动机工作状态的环境压强；d5为针阀密封槽上端直径；d6为针阀大端外径；3.3、计算外圈推进剂喷前腔压力产生的向上作动力f2：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，p
ihf
为外圈推进剂喷前腔压强；d2为针阀喷注直径；d3为针阀密封槽下端直径；3.4、计算燃烧室压产生的向上作动力f 3：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，pc为燃烧室的压强；d1为针阀小端内径；3.5、计算环境压力产生的向下作动力f 4：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，d4为针阀大端内径。
8.进一步地，步骤4具体为：4.1、发动机工作状态下，随工况调节燃烧室压力变化，引起f2、f3作动力变化，针阀受力不平衡，在不平衡力驱动下针阀发生运动，针阀运动引起弹簧压缩量
∆
t变化，当弹簧压缩量调整到针阀受力平衡，满足：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6） 将公式（1）~（5）代入公式（6）中，可得：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）；4.2、由于外圈推进剂喷前腔压强p
ihf
为燃烧室的压强pc和外圈喷注压强变化量
∆
p
ihf
之和，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）代入公式（7）可得：
ꢀꢀ
（9）代入已知数据，可计算得到发动机工作状态下，弹簧压缩量
∆
t。
9.进一步地，步骤5具体为：液流试验时环境压强为pa，针阀受力平衡时满足：
ꢀꢀ
（10）代入已知数据，可计算得到液流试验时弹簧压缩量
∆
t＇。
10.进一步地，步骤7具体为：7.1、反压仓增加的压强
∆
pc为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）代入针阀受力平衡公式（7）可得：
ꢀꢀ
（12）；7.2、求解增压后的弹簧压缩量
∆
t
″
，若
∆
t
″
=
∆
t，则液流试验中针阀的位置与实际工作状态时相同，完成发动机在该工况点的液流试验；若
∆
t
″
≠
∆
t，返回步骤7.1，直至液流试验中针阀的位置与实际工作状态时相同。
11.进一步地，步骤1中：反压仓与壳体螺栓连接，且反压仓与壳体之间设有密封圈；反压仓的底部设有反压仓水出口，反压仓水出口安装有调节阀，液流试验时通过调节调节阀，模拟发动机不同工作状态的燃烧室压力。
12.与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：1、本发明提出的流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法，在海平面大气环境下进行液流试验，通过将针栓喷注器变推力发动机的燃烧室更换为反压仓，模拟不同工况下的针阀的受力平衡状态，该方法简单、易操作，试验成本大幅降低且调整的精度更高，完成流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验，能够保证推力室顺利研制、飞行产品状态的有效控制。
13.2、本发明提出的流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法，通过位移测量工装检测的结构，针阀位移即弹簧压缩量，解决了针阀、弹簧等零件均在喷注器内部，无法直接测量针阀位移或弹簧压缩量的问题，该方法结构简单、测量精度高、易实施。
14.3、本发明提出的流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法，可以高效、经济地检测针阀受力状态是否达到设计要求。对于处在研制过程中的喷注器，将针阀受力状态
调整到设计目标值是方案验证有效性的前提条件，可以保证喷注器的快速研制。对于状态已经确定的喷注器，该方法作为一种检测方法，用于检测喷注状态，保证用于飞行的喷注器的性能一致性。
附图说明
15.图1为本发明液流试验方法实施例中适用的流量定位同轴可调针栓喷注器推力室结构示意图；图2为本发明流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法实施例的流程图；图3为本发明流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法实施例的反压仓安装示意图；图4为本发明实施例中针阀受力示意图；附图标记：1-中心筒，2-针阀，3-调节垫，4-弹簧，5-压环，6-壳体，7-垫片，8-位移测量工装，9-小密封圈，10-大密封圈，11-密封圈，12-螺母，13-螺栓，14-反压仓，15-接管嘴，16-反压仓水出口，17-石墨密封环，18-燃烧室。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
17.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.如图1所示，流量定位同轴可调针栓喷注器推力室，针栓喷注器的中心筒1同轴设置在燃烧室18的上方，中心筒1端头上开设中心路喷注孔对准燃烧室18。中心筒1通过压环5固定在壳体6上，中心筒1与压环5间安装垫片7，垫片7用于调节中心路喷注孔面积。
19.针阀2安装于中心筒1和壳体6之间，中心筒1与针阀2设有小密封圈9、针阀2与壳体6之间大密封圈10，用于密封推进剂；弹簧4安装于中心筒1和针阀2之间，弹簧4的上端设有调节垫3，用于调整弹簧4初始压缩量。燃烧室18与壳体6通过螺栓13和螺母12连接，燃烧室18与壳体6之间的密封设置有石墨密封环17。
20.外圈推进剂通过接管嘴15进入燃烧室18，中心路推进剂通过中心筒1进入燃烧室18，两种推进剂在燃烧室18内燃烧产生压力。
21.推力室工作时，随工况调节燃烧室18压力发生变化，引起针阀2受力不平衡，在不平衡力驱动下针阀2发生运动，针阀2运动引起弹簧4压缩，当弹簧4压缩量调整到针阀2受力平衡时，针阀2稳定在新的位置。本发明利用针阀2受力平衡的原理，进行流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验。
22.如图2所示，流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法，包括以下步骤：步骤1、将流量定位同轴可调针栓喷注器推力室中的燃烧室18更换为液流试验用的反压仓14，同时在针阀2上预留螺纹连接接口；如图3所示，反压仓14与壳体6通过螺栓13连接，且反压仓14与壳体6之间设有密封圈11，保证反压仓14与壳体6之间不会渗漏；反压仓14的底部设有反压仓水出口16，液流试验时水通过反压仓水出口16流出，在反压仓水出口16安装调节阀，调整调节阀可改变反压仓的压力，可模拟不同工作状态的燃烧室18压力。
23.步骤2、将位移测量工装8通过针阀2上预留螺纹连接接口，位移测量工装8与针阀2同步运动，通过位移测量工装8的位移即可获得针阀2的位移。
24.步骤3、分别计算针阀2上的作用力；如图4所示，针阀2上的作用力包括弹簧向下作动力f0、环境压力产生的向上作动力f 1、外圈推进剂喷前腔压力产生的向上作动力f2、燃烧室压产生的向上作动力f 3以及环境压力产生的向下作动力f 4。
25.3.1、计算针阀2在弹簧4作用下产生的向下作动力f0：
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（1）其中，k为弹簧刚度；
∆
t为弹簧压缩量；
∆
to为弹簧初始压缩量。
26.3.2、计算环境压力产生的向上作动力f 1：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，pb为发动机工作状态的环境压强；d5为针阀密封槽上端直径；d6为针阀大端外径；3.3、计算外圈推进剂喷前腔压力产生的向上作动力f2：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，p
ihf
为外圈推进剂喷前腔压强；d2为针阀喷注直径；d3为针阀密封槽下端直径；3.4、计算燃烧室压产生的向上作动力f 3：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，pc为燃烧室18的压强；d1为针阀小端内径；3.5、计算环境压力产生的向下作动力f 4：
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（5）其中，d4为针阀大端内径。
27.步骤4、选取包含发动机工作中的最高工况点、最低工况点及其他不少于5个的工况点进行液流试验，液流试验按从最高工况到最低工况再到最高工况的顺序连续进行，计算发动机在其中一个工况点下弹簧4的压缩量
∆
t；4.1、发动机工作状态下，推力室工作时，随工况调节燃烧室18压力变化，引起f2、f3作动力变化，针阀2受力不平衡，在不平衡力驱动下针阀2发生运动，针阀2运动引起弹簧4压缩量
∆
t变化，当弹簧4压缩量调整到针阀2受力平衡，满足：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）
ꢀ
将公式（1）~（5）代入公式（6）中，可得：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）4.2、由于外圈推进剂喷前腔压强p
ihf
为燃烧室18的压强pc和外圈喷注压强变化量
∆
p
ihf
之和，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）代入公式（7）可得：
ꢀꢀ
（9）代入已知数据，可计算得到发动机工作状态下，弹簧4压缩量
∆
t。
28.步骤5、利用反压仓14模拟发动机工作的不同工况，使反压仓14压强等于发动机工作时工况点的发动机燃烧室18压强pc，进行液流试验，计算液流试验时弹簧的压缩量
∆
t＇；假设液流试验时环境压力为pa，针阀2受力平衡时满足：
ꢀꢀ
（10）代入已知数据，可计算得到液流试验时，弹簧4压缩量
∆
t＇。
29.步骤6、比较发动机工作状态下弹簧4压缩量
∆
t与液流试验时弹簧4压缩量
∆
t＇，判断液流试验中针阀2的位置与实际工作状态时是否相同；若
∆
t=
∆
t＇，则pa=pb，则液流试验中针阀2的位置与实际工作状态时相同，完成发动机在该工况点的液流试验，进入步骤8；如
∆
t≠
∆
t＇，则pa≠pb，则进入步骤7；步骤7、增加反压仓14的压力，使得液流试验中针阀2的位置与实际工作状态时相同； 7.1、反压仓14增加的压强
∆
pc为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）代入针阀2受力平衡公式（7）可得：
ꢀꢀ
（12）7.2、求解增压后的弹簧压缩量
∆
t
″
，若
∆
t
″
=
∆
t，则液流试验中针阀2的位置与实际工作状态时相同，完成发动机在该工况点的液流试验。通过液流试验有效检测流量定位同轴可调针栓喷注器状态；若
∆
t
″
≠
∆
t，返回步骤7.1，直至液流试验中针阀的位置与实际工作状态时相同。
30.步骤8、返回步骤4，直至完成发动机所有工况点进行液流试验，评估产品状态是否满足要求，液流试验按从最高工况到最低工况再到最高工况的顺序连续进行。
31.液流试验时先调节反压仓14的压力，当针阀2开始运动时同步调节水流量，保证液流试验测试数据的准确性及一致性。试验进行不少于3遍，3遍的试验数据散差应不大于3%。
32.当步骤6中
∆
t≠
∆
t＇，即pa≠pb时，也可以采用在壳体6预留密封接口，在针阀2的上腔形成密封腔，将密封腔的压力调整为发动机的工作环境压力，这样地面大气环境液流
试验时，对于针阀2来说，环境压力为发动机工作状态的环境压力。
33.本发明提出了一种应用于流量定位同轴可调针栓喷注器的液流试验方法，本液流试验方法操作便捷、易于掌握，并且可以精确获得所需测量参数，在流量定位同轴可调针栓喷注器研制过程中起到了关键作用。
34.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。