反壓環(huán)境艙的設計及在霧化實(shí)驗中的應用
液體火箭發(fā)動(dòng)機推進(jìn)劑的霧化是在較高或者很高壓力條件下進(jìn)行的。目前，噴嘴性能及霧化研究實(shí)驗通常是在1個(gè)大氣壓環(huán)境下進(jìn)行，這造成實(shí)驗得到的霧化性能與實(shí)際狀況有一定差異。為能子反壓環(huán)境下進(jìn)行噴嘴霧化實(shí)驗，在更新近于噴嘴工作的真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行噴嘴特性研究，進(jìn)一步提高噴嘴霧化研究的水平，設計了反壓環(huán)境艙。本文介紹反壓環(huán)境艙的設計及應用。
1、反壓環(huán)境艙技術(shù)參數及結構
1.1、技術(shù)參數
依據目前及今后一段時(shí)間液體火箭發(fā)動(dòng)機燃燒室單嘴的工作參數，考慮目前技術(shù)條件，選擇的反壓環(huán)境艙的設計參數如下：
空氣：m=0~1.8kg/s；
水：m=0~1kg/s；
反壓壓力：P=0.1~6MPa；
視窗直徑：φ110mm。
1.2、反壓環(huán)境艙結構
從使用性能和可操作性考慮，反壓環(huán)境艙包括艙蓋提升機構、艙體移動(dòng)機構、噴嘴調節裝置、氣幕隔離裝置、視鏡和散光裝置(整體外結構圖見(jiàn)圖1)等。
(1)艙蓋提升機構
反壓環(huán)境艙設計壓力為6.0MPa，內徑為φ280nm，罐高為800mm，材質(zhì)選用1Cr18Ni9T。艙蓋采用平板結構，螺栓連接方式。艙蓋開(kāi)有φ15mm通孔四個(gè)、φ6mm通孔兩個(gè)，供實(shí)驗介質(zhì)和艙體壓力測量用。艙蓋重量比較重，因此設計了梯型螺旋絲杠提升艙蓋。在絲杠兩側設計導向桿，以避免艙蓋上升過(guò)程中出現晃動(dòng)及偏斜。
(2)艙體移動(dòng)機構
環(huán)境艙自身重量重、體積大，為便于移動(dòng)將環(huán)境艙固定固定在可移動(dòng)的小車(chē)上，小車(chē)移動(dòng)采用活動(dòng)式腳輪，由自鎖機構完成位置固定。
(3)噴嘴調節裝置
噴嘴裝在環(huán)境艙蓋的中心，沿軸線(xiàn)向下噴射。噴嘴在反壓環(huán)境艙內需滿(mǎn)足：(1)噴嘴出口位置需在視鏡的三分之一處；(2)噴嘴能在夾具上360。轉動(dòng)，這樣有利于拍攝到噴霧場(chǎng)的最佳位置。由于噴嘴實(shí)驗型式、結構尺寸各不相同，為了滿(mǎn)足上述兩個(gè)位置條件，需設計能調節長(cháng)短并同時(shí)自鎖的噴嘴夾具。噴嘴夾具最大伸長(cháng)長(cháng)度為240mm，噴嘴夾具最小長(cháng)度為160mm，伸桿距離確定后由碟型螺母緊固鎖緊。噴嘴夾具固定盤(pán)設計成兩道環(huán)槽孔，噴嘴可在固定上根據所需方向旋轉固定。
(4)氣幕隔離裝置
由于噴嘴密閉在反壓環(huán)境艙內，細小液霧滴的彌散會(huì )影響測量。同時(shí)由于噴嘴流量的變化，噴嘴出口形成的霧錐有大有小，噴霧場(chǎng)大時(shí)，噴嘴噴射的霧滴有可能飛濺到觀(guān)察窗視鏡上，影響高速動(dòng)態(tài)分析系統對噴霧場(chǎng)拍攝圖像的效果。為了消除小部分霧滴對視鏡的影響，采用了如下措施：
�、偌娱L(cháng)觀(guān)察窗圓管的長(cháng)度，減少液滴飛濺到視鏡上的幾率；
�、谠O計氣幕隔離裝置，在霧場(chǎng)和視鏡之間形成一道氣幕簾。氣幕隔離裝置通入一定壓力、流量的空氣形成氣幕簾，有效地防止液滴噴濺到觀(guān)察窗視鏡上。圖2和圖3顯示了有無(wú)氣幕裝置觀(guān)察窗的效果比較。
(5)視鏡
高速動(dòng)態(tài)分析系統有側向片光源和背直光源兩種狀態(tài)動(dòng)態(tài)拍攝方式。為此反壓環(huán)境艙采用三面視窗結構，視鏡結構，視鏡的通光直徑為φ110mm，工作壓力為6.4MPa。圖4為反壓環(huán)境艙視鏡。
(6)散光設置
為了消除艙內里多種裝置對入射光的折射或反射，提高光場(chǎng)及攝影效果。設計了散光裝置，散光裝置如圖5
(7)安全措施
為實(shí)驗安全的進(jìn)行，反壓環(huán)境艙設置了安全泄壓裝置。艙內壓力如果超出安全使用壓力，安全閥將自動(dòng)開(kāi)啟并快速排出氣體來(lái)降低艙內的過(guò)高壓力。反壓環(huán)境艙底部都開(kāi)有φ25mm×2.5mm的壓力調控管路，管路上裝有流量調節閥來(lái)調節反壓艙內壓力值，通過(guò)流量調節閥對反壓壓力的調節，可完成不同壓力的反壓霧化實(shí)驗。
2、在反壓霧化實(shí)驗的應用
結合介質(zhì)供應系統、調節系統、測量系統和高速動(dòng)態(tài)分析系統，組成一套反壓環(huán)境霧化實(shí)驗系統可對噴嘴進(jìn)行反壓霧化實(shí)驗研究。
2.1、流量實(shí)驗
氣/氣噴嘴的流量特性受環(huán)境壓力影響較大，在艙內環(huán)境下進(jìn)行了氣/氣噴嘴實(shí)驗。實(shí)驗測試的參數包括：噴注壓降、流量以及艙壓壓力。在有氣液同軸直流離心噴嘴，使用高速動(dòng)態(tài)分析系統和環(huán)境艙在同一噴嘴壓降，不同艙壓環(huán)境下進(jìn)行了霧化實(shí)驗，噴霧數據如表2。
3、結論
為了進(jìn)行反壓環(huán)境下噴嘴特性試驗，設計并建造了反壓環(huán)境艙。反壓環(huán)境艙能提供模擬燃燒室的環(huán)境，完成噴嘴的反壓環(huán)境下流量與噴嘴實(shí)驗，主要特點(diǎn)有：
(1)環(huán)境艙的視鏡通光直徑達，直徑為φ110mm；
(2)環(huán)境艙能提供高的環(huán)境壓力，設計壓力為6.0MPa；
(3)環(huán)境艙操作方便。
結果證明反壓環(huán)境艙結構設計合理，能滿(mǎn)足多種噴嘴的流量和霧化實(shí)驗。
