用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统

摘要

本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，属于固体火箭发动机多相流中微纳颗粒在线粒径测量及同步收集领域。本发明包括收集气道、分流器、高压金属软管和加压桶；分流器负责将加压的液体分为多路后分别通入扇形喷头；高压金属软管用于高压液体输运；加压桶用于贮存和加压喷射液体；收集气道用于喷射液体来收集固体发动机羽流中的高温高速多相流中的微纳颗粒。本发明能够实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集，有下述优点：将高速喷出的多相流中微纳米颗粒迅速减速，避免高速颗粒轰击在设备壁面；将喷出的多相流中高温颗粒迅速降温，避免高温颗粒与外界气体接触二次反应；能够收集到足量不同粒径和状态的颗粒。

说明书

技术领域

本发明属于固体火箭发动机多相流中微纳颗粒在线粒径测量及同步收集领域，涉及用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统。

背景技术

在固体火箭发动机含铝推进剂测试中，由于无法描述颗粒在喷管内部的碰撞过程且无法完全模拟燃烧室的真实情况，因此为了测试推进剂中铝颗粒燃烧以及团聚情况，常测试喷出喷管的燃气多相流中残渣颗粒的粒径作为参考，常使用的测试设备为激光粒度仪，发动机实际工作时，喷口的出口速度能达到1km/s以上，由于激光粒度仪的识别速度有限，且激光粒度仪仅能测试一条线上颗粒的粒径，测量对象有限，因此结果可信度较低。为了验证粒度仪结果的准确性，可将燃烧产物收集后使用电镜获得产物颗粒粒径分布。固体发动机喷出的燃气具有高温高速的特点，且容易喷射并附着在设备表面，收集难度较大，目前涉及到该种情况的燃气中颗粒收集方式较少。

发明内容

本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统要解决的技术问题是：实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集，且具有下述优点：(1)将高速喷出的多相流中微纳米颗粒迅速减速，避免高速颗粒轰击在设备壁面；(2)将喷出的多相流中高温颗粒迅速降温，避免高温颗粒与外界气体接触引发二次反应；(3)能够收集到足量不同粒径和状态的颗粒。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统包括收集气道、分流器、高压金属软管和加压桶。所述的分流器负责将加压的液体分为多路后分别通入扇形喷头；高压金属软管用于高压液体输运；加压桶用于贮存和加压喷射液体。所述的收集气道用于喷射液体来收集固体发动机羽流中的高温高速多相流中的微纳颗粒；收集气道包括接发动机套筒、卡盖、激光套筒、定位套筒、支架、六角螺钉、垫片、六角螺母、转接套筒、收集套筒、密封盖、收集槽、螺纹转接头、内六角螺钉、垫片、压盖、喷头转接、扇形喷头、大六角螺钉和垫板。所述的接发动机套筒为圆环型结构，一端用于接固体火箭发动机，另一端为法兰结构，在接发动机套筒靠近接发动机处焊接有用于连接卡盖的环形凸台。卡盖用于将激光套筒固定在接发动机套筒上。定位套筒通过螺纹连接在激光套筒上，定位套筒还具有连接激光粒度仪的螺纹结构，螺纹结构分别连接激光粒度仪激光发射端和接收端，激光粒度仪用于在线测高温高速多相流中微纳颗粒的粒度，激光粒度仪发射的激光光路穿过接发动机套筒的环形凸台、卡盖和激光套筒构成内部空腔，即实现保证使激光粒度仪发射的激光免收外界光源影响，且避免外界气流对羽流的影响；所述的支架通过大六角螺钉和垫板固定接发动机套筒和收集套筒，垫板上具有通孔和螺纹孔，穿过垫板通孔的螺钉又穿过支架滑槽连接至套筒上的螺纹孔，连接至垫板上螺纹孔的螺钉先穿过支架滑槽，而后连接至垫板上螺纹孔；且支架底端有沉孔通孔，六角螺钉能够在支架上的滑槽滑动，用于调节各套筒高度；且支架底端有通孔，用于通过螺钉将收集气道固定在试车台上。所述的转接套筒为变径结构，用于防止大径端扇形喷头喷出的水幕轰击在管道壁面产生的液滴弹回接发动机套筒左端的接激光套筒处，同时实现颗粒收集和激光粒度仪在线测粒度，测试互不干涉；转接套筒大小径端均有法兰结构。所述收集套筒为圆环型结构，两端开口，一端有法兰结构，在互不干涉的外壁面各处上安装有N1个均匀分布的扇形喷头，套筒下端开有通孔，通孔外焊接有能放置收集槽的导轨，收集槽覆盖收集套筒下端的通孔，固体火箭发动机喷出的高温高速多相流中微纳颗粒轰击在扇形喷头喷出的液体水幕上，带有微纳颗粒的液体通过收集套筒下端的通孔最终流入到收集槽中，达到收集高温高速多相流中微纳颗粒目的。从而实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集。发动机羽流经过水幕吸收后能够减少烟气和颗粒物，减少轰击到设备表面的烟气和颗粒，增加设备寿命。

作为优选，激光粒度仪位置和扇形喷头间隔较大且有台阶阻隔，实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集互不干涉。

作为优选，根据实际情况改变液体种类和加压压力，从而改变液体的出口速度，以适应不同状态的颗粒。

作为优选，根据实际情况选择不同位置和数量N1的扇形喷头，改变水幕数量和位置，实现最佳收集效果。

作为优选，为了避免颗粒沉积在缝隙中，所述收集槽底面优选弧面。

本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统的装配方法为：先组装收集气道，将接发动机套筒、转接套筒和收集套筒首尾放置，使接发动机套筒和收集套筒的分别接卡盖和密封盖的凸出结构处于同一平面，并使用六角螺钉，垫片和六角螺母固定，随后将喷头转接焊接在收集套筒预留孔位处，再将扇形喷头拧到螺纹转接头上，随后将部件放在喷头转接凸台内，盖上压盖，旋转扇形喷头，使扇形喷头喷出的扇形水幕平行于收集套筒的桶端面，随后使用内六角螺钉和垫片将压盖压紧，使扇形喷头不能转动，安装好所有扇形喷头后，使用卡盖将激光套筒固定在接发动机套筒两端，拧上定位套筒，随后将连接好的气道放在三个支架上，使用大六角螺钉和垫板固定气道，即就组成完整的收集气道。随后组装加压桶，将泄压阀，压力表和常闭电磁阀分别通过螺纹连接液体容器桶对应螺纹孔处，将收集使用的液体通过堵头处预留的孔处注入液体容器桶，随后使用堵头密封，加压桶装配完成。随后使用高压金属软管一端连接至收集气道上的螺纹转接头，根据实际需要的扇形喷头数量和位置选择管路连接，另一端连接至分流器，在使用一根高压金属软管连接分流器液体入口和加压桶上的常闭电磁阀的出口，最后将加压气体钢瓶通过减压阀和高压金属软管连接至加压桶上端螺纹口处，即组成完整的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统。

本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统的工作方法为：先将接发动机套筒前端连接至固定在推力台上的固体火箭发动机，然后将收集使用的液体从堵头预留的孔注入加压桶内，随后使用堵头密封，再将高压气体通入加压桶内，待加压桶内压力稳定后，常闭电磁阀通电，阀门打开，液体通过高压金属软管到达分流器后，被分成多路，随后从扇形喷头高速喷出，在高压作用下形成多道扇形水幕。打开激光粒度仪，用于高温高速多相流中微纳颗粒的在线测试。随后发动机点火，推进剂燃烧产生的高温高压多相流从喷口高速喷出并轰击在扇形喷头喷出的多道扇形水幕上，高温高压多相流中微纳颗粒的温度和速度迅速降低，避免高温高速多相流中微纳颗粒粒轰击在设备壁面，避免高温颗粒与外界气体接触发生二次反应，在数道扇形水幕的作用下，大多数推进剂燃烧产生的高温高压微纳颗粒被减速降温；微纳颗粒随液体水幕通过收集套筒下端的通孔最终流入到收集槽中，达到收集高温高速多相流中微纳颗粒目的；此外，发动机羽流经过水幕吸收后烟气和颗粒物大大减少，减少轰击到设备表面的烟气和颗粒，增加设备寿命。待发动机工作完毕后关闭电磁阀电源，将收集槽中的液体混合物收集，打开泄压阀，释放加压桶内气体排除压力，释放完毕后打开堵头，随后给常闭电磁阀通电，回收剩余液体，随后清洗收集气道，防止设备锈蚀。最后将桶内将液体蒸发，得到多相流中微纳颗粒，使用电镜测试颗粒粒径，即实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集，提高粒径测试效率。

用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统主要由收集气道，分流器，高压金属软管和加压桶组成，结构简单；且能够根据实际情况改变液体种类和加压压力，从而改变液体的出口速度，以适应不同状态的颗粒，适应性和可塑性强。

有益效果：

1.本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，在扇形喷头和固体火箭发动机之间有连接粒度仪在线测粒度的激光套筒，在激光套筒与扇形喷头之间还有变径结构，减小轰击到收集装置壁面反弹并回流的液滴对激光的影响，可同时进行在线测粒度和收集颗粒测粒度，两者互不干涉，结果可两相验证，提高测试效率和可信度，实现微纳颗粒的粒径在线同步测试和收集。

2.本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，采用压缩气体对液体加压，加压后的液体从高压扇形喷头喷出，出口速度超过100m/s，与离喷管一定距离处喷出的燃气速度相近，有助于水幕吸附烟气和颗粒，提高收集效率。

3.本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，可根据实际情况改变加压压力，从而改变液体的出口速度，以适应不同速度的颗粒，且可选择不同位置和数量的扇形喷头，改变水幕数量和位置，达到不同的收集效果，适应性和可塑性强。

4.本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，高温高速多相流经过水幕吸收后烟气和颗粒物大大减少，轰击到设备表面的烟气和颗粒减少，设备寿命较高。

5.本发明公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，主要由收集气道，分流器，高压金属软管和加压桶组成，结构简单，可靠性和适用性高。

附图说明

图1为喷射装置整体结构示意图；

图2为收集气道结构示意图；

图3为收集气道A-A剖面结构示意图；

图4为收集气道A-A剖面局部视图I；

图5为收集气道B-B剖面结构示意图；

图6为收集气道B-B剖面局部视图II；

图7为加压桶结构示意图；

图8为加压桶C-C剖面结构示意图；

其中，1-接发动机套筒、2-卡盖、3-激光套筒，4-定位套筒，5-支架，6-六角螺钉，7-垫片，8-六角螺母，9-转接套筒，10-收集套筒，11-密封盖，12-收集槽，13-螺纹转接头，14-内六角螺钉，15-垫片，16-压盖，17-喷头转接，18-扇形喷头，19-大六角螺钉，20-垫板，21-泄压阀，22-压力表，23-液体容器桶，24-常闭电磁阀，25-堵头。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图示对本发明的具体实施方式来进一步说明。

实施例1：

本实施例的目的通过下述技术方案实现。

本实施例公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统包括收集气道A、分流器B、高压金属软管C和加压桶D，如图1所示。所述的分流器B负责将加压的液体分为多路后分别通入扇形喷头；金属软管C用于高压液体输运；加压桶D用于贮存和加压喷射液体。所述的收集气道A用于喷射液体来收集固体发动机羽流中的高温高速多相流中的微纳颗粒；收集气道A包括长500mm，内径为150mm的接发动机套筒1、卡盖2、激光套筒3、定位套筒4、支架5、六角螺钉6、垫片7、六角螺母8、转接套筒9、长500mm，内径为207mm的收集套筒10、密封盖11、收集槽12、螺纹转接头13、内六角螺钉14、垫片15、压盖16、喷头转接17、孔径0.66mm，角度110°的扇形扇形喷头18、大六角螺钉19和垫板20，如图2、3、4和6所示。所述的接发动机套筒1为圆环型结构，一端用于接固体火箭发动机，另一端为法兰结构，在接发动机套筒1靠近接发动机处焊接有用于连接卡盖2的环形凸台。卡盖2用于将激光套筒3固定在接发动机套筒1上。定位套筒4通过螺纹连接在激光套筒3上，定位套筒4还具有连接激光粒度仪的螺纹结构，螺纹结构分别连接激光粒度仪激光发射端和接收端，激光粒度仪用于在线测高温高速多相流中微纳颗粒的粒度，激光粒度仪发射的激光光路穿过接发动机套筒1的环形凸台、卡盖2和激光套筒3构成内部空腔，即实现保证使激光粒度仪发射的激光免收外界光源影响，且避免外界气流对羽流的影响，如图2所示；所述的支架5通过大六角螺钉19和垫板20固定接发动机套筒1和收集套筒10，垫板上具有通孔和螺纹孔，穿过垫板通孔的螺钉又穿过支架滑槽连接至套筒上的螺纹孔，连接至垫板上螺纹孔的螺钉先穿过支架滑槽，而后连接至垫板上螺纹孔，如图5和6所示；且支架5底端有沉孔通孔，六角螺钉能够在支架5上的滑槽滑动，用于调节各套筒高度；且支架5底端有通孔，用于通过螺钉将收集气道A固定在试车台上。所述的转接套筒9为变径结构，用于防止大径端扇形喷头喷出的水幕轰击在管道壁面产生的液滴弹回接发动机套筒1左端的接激光套筒3处，可同时实现颗粒收集和激光粒度仪在线测粒度，测试互不干涉；转接套筒9大小径端均有法兰结构。所述收集套筒10为圆环型结构，两端开口，一端有法兰结构，在互不干涉的外壁面各处上安装有12个均匀分布的扇形喷头18，套筒下端开有通孔，通孔外焊接有能放置弧面的收集槽12的导轨，收集槽12覆盖收集套筒10下端的通孔，固体火箭发动机喷出的高温高速多相流中微纳颗粒轰击在扇形喷头18喷出的液体水幕上，带有微纳颗粒的液体通过收集套筒10下端的通孔最终流入到收集槽12中，达到收集高温高速多相流中微纳颗粒目的。从而实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集。发动机羽流经过水幕吸收后烟气和颗粒物大大减少，减少轰击到设备表面的烟气和颗粒，增加设备寿命。

本实施例公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统的装配方法为：先组装收集气道A，将接发动机套筒1、转接套筒9和收集套筒10首尾放置，使接发动机套筒1和收集套筒10的分别接卡盖2和密封盖11的凸出结构处于同一平面，并使用六角螺钉6，垫片7和六角螺母8固定，随后将喷头转接17焊接在收集套筒10预留孔位处，再将12个扇形喷头18拧到螺纹转接头13上，随后将部件放在喷头转接17凸台内，盖上压盖16，旋转扇形喷头18，使扇形喷头18喷出的扇形水幕平行于收集套筒10的桶端面，随后使用内六角螺钉14和垫片15将压盖16压紧，使扇形喷头18不能转动，安装好所有扇形喷头18后，使用卡盖2将激光套筒3固定在接发动机套筒1两端，拧上定位套筒4，随后将连接好的气道放在三个支架上，使用大六角螺钉19和垫板20固定气道，即组成完整的收集气道A。随后组装加压桶D，加压桶D的内径为199mm，高600m，最大容量为42L；将泄压阀21，压力表22和常闭电磁阀24分别通过螺纹连接液体容器桶23对应螺纹孔处，将收集使用的液体通过堵头25处预留的孔处注入液体容器桶23，随后使用堵头25密封，加压桶D装配完成，如图7和8所示。随后使用高压金属软管C一端连接至收集气道A上的螺纹转接头13，根据实际需要的扇形喷头18数和位置选择管路连接，另一端连接至分流器B，在使用一根高压金属软管C连接分流器B液体入口和加压桶D上的常闭电磁阀24的出口，最后将加压气体钢瓶通过减压阀和高压金属软管C连接至加压桶D上端螺纹口处，即组成完整的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统，如图1所示。

本实施例公开的用于多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集系统的工作方法为：先将接发动机套筒1前端连接至固定在推力台上的燃烧室内径Φ＝60mm的固体火箭发动机，然后将收集使用的液体从堵头25预留的孔注入加压桶D内，随后使用堵头25密封，再将3.5MPa-5.0MPa压力的氮气通入加压桶D内，待加压桶D内压力稳定后，设置常闭电磁阀24通电时间为8s，通电后阀门打开，液体通过高压金属软管C到达分流器D后，被分成多路，随后从扇形喷头18高速喷出，在高压作用下形成多道扇形水幕。打开激光粒度仪，用于高温高速多相流中微纳颗粒的在线测试。随后发动机点火，发动机工作时间为3s，推进剂燃烧产生的高温高压多相流从喷口高速喷出并轰击在扇形喷头18喷出的多道扇形水幕上，高温高压多相流中微纳颗粒的温度和速度迅速降低，避免高温高速多相流中微纳颗粒粒轰击在设备壁面，避免高温颗粒与外界气体接触发生二次反应，在数道扇形水幕的作用下，大多数推进剂燃烧产生的高温高压微纳颗粒被减速降温；微纳颗粒随液体水幕通过收集套筒10下端的通孔最终流入到收集槽12中，达到收集高温高速多相流中微纳颗粒目的；此外，发动机羽流经过水幕吸收后烟气和颗粒物大大减少，减少轰击到设备表面的烟气和颗粒，增加设备寿命。待发动机工作完毕后关闭电磁阀电源，将收集槽中的液体混合物收集，打开泄压阀21，释放加压桶D内气体排除压力，释放完毕后打开堵头25，随后给常闭电磁阀24通电，回收剩余液体，随后清洗收集气道A，防止设备锈蚀。最后将桶内将液体蒸发，得到多相流中微纳颗粒，使用电镜测试颗粒粒径，即实现多相流中微纳颗粒的在线粒径测量及同步收集，提高了粒径测试效率。

以上所述的描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。