一种大流量液体输送系统频率特性试验系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种大流量液体输送系统频率特性试验系统，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的问题。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；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；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，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；试验台和主导管通过试验台主管路连接，蓄压器和节流组件均设置在试验台主管路上；水力激振系统出口连接至液体输送系统的燃烧室头腔或者主管路中。

【技术实现步骤摘要】
一种大流量液体输送系统频率特性试验系统
本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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。本技术的技术方案是：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，本技术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。本技术的优点为：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。本技术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，本技术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：本技术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为本技术的液流试验系统结构图；图2为本技术液体输送系统结构图；图3为本技术水力激振系统结构图。图4为本技术方法的流程框图；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技术的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术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。本技术给出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大流量液体输送系统频率特性试验系统，其特征在于：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)；所述液体输送系统(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)；所述水力激振系统(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)，所述第一节流圈(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；所述试验台(14)和主导管(6)通过试验台主管路(15)连接，所述蓄压器(4)和节流组件(3)均设置在试验台主管路(15)上；所述水力激振系统(2)出口连接至液体输送系统(1)的燃烧室氧化剂头腔(8)中。

【技术特征摘要】
1.一种大流量液体输送系统频率特性试验系统，其特征在于：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)；所述液体输送系统(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)；所述水力激振系统(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)，所述第一节流圈(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；所述试验台(14)和主导管(6)通过试验台主管路(15)连接，所述蓄压器(4)和节流组件(3)均设置在试验台主管路(15)上；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘上，张兴军，程晓辉，陈炜，赵瑞国，吕鹏翾，徐云飞，张琳，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61