离心式喷注器设计试制及采用该喷注器的微型液氧煤油发动机的设计与试验报告
黄彧
月都喷气,中国
地震带上的人 2019-9-15原创 喷气推进
关键词
离心式喷注器液氧煤油液体火箭发动机

首先,老规矩我老婆铃仙镇楼!!

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[修改于 3 个月前 - 2019-09-15 02:43:45]

来自 喷气推进
 
2
2019-9-15 02:54:34
地震带上的人(作者)
1楼

离心式喷注器的原理和理论由上世纪四十年代由苏联中央流体动力研究所研究员阿勃拉莫维奇提出,并在苏联的各液体火箭发动机上广泛应用。

工作原理为:液体经过喷注单元的切向孔进入旋流室后,会沿着壁面旋转,在此期间液体会因为离心力的作用,使其形成紧贴壁面旋转的液膜;在到达喷嘴的时候,由于惯性的作用,液膜会继续做圆周运动,然后从喷口喷出,在喷嘴前形成空心的伞状液膜,之后,液膜会因为自生的表面张力和重力等因素下破裂,过程如下:因为液体存在粘度,所以附会附着,并生成液带。之后液带破裂形成液滴,此时,也就是推进剂的液滴会吸收燃烧室的热量而汽化,然后会以气相混合并燃烧。

此次试验为前面《离心式喷嘴的CFD仿真》的子项目。

在为期两个月的制造和测试中,我们先后进行了以下活动:

1、喷注器各单元、发动机的制造

2、单独喷嘴的低压冷流测试

3、多个喷嘴低压冷流测试

4、热试车试验

其中喷注器各单元制造最消耗时间,共花费了46天左右,其余的项目在8月30日左右全部完成 !下面开始介绍此次试验的经过。

 



[修改于 3 个月前 - 2019-09-15 02:55:33]

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地震带上的人(作者)
2楼

材料:

IMG_20190708_142904.jpg

左边皆为304材料的棒料和管料,用来制造喷注器面板,发动机燃烧室,喷管套以及燃烧室头部,右边为制造储罐所用的6061铝合金棒料

首先制造的是液氧喷注器的组建,下面这张图是一个组装好的液氧喷注器:

IMG_20190714_180840.jpg

首先,上半部分是液氧腔的固定管 中间为煤油腔的过渡管和喷注器单元的固定管,最下面的结构为喷注器单元。他们的连接方式为细牙螺纹连接,密封采用钎焊密封。

image.png

液氧腔的固定管制造过程

IMG_20190714_170140.jpg

喷注器单元的制造过程

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这些是制造完毕的液氧喷注器套管

IMG_20190722_182050.jpg

液氧腔的上盖板,中间的长条为煤油的管道,中间打孔,外面车螺纹,这样的好处为:

1、简化了盖板的设计

2、有利于装配头部时的同心

但是有一个很现实的问题,这个部件的材料利用率极其低下,在第一次制造的时候为整个棒料车削制成,消耗了大量的财力物力和时间。所以在这里要给各位爱好者提个醒,设计发动机的时候需要考虑经济性方面的问题。(后来的第二次制造的时候已经解决了这个设计问题)

IMG_20190715_152145.jpg

制造完毕的喷注器单元毛坯,右边为液氧的喷注器单元,左边为煤油的喷注器单元,由于质量流量的差距导致这两个单元的体积相差的特别大。

在此次的实验过程中,发现了使用304不锈钢材料的一个问题————导热系数过低。由于经验的缺失和材料的局限性,在此次实验中大量使用了304材料,为了提高强度增加了部分区域的厚度,忽略了面板和喷注器单元的传热问题,为发动机热试车测试的失败埋下了祸根。

在此,笔者的解决方案为:将喷注单元更换为导热系数高一点的材料,进行彻底的热力学的分析。

[修改于 3 个月前 - 2019-09-15 03:56:22]

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地震带上的人(作者)
3楼

QQ截图20190914230747.png

装箱发去打孔的喷注器单元

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打孔完毕的喷注器单元

注意:再此啰嗦一句,由于离心式喷注器要求的加工精度较高,尽量使用非接触式的加工方式打孔,精度控制在0.01mm左右。其中打孔的工装设计制造同样如此,要求简单和在打孔时能够稳定的固定住工件。用书上的原话说:液流的几何尺寸与喷嘴的加工误差相比相差不太大,因此加工因素对喷嘴的工作的影响并不比喷嘴几何尺寸的影响小。在液流通道边缘上有卷边毛刺会更加严重影响液体的流动情况,降低雾化质量。

前面我们提到过,雾化质量是跟液膜有很大关系的,如果不能形成光滑的液膜,那么就无法达到预期的雾化水平。

QQ截图20190914230033.png

这是低压测试的时候的场景,可以看到加工是十分精准的,液膜呈现出光滑的表面。如果低压下液膜都已经足以光滑,在高压下沿壁的液膜速度会更快,雾化效果会更好。

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0.5MPa下的测试场景,特意选在深夜进行试验保证稳定压力。可以看出液膜的形成质量和液膜之间相交之处的对撞情况,若使用工质液氧的话,雾化情况只会越好不会越差,这是因为液氧的液膜会自身汽化。煤油的雾化结果与水相同,在0.5MPa的压力下能把水雾化成均匀的水雾,同样在1MPa的压力下只会更好不会更糟糕。在这里已经足以证明此次喷注器设计和制造的成功了,与CFD模拟结果完好拟合,同时也证明了对于此工况 RNG k-埃普西隆 湍流模型与 vof多相流模型 的准确性和适用性。 

QQ图片20190522143733.jpg

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(黄色的是钢丝刷的铁粉,在接触水之后生锈了)

[修改于 3 个月前 - 2019-09-16 04:50:26]

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地震带上的人(作者)
4楼

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QQ截图20190914230537.png

此次使用了钎焊和手工TIG两种连接方式

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再此缅怀一下没有被我二把刀焊工摧残的喷注器和发动机壳体

此次加工得出的教训就是:

  1. 氩弧焊焊枪,焊接这种5mm 以上的不锈钢钢件的时候,长时间工作一定注意焊枪的过热和线路的过热。这次焊接成功的报销了一把焊枪,建议购买大电流焊枪和粗钨针。

  2. 钎焊焊枪不建议购买所谓的双头气焊枪,建议购买单头的无氧焊枪或者是氧气助燃的气焊枪。

  3. 焊接的时候不能嫌热,而穿短袖和不带手套,除非手臂和手想烫伤脱皮和晒黑。

为什么这次会选择钎焊:

  1. 钎焊本身就是那种不需要熔化母材的焊接手段,跟TIG比起来,可以对材料的受热变形相对可控。

  2. 钎料是通过毛细作用渗透入母材中的,所以说很适合拿来填缝堵漏。

  3. 操作简单,不同类金属可以使用一些钎料焊接在一起

QQ截图20190914215836.png

这里就有一个很实际的例子 黄铜的堵头搭配304不锈钢的喷注单元,可以看到钎焊将两种不同的金属给连接在一起了。

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这里是之前的一次实验,验证钎料的流动性,这是钎焊之后的情况。

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车掉了表面的焊缝,可以看出螺纹是被完全填满了的

QQ截图20190914215934.png

操作简单,只需要将部件加热,就可以焊接了


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使用TIG焊接发动机壳体和头部的最后连接,之前广受吐槽的焊缝被车掉后,内壁呈现出光滑的情况。但是缺乏探伤手段,所以说焊接质量如何我们也不能盖棺定论。



[修改于 3 个月前 - 2019-09-16 04:49:14]

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2019-09-16 00:21:28
地震带上的人(作者)
5楼

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焊接完毕和上漆的发动机,由于表面太过于光滑,油漆附着能力较差,于是就掉了一块漆。

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此次发动机跟之前的500N常温组元发动机一样,正在结构上没有什么创新的地方——采用隔热层和石墨作为发动机的热防护处理(因为此次实验只是为了验证喷注器是否能够让发动机正常工作)。只不过这一次由于考虑成本,将原计划法兰连接全部更换为焊接了(未来发动机目前考虑全部为焊接结构),关于发动机的结构可以看我之前的资金申请帖,里面有一张剖面图。


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正在给液氧储罐包隔热层

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使用有机溶剂(不可燃)清洗液氧储罐内部,人员均在上风处。



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供应方式采用气体挤压:使用氮气挤压液氧,使用氩气挤压煤油。为什么要选择分开供气?这是能够保证两个储罐间互不干扰,且液氧的低温会增加挤压气体的消耗量,故选择单独供气。发动机和阀门之间由编织管相连,中间的金属块为汽蚀文氏管,用于发动机的流量控制。

在此提醒一下即将入坑液氧组元的爱好者:液氧的阀门在不使用的时候请在烤箱中烘干,有条件请真空干燥。然后加上堵头,储存在干燥环境之中。因为这种液氧阀是由阀片和先导口组成的,上面的那很大一坨线圈是用来控制先导口的,其原理就是先打开先导口,后上下游压力相等,阀门会被自然顶开。阀片处如果有水汽存在,会导致阀门无法正常工作!(阀门上有流向表示,表示液体的流向,如果将阀门接反同样也不会开阀)

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实验场地安装设备中

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蓄势待发的发动机

然而实验过程并不是一帆风顺的,我们共进行了四次实验,因为设备问题全部推迟测试。两次是因为储罐的问题,一次是因为液氧阀被冻住的问题。

其中告诫即将入坑低温组元的新人,低温储罐的设计一定要考虑额外的泄压阀门,保证储罐在主阀因为低温被冻住的情况下能够顺利泄压,第二次实验险酿成事故,在拆卸储罐的过程中,由于主阀被冻住,我下令让叶一夏同学拆卸顶部的加压管道的单向阀泄压。在泄压过程中由于泄压情况估计不足(现场的情况是单向阀被松开后高压氮气从螺纹口缓慢泄出,后声音逐渐变小),再加上深夜急着拆卸装置回家休息,于是我下令再将单向阀拧出来一点,近5MPa的临界液氧在泄压过程中从储罐上盖喷出,所幸未叶一夏同学个子较矮没有被冲飞的扳手砸到,没有造成人员的伤亡)

这是深刻的教训,我作为项目负责人,在此检讨!

其次,低温储罐应该减少螺纹连接,因为铝合金这种材料,特别是长料在车削过程中螺纹质量很难保证,受到低温的时候螺纹有可能会附着水汽形成冰,会让螺纹卡死。


[修改于 3 个月前 - 2019-09-16 05:26:43]

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地震带上的人 (作者)
6楼

2019年8月28日15时许 国内首台全离心式喷注器的2000N液氧煤油液体火箭发动机在四川省都江堰市尹家碾地区点火实验

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发动机工作中

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点火瞬间很震撼,一张放在发动机不远处的隔热毯被气流吹飞了近40m

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在即将关机的时候,发动机头部的氧化剂烧穿,随即发生了爆炸。

爆炸原因已查明:

是因为材料导热系数过低,且厚度较大推进剂无法顺利冷却喷注单元,且液氧喷注单元和燃烧室内的连接处焊接口焊缝不合格,导致在复杂的热力环境下烧毁,使液氧与煤油在喷注面板附近燃烧,最后导致有3个液氧喷注单元损坏,煤油进入液氧腔,导致回火,炸断了液氧管道,由于有汽蚀文氏管的情况下储罐未受到影响。富氧燃气和燃料从断裂处喷出。

如果作为一次发动机实验,毫无疑问这是一次失败的实验,但本次的重点是验证爱好者自制离心式喷注器是否可行,所以在主要实验上我们是成功的。

同时也给了我一个很深刻的教训:对发动机的热力学计算不能马虎,必须落实在每一步;焊接等加工手段最好请专业人员焊接,避免再次出现此次事故!

大火随即被扑灭,供应设备并没有受到损坏,但是试车台光荣退役了。

QQ图片20190916003647.png

试车数据,可以看到发动机的推力数据刚好在设计范围左右,至于推力下降个人认为是:1.试车台被推起,导致有分力;2.喷注器应该就在这时候被烧坏了,氧燃比骤变导致推力下降。

计算得出,发动机的比冲在210s左右

发动机除了喷管的扩张段被冲飞了,其余的部分保存了下来。


此次2019K1《离心式喷注器设计试制及采用该喷注器的微型液氧煤油发动机的设计与试验》就全部结束了,再次期间我个人收获众多,同时感谢在那段时间一起拼搏过的各位!

此次实验的结论:

  1. 爱好者是有能力制造大推力火箭发动机上的部件的;

  2. 常规的加工手段能满足中大推力火箭发动机上的部件的精度需求;

  3. 再次验证了汽蚀文氏管对流量控制的可靠性,以及对下游的不稳定压力的隔绝的可行性;

  4. 如果想要做出优秀的发动机,CFD仿真强烈推荐的;

  5. 液氧组元,管路设计和维护方面必须注意水汽和油脂的防护,特别是液氧储罐的部件加工时候要杜绝可燃的润滑油使用,使用前使用不可燃的溶剂再次清洗。

                                                                                                                                                                                                 

地震带上的人 

2019.9.16

[修改于 3 个月前 - 2019-09-17 00:46:30]

+4  科创币    314152   2019-09-21   支持
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7楼

应该再来个视频 核爆神曲的那个版本。

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8楼

期待上天

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9楼

想看试车视频

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10楼

除了焊工,其他都好牛逼,

焊工一下拉低了产品的“卖相”,应该练练焊功了。

以前学过一下钳工,刚出师时焊的也不会这样,虽然“叠硬币”没有那么漂亮,但起码焊缝是直顺的,不会有这样乱的堆叠

强烈建议楼主找个焊接师傅学习下,或者报个钳工班。

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11楼

资瓷,最后炸了有点可惜

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2019-09-27 02:08:35
2019-9-27 02:08:35
12楼

没有爆炸残骸的图么

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13楼

好奇视频有吗

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