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莫斯科的黄斯基 发布于2017-11-28 02:11
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液体火箭发动机推进剂流量控制——汽蚀文氏管的介绍和设计

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我婆铃仙镇楼

图片:__reisen_udongein_inaba_touhou_drawn_by_hinata_chitose__8c9319ddd4b55c8cc045fa43

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莫斯科的黄斯基 发布于2017-11-28 02:32
沙发F
如何让液体火箭发动机正常工作,其中很重要的一点就是通过阀门和调节器保持氧化剂和燃烧剂的比例不发生较大的变化,稳定燃烧。其中,有以下方法可以采用:
1.滑阀和一系列阀门
2.汽蚀文氏管和可变喉部通径的可调式汽蚀文氏管
3.截流环
这里着重介绍一下很常见很常用到而且结构最简单的汽蚀文氏管控制火箭发动机推进剂流量汽蚀文氏管
首先,汽蚀
汽蚀是指在液体流动的时候,根据伯努利原理流体运动的越快,所在区域的压强就会越小,当压强小于当地温度下的时候液体的饱和蒸汽压的时候,液体就会大量汽化。
举个例子来说,硝酸的饱和蒸气压,在20℃的时候为 4.4kPa ,如果它流动的够快,所产生的低压区的的压力低于她的饱和蒸气压,那么有部分硝酸就会汽化成为硝酸蒸汽,会跟呈液体的硝酸形成汽液混合流体。(关于饱和蒸气压这个就自己去百度吧,因为这个东西百度上都有。。。)
文氏管
文氏管,文氏管跟拉瓦尔喷管长得一样,之间都是通的流体,通常情况下,也就是没有要求她要发生汽蚀的环境下,流体在内流动是不会发生汽蚀的。
所谓汽蚀文氏管,就是设计的时候要求文氏管内部必要时要发生汽蚀,从而达到控制流量的作用
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莫斯科的黄斯基 发布于2017-11-28 03:36
板凳F
其工作原理,可以简单的说一下
首先,液体火箭推进剂是液体。控制了其流量,也就控制了其质量,若流量不发生改变,那么推进剂的质量也就不会改变


在确定了喉部的汽蚀文氏管中

图片:QQ截图20171127215834.png



如果液体的流动所产生的压强高于该液体的饱和蒸气压,那么文氏管内部就不会产生汽蚀,此时的液体正常流动,通过喉部限制流量(跟截流环一样的原理);如果液体的流速加快,所产生的压强低于或者等于该液体的饱和蒸气压,那么文氏管内部就会发生汽蚀,此时的文氏管的喉部、B段会发生大量汽蚀,所产生的的压强将会限制A段的液体流量;
如果文氏管的出口,出口的压降下降的话,在发生汽蚀的条件下,喉部的流量和压强不会发生变化,始终是处于汽蚀的状态,从而达到控制流量的目的。一句话总结来说,汽蚀文氏管要让她发挥控制流量的本领的话,很重要的一点就是要让她的内部发生汽蚀,一旦发生汽蚀,无论下游的压力怎么变化,从她内部出来的液体流量和质量都是一个恒值,若上游压力增加,其流量也会增加,但是燃料组元任然按照比例进入发动机,但是至于发动机会不会以为燃料的增加而导致室压暴增那是发动机设计的时候所要求的了~
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莫斯科的黄斯基 发布于2017-11-28 04:07
地板F
汽蚀文氏管的设计要求:
1.为了减小压力损失,要求文氏管的出入口直径和供应管路直径要求相同(D1=D2)
2.收敛段和扩张段的角度要求:
α=(20°~60°)如果为了缩短文氏管的长度,必要时可以为(20°~75°)
若收敛角大于75°,则会发生液壁分离,使下游单元收到影响;如果收敛张角太小,低于20°,则会增加摩擦损失
β=(6°-8°)如果为了缩短文氏管长度,必要时可以为(6°~10°)
若扩张角大于10°,则会发生液壁分离,使下游单元收到影响;如果扩张角太小,低于6°,则会增加摩擦损失

关于其设计
我们要先知道管内液体的流量质量,及其液体的密度,还有出口压力,也就是发动机的喷注压力
其中:
出口压力要求比入口压力小;如果出口压力等于入口压力,则文氏管内不发生流动
具体值:
 P1=(0.8-0.9)P2
根据伯努利方程的推导可以推出喉部流量,从而推出文氏管的直径
公式为:

图片:QQ截图20171127230239.png





单位全部为国际单位制度,算出来后的数值单位为米
μ是流量系数,在发动机上的取值为(0.89~0.97),通常为取0.9为宜;Ps为饱和蒸气压,计算时候代入室温下的该液体的饱和蒸气压即可,但是与加压压力相比显得特别小,所以粗略计算时候可以直接代入加压压力计算。
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莫斯科的黄斯基 发布于2017-11-28 04:37
4楼F
那么,原理和计算方式都已经介绍了,现在来实战计算
设计氧化剂管路的汽蚀文氏管,氧化剂为硝酸,数据如下
已知:
P2=6Mpa  qmO=0.1389kg/s ρ硝酸=1510kg/m³ μ=0.9
P2=0.8P1  P2=7.5Mpa

图片:QQ截图20171127232907.png



长度单位是m,得出为1.14mm左右(0.01mm加工误差)

作图,作出汽蚀文氏管形面图

图片:QQ截图20171127233649.png

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莫斯科的黄斯基 发布于2017-11-28 04:45
5楼F
总结:
汽蚀文氏管,优点在于,结构极其简单,可以在业余火箭爱好者之间大量使用、制造;而且能较为精准的控制流量。其次就是由于压力差,如果燃烧室发生压力波动,所产生的波动会阻碍于文氏管出口端,不会影响上游供应段的工作和稳定。
当然缺点,目前在爱好者的使用中不明显,但是对于大型泵压式液体发动机来说,压力损失较大所带来的坏处会体现在会使THA(涡轮 泵 系统)系统负荷增加;其次也就是前面所提到的由于不能决定和稳定上游压力,如果上游压力发生波动,其出口流量也会带来明显影响。

谢谢各位的阅览!!!!!(蹭蹭蹭
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法式油炸薯条 发布于2017-11-29 10:37
6楼F
滋磁
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