一种发动机静态点火试验导流槽及其应用

技术领域

本发明属于一种导流槽，具体涉及一种发动机静态点火试验导流槽及其应用。

背景技术

液体火箭发动机工作时会产生高温高速流体，需要特殊的导流设备引导高温高速流体，减少对自身的影响，常用的导流设备有导流锥和导流槽。一方面，传统导流设备的原材料局限于航天专用高温水泥和烧蚀复合材料等，成本较高，且施工周期长，在新型号火箭进行点火试验初期，试验需求较多，研制周期有所限制，现有的导流设备难以满足快速迭代的需求；另一方面，现有导流设备整体结构较为类似，对于结构细节的关注较少，若要使导流槽达到更好的导流效果，还有一定的进步空间。

发明内容

本发明针对现有导流设备受限于原材料要求，成本高，施工周期长，难以满足快速迭代的需求，以及导流效果还可以提高的技术问题，提供一种发动机静态点火试验导流槽及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提出一种发动机静态点火试验导流槽，包括冲刷段、过渡段和斜坡段；

所述过渡段的一端通过第一圆弧段与冲刷段平滑连接，另一端通过第二圆弧段与斜坡段平滑连接；通过冲刷段、过渡段和斜坡段形成导流槽槽体，所述导流槽槽体顶部设置有顶盖，顶盖上开设有泄压口；

所述过渡段与冲刷段之间的夹角，小于过渡段与斜坡段之间的夹角；

所述过渡段与冲刷段之间的夹角，以及过渡段与斜坡段之间的夹角均为钝角；

所述冲刷段上安装有强度板。

进一步地，所述导流槽槽体底部到发动机的喷管出口长度等于0.5倍可见火焰长度。

进一步地，所述过渡段与冲刷段之间的夹角通过以下方法确定：

其中，A表示导流槽槽体深度，B表示可见火焰在冲刷段上覆盖范围的直径。

进一步地，所述过渡段与斜坡段之间的夹角为110-135°。

进一步地，所述第一圆弧段的圆弧半径和第二圆弧段的圆弧半径均为1m。

进一步地，所述冲刷段顶部和斜坡段顶部平齐；

所述导流槽槽体宽度C为2-3倍可见火焰在冲刷段上覆盖范围的直径B。

进一步地，所述过渡段与冲刷段之间的夹角为115°，所述过渡段与斜坡段之间的夹角为140°。

进一步地，所述第一圆弧段的圆弧半径等于第二圆弧段的圆弧半径。

第二方面，本发明提出一种上述发动机静态点火试验导流槽在3.5t级别发动机静态点火试验中的应用。

进一步地，所述导流槽深度为2m。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出一种发动机静态点火试验导流槽，从受箭体冲刷的方法依次设置冲刷段、过渡段和斜坡段，冲刷段直对火箭尾焰，用于初步降速，内嵌入钢板可以避免火焰直击混凝土基础，产生碎渣翻卷，过渡段为平直线，允许火焰进一步膨胀降速，斜坡段为导流口，通向空旷区域，减少对箭体及设备的冲刷，通过设置第一圆弧段和第二圆弧段，使箭体羽流能够在冲刷段、过渡段和斜坡段依次顺畅流过，顶盖上开设泄压口，保证点火瞬时消除反压，使气流可沿导流槽槽体壁面流动，使各段能够充分发挥自身的结构优势。另外，过渡段和冲刷段之间的夹角小于过渡段与斜坡段之间的夹角，这样可以减小阻力，避免产生激波，使得膨胀的流体可以顺畅流出，本发明的导流槽获得了更佳的导流效果。冲刷段上安装强度板，能够解决当前直接在地面水泥表面上施工得到的导流槽，表面容易受损、材料要求高的问题，能进一步提高导流槽的使用寿命和使用效果，同时，不再受限于高要求的原材料，易于进行快速迭代。

2.过渡段与冲刷段之间的夹角为115°，所述过渡段与斜坡段之间的夹角为140°，经仿真计算验证，该结构参数组合设计，针对3.5t级别发动机静态点火试验，导流效果更佳，温度分布和流体速度的效果更佳。

3.本发明中第一圆弧段的圆弧半径等于第二圆弧段的圆弧半径，便于施工。

4.本发明还提出了上述发动机静态点火试验导流槽在3.5t级别发动机静态点火试验中的应用，经仿真验证，本发明的结构设计在3.5t级别发动机静态点火试验中，优势能够被最大化放大，效果可达最佳。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例一的示意图；

图2为实施例三中导流槽内流场温度示意图；

图3为实施例三中导流槽内和箭体轴线切面速度云图；

图4为实施例三中导流槽压力云图；

图5为计算导流槽壁面的强制对流换热时采用的平板绕流模型示意图；

图6为实施例三中导流槽内对流换热温度云图；

图7为实施例三中冲刷段上钢板对流换热壁厚截线温度分布图；

图8为实施例三中导流槽内混凝土区域截线厚度温度分布图。

其中：1-冲刷段、2-过渡段、3-斜坡段、4-第一圆弧段、5-第二圆弧段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

发动机静态点火试验，是通过不同的试验装置，如结构试验架、高精度试验架和离心过载试验架等，将发动机固定在发动机试验台体上，发动机点火工作，获得发动机的推力、压力、温度和应变等参数，在整个点火过程中，发动机相对于试验台处于静止状态。通过反复多次的静态点火试验，对发动机进行反复优化设计。在进行静态点火试验时，需要在箭体下方设置导流槽，对箭体的羽流进行导流，本发明针对现有导流槽结构设计不够合理的技术问题，对导流槽结构和参数进行优化。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

如图1所示，一种发动机静态点火试验导流槽，包括冲刷段1、过渡段2和斜坡段3。其中，冲刷段1用于，过渡段2用于，斜坡段3用于。

过渡段2的一端通过第一圆弧段4与冲刷段1平滑连接，另一端通过第二圆弧段5与斜坡段3平滑连接，通过第一圆弧段4和第二圆弧段5，能够使发动机羽流从冲刷段1流至过渡段2，以及从过渡段2流至斜坡段3时，能够平滑流过，减小了流动阻力，避免羽流从此经过时产生激波。过渡段2与冲刷段1之间的夹角，小于过渡段2与斜坡段3之间的夹角。过渡段2与冲刷段1之间的夹角，以及过渡段2与斜坡段3之间的夹角均为钝角，便于火焰直喷冲刷段1后，羽流能够顺畅的的依次从冲刷段1、第一圆弧段4、过渡段2、第二圆弧段5和斜坡段3流过。另外，由于冲刷段1要直接面对火焰喷射，冲刷段1上安装有强度板，能够提高倒流槽的使用率，强度板的具体材质可进行调整，以保证冲刷段1直面火焰的能力和冲刷段1的使用质量为准，本发明不对强度板的具体材质进行限定。通过冲刷段1、过渡段2和斜坡段3形成导流槽槽体，导流槽槽体顶部设置有顶盖，顶盖上开设有泄压口，保证点火瞬时消除反压，使气流可沿导流槽槽体壁面流动。

本发明的导流槽虽然整体构型结构简单，但是通过冲刷段1、第一圆弧段4、过渡段2、第二圆弧段5和斜坡的结构设计，配合各段之间的参数关系设计，得到的导流槽整体结构，在发动机进行静态点火试验时，可以保证发动机羽流平顺通过，并使气体得到充分膨胀，且导流槽环境温度及气体速度适中。导流槽的各项尺寸参数，可以结合流场参数和传热进行计算和优化，用以简化导流槽的整体设计，保证导流槽的使用效果，进而降低成本。

实施例二

作为本发明一种发动机静态点火试验导流槽的一个优选实施例，对导流槽的结构参数进行了优化，具体的：

过渡段2与冲刷段1之间的夹角通过以下方法确定：

其中，A表示导流槽槽体深度，B表示可见火焰在冲刷段1上覆盖范围的直径。可见火焰喷射至冲刷段1上，会冲刷冲刷段上的部分区域，类似于一个圆形区域，就是可见火焰在冲刷段1上覆盖范围的直径。

导流槽槽体深度，具体可以采用以下方法确定：

导流槽槽体底部到发动机的喷管出口长度等于0.5倍可见火焰长度。只需结合试验时，发动机的喷管出口位置，即可最终确定导流槽槽体深度。本发明中所述的可见火焰，指试验时，发动机喷管出口喷射的火焰中，仅有部分有明显光亮，作为可见火焰。过渡段2与斜坡段3之间的夹角一般为110-135°，该角度设置的作用为导向，主要功能是将在导流槽槽体底部膨胀均匀的流体，导出到地面安全反向，坡度太大，容易阻塞产生激波，坡度太小斜坡段太长，施工不经济。通过三维流场计算该角度应当小于等于135°，保证气流通畅，导向明显，斜坡段3越平，气流流动越快，导流效率会更高，但是若过平，会大幅提高加工成本，因此，要兼顾气流流动顺畅性和加工成本。第一圆弧段4的圆弧半径为，第二圆弧段5的圆弧半径为，第一圆弧段4和第二圆弧段5的圆弧半径若加工的过小，会加大加工难度，若加工的过大，会使冲刷段1缩短，过渡段2增长，由于导流槽需要多次重复使用，会导致后期多次使用和维护不便，另外，在冲刷段1上安装加强板时，也不便安装。冲刷段1顶部和斜坡段3顶部平齐。导流槽深度为。

除上述设计效果以外，在设计导流槽的结构参数时，过渡段2和冲刷段1之间的夹角，可根据对冲刷段1被火焰冲刷时的火焰直径，以及导流槽槽深进行计算。另外，导流槽的深度可根据火焰长度进行计算设计。

实施例三

作为本发明一种发动机静态点火试验导流槽的一个实例，针对3.5吨级别发动机的静态点火试验，对导流槽的结构参数进行了针对性设计，具体的：过渡段2与冲刷段1之间的夹角为115°，在保障气流通畅，导向明显，施工经济的同时，还能增加裕度，过渡段2与斜坡段3之间的夹角为140°，第一圆弧段4的圆弧半径等于第二圆弧段5的圆弧半径，圆弧半径均为1m，为了导流，第一圆弧段4的圆弧半径不能太小，一般不能小于0.5倍冲刷直径(可见火焰在冲刷段1上覆盖范围的直径B)，以减小局部阻力，增强流体通过性。而第二圆弧段5的圆弧半径，除了考虑要降低流动阻力，还考虑了可以采用同样规格的模具进行施工，减小设备投入，便于模块化施工。冲刷段1顶部和斜坡段3顶部平齐，导流槽的深度为2m，导流槽槽体宽度C为2-3倍可见火焰在冲刷段1上覆盖范围的直径B，通过流场计算确定可见火焰冲刷直径，进而确定导流槽宽度为2-3倍可见火焰冲刷直径，一般在1.5-2.2m。导流槽槽体宽度指导流槽槽体内流体流动方向上的轴向距离。

对于3.5吨级别发动机的静态点火试验，发动机火焰入口为直径800mm的孔，导流槽顶盖预留直径50mm的泄压口(直径50mm)，保证点火瞬时消除反压，气流可沿导流槽内壁面流动，导流槽整体宽度为1750mm，强度板采用钢板，钢板通过M20螺钉安装在冲刷段1上，保证可拆卸，使用过程中对导流槽进行修补，达到导流槽多次使用的目的。实际应用中，发射场场坪采用混凝土施工方案，冲刷段1铺设3cm厚的高温合金钢，混凝土厚度可由热计算和强度计算确定。

导流槽的热计算可采用解耦策略，即流场计算+二维固体换热计算，先通过流场计算得到导流槽壁面环境参数，再借助对流换热计算导流槽内混凝土厚度方向温度分布，以此作为混凝土施工厚度设计输入。如下为具体计算实例：导流槽流场计算边界的入口总温为3599K，总压为6MPa，远场为环境压力出口边界条件，箭体壁面及地面为恒温壁(300K)边界条件。求解模型采用k-e模型，介质为发动机燃烧产物，考虑气体的可压缩性，采用稳态计算。

计算图2所示的导流槽内流场温度示意图，图3所示的导流槽内和箭体轴线切面速度云图，图4所示导流槽压力云图，从速度云图上可以看到流场稳定，流动附着在导流槽壁面，导流效果较好，无拥塞发生，该型面尺寸满足火箭静态点火使用。

经流场分析，导流槽壁面环境参数如表1所示：

表1导流槽壁面环境参数

考虑热流对导流槽壁面的强制对流换热，对流计算采用平板绕流模型进行计算，计算模型如图5所示，具体计算公式如下：

q

k表示导热系数，L表示特征长度，Pr表示普朗特数，Re表示雷诺数，h表示换热系数，T

图5中，U表示来流，L表示特征长度，即为冲刷段长度。

实施例三中，导流槽内部材料选用混凝土，实际使用时，冲刷段1、第一圆弧段4、过渡段2、第二圆弧段5和斜坡段3均采用混凝土施工得到，然后在冲刷段1的混凝土上覆盖钢板。选用的混凝土恒压热容为970J/(kg·K)，密度为3000kg/m3，导热系数为2.9W/(m·K)。

仿真计算结果如图6至图8所示，其中，图6为导流槽内对流换热温度云图，图7为冲刷段1上钢板对流换热壁厚截线温度分布图，图8为导流槽内混凝土区域截线厚度温度分布图。由于混凝土导热系数较低，热阻较大，热量很难传导进内部，在瞬态计算20s后，混凝土区域温度大于293K的区间厚度为2cm。

综合上述分析计算结果可知，导流槽内冲刷段1上覆盖的钢板厚度合适，最高温度在熔点以下。混凝土区域温度大于300K，区域厚度为20mm，地面安全系数取3～5，导流槽冲刷段1施工厚度一般不小于20cm，其他区域一般不小于10cm。在导流槽冲刷段1上方铺设一块钢板(约30mm厚)，减少发动机羽流对地面设备及箭体结构的换热及冲刷。

本发明基于火焰尺寸结合仿真计算进行设计，利用三维流场仿真计算得出高温高速流体热力参数，作为热设计输入参数，再利用二维热计算，计算导流槽冲刷段1上嵌入强度板(优选钢板)的厚度值，通过定期更换强度板来达到快速响应的目的，通过这种三维+二维的设计流程，可以快速的确定强度板的尺寸规格，使得设计工作也可以达到快速响应，故而有利于研发周期及成本的缩减。本发明的导流槽结构尺寸依据发动机火焰参数进行设计，通过流场计算及热计算确定冲刷段1防热强度板的厚度。该种防热处理简化了施工难度，降低了经济成本，通过更换强度板可以达到多次使用的效果。

因此，本发明设计的导流槽，结合导流槽结构和参数设计，获得了最优的结构结果。另外，本发明的导流槽也可用于其他吨位级别的发动机静态点火试验，只要使结构参数保证在本发明优选范围内的同时，进一步进行优化即可。本发明的导流槽不仅可用于静态点火试验，也可以应用于蚱蜢飞行试验导流等。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。