【航天工业行业标准(QJ)】 液体火箭发动机汽蚀文氏管通用规范

中国航天工业总公司航天工业行业标准QJ1783A--96
液体火箭发动机汽蚀文氏管
通用规范
1996—0321发布
中国航天工业总公司
1997—01—01实施
中国航天工业总公司航天工业行业标准液体火箭发动机汽蚀文氏管通用规范1范围
1.1主题内容
QJ1783A--96
代替QJ1783-89
本规范规定了液体火箭发动机汽蚀文氏管（以下简称汽蚀管）的要求、质量保证规定、交货准备和说明事项。
1.2适用范围
本规范适用于液体火箭发动机汽蚀管的设计、制造和验收，其它汽蚀管也可参照使用。2引用文件
GB1220不锈钢棒
GB3191铝及铝合金挤压棒材
GB3192高强度铝合金挤压棒
3要求
3.1相关详细规范
汽蚀管的个性要求应符合相关详细规范的规定。若本规范的要求与相关详细规范的要求相抵触，则应以相关详细规范为准。3.2材料
制造汽蚀管的所有原材料及半成品的材料应符合相应标准并附有质量证明文件。选用下列材料的零件在加工前必须进行热处理：a.1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢应符合GB1220的规定；b.LY、LD、LC类铝合金应符合GB3191或GB3192的规定，淬火并人工时效。3.3设计
3.3.1设计依据
汽蚀管在额定工况下的工作条件应规定在相关详细规范或设计任务书中，一般包括：a.结构类型；bZxz.net
汽蚀管的工作介质、入口压力、流量、工作温度；b.
c．汽蚀管初始汽蚀时进、出口相对压力损失。中国航天工业总公司1996-03—21批准1997—01—01实施
3.3.2相容性
QJ1783A—96
汽蚀管设计应考虑材料与工作介质的相容性。3.3.3汽蚀管内型面的几何特征
汽蚀管的内型面由入口段L1、入口角α1、喉部工作段L、出口扩压段L、出口角α2等组成，如图1所示。
喉部无直线段
(b)喉部有直线段
图1汽蚀管内型面几何特征参数示意图Di一入口直径D2一出口直径，d一喉部直径；α一入口角；αz出口角；L一入口段；L一出口扩压段：L-喉部工作段；R一喉部圆弧半径3.3.4汽蚀管设计中的几何相似参数2
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汽蚀管初步设计计算时，流量系数的选取，可参照几何参数相似及雷诺数相同的已有汽蚀管的流量系数值选取。汽蚀管的几何相似参数如下：R/dt
比值相等；
比值相等；
相同。
3.3.5内型面几何参数一般取值范围几何参数的选取应考虑汽蚀管在系统中的作用、结构、安装要求及尺寸大小。对于高性能的汽蚀管，几何参数通常取值范围如下；a，入口角：α1=40°～60°；
b。出口角：α2=6°～8°。当扩压段出口直径D不变时，α2每增加1°，相对压力损失增加0.5%~1.0%；
喉部圆弧半径：
d.≤3mm时，
R=1~1.5mm;
d>3~7mm时，R>1.5~5mm；
d>7mm时，
R>5mm;
圆弧半径大小以圆滑过渡连接为好；d.入口段轴向长度：L根据入口直径D、入口角αi及喉部直径dt由计算获得；喉部工作段轴向长度：L=（0.25～1.0)dt；e.
出口扩压段轴向长度：L2三（9～20)d.内型面的表面粗糙度：一般取Ra=0.8μm。g.
增加出口扩压段轴向长度（如结构允许，取L～20d.），降低喉部区域表面粗糙度Ra数值（如取Ra<0.8um），选择适当的喉部工作段轴向长度（如d<13mm时，取L~0.5d），可明显地降低汽蚀管的相对压力损失。喉部增设直线段，还可获得稳定的流量系数。3.4制造与连接结构
3.4.1内型面成型方法
内型面成型方法分为：
电铸法；
机加工法。
3.4.2电铸汽蚀管的连接结构
电铸汽蚀管本身不能作为连接的受力构件；a.
b.电铸汽蚀管采用二种连接结构形式：第一种：热压式。电铸件有一个外套，外套有连接部位与系统对接。其方法是将外套加热，再将电铸件压入外套。这种压入法简单可靠，不需要有密封措施。第二种：嵌入式。将电铸件嵌入系统管道的安装座上。嵌入是滑配合或过渡配合。此种方法应有密封措施和防松动措施。3.4.3机加工汽蚀管连接结构
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汽蚀管的连接部分分别在汽蚀管的两端，连接部分和汽蚀管是一体。对于尺寸较大的汽蚀管用法兰和密封圈进行连接和密封；对于小尺寸的汽蚀管用螺纹等连接和密封。汽蚀管直接作为受力构件。
3.4.4对汽蚀管人口前管道内径d的要求一般情况下取d/d=2.5~4.0。如喉部直径小于等于2mm的汽蚀管，应取d/d,=5～10。对于嵌入系统管道安装座的汽蚀管，还可以将d/d.值取得更大些。3.5性能特性
3.5.1流量系数
3.5.1.1质量流量9m
连续充满管道的液体流经汽蚀管的收缩型面时，流束将在汽蚀管内形成局部收缩，从而使流速增加，静压下降。当喉部液体静压降至当地温度条件下的液体饱和燕汽压P。时，部分液体形成了蒸汽，汽蚀管就产生汽蚀，此时质量流量达到对应入口压力的最大值。汽蚀管质量流量9m按公式1计算：
.m.-C . A. 2(Piv--P.)rv X103 .......式中：9m——在汽蚀条件下液体的质量流量，kg/s；C—流量系数；
At一汽蚀管喉部截面面积，m；
Pi汽蚀管入口液体静压力，MPa;Ps液体在当地温度条件下的饱和蒸气压，MPa：0%——汽蚀管入口液体密度，kg/m2。*... (1)
对某种液体其饱和蒸汽压在一定的温度下是常数，质量流量由Piv、C、A,和Piv决定。3.5.1.2流量系数C
对于不可压缩流体，汽蚀管的流量系数C为通过汽蚀管的实际流量值与理论流量值之比，其值可用实测得出qm和与之相对应的压差(Piv一P。)按公式2计算：C
A, 2(Pi-P,)Piv
计算工作介质质量流量时，只要冷试介质和工作介质雷诺数相同或雷诺数大于界限雷诺数，则可用水试的流量系数代替工作介质的流量系数。流量系数范围一般为0.8～0.95，它随汽蚀管尺寸而变化。
对于工作介质为液氢的汽蚀管，除要考虑喉部温度变化对液氢饱和蒸汽压的影响外，还应考虑液氢在汽蚀管喉部密度变化的影响。为简化计算，可以先选冷试时的流量系数进行计算，经过发动机试车后再进行修正。修正方法见附表A（参考件）。汽蚀管的流量系数C应符合相关详细规范的规定。3.5.2相对压力损失0
汽蚀管的相对压力损失按公式3计算：Pz-Pem ×100%
式中.汽蚀管相对压力损失，
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一在汽蚀管给定入口压力下，喉部刚发生汽蚀时出口处的压力，即初始压力，MPa。
相对压力损失范围一般为9%～25%，它随汽蚀管尺寸、表面粗糙度等而变化。汽蚀管的相对压力损失应符合相关详细规范的规定。在实际使用中，为了确保系统在规定入口压力下经汽蚀管的质量流量为规定值，汽蚀管的出口压力必须小于初始压力，即对相对压力损失要给一定的汽蚀裕度。汽蚀管的汽蚀裕度按公式4和公式5计算机：(4)
Pi-Pev
×100%
式中：△—一汽蚀管的汽蚀裕度；8—汽蚀管实际相对压力损失；
Pe-汽蚀管在过渡汽蚀条件下，出口处的压力，MPa。(5)
所谓过渡汽蚀，即在汽蚀管入口压力保持不变，当P3.5.3汽蚀系数K
汽蚀系数是评定汽蚀管工作特性的综合参数，可按公式6计算：K., r_.Px1.....
式中：K，汽蚀管的汽蚀系数，(kg·m）-1。汽蚀管的汽蚀系数K。应符合相关详细规范的规定。3.6尺寸
汽蚀管的尺寸应符合设计图样的规定。3.7外观质量
汽蚀管外观应无毛刺、锈蚀、划伤、镀层脱落等缺陷。3.8分解检查
汽蚀管经冷试或发动机热试后，应进行分解检查，各零件不允许有裂纹、压痕、磨损等缺陷。
3.9产品标志
按照图样规定制作产品标志：
汽蚀管外表面明显部位应有被测液体的流向标记；a.
汽蚀管附有印记(批序号、喉部实际直径)和标签（产品代号、图号）。5
4质量保证规定
4.1检验责任
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除任务书和合同中另有规定外，承制方应负责完成本规范规定的所有检验。必要时，订购方或上级鉴定机构有权对规范所述的任一项检验项目进行检查。4.2检验环境条件
除另有规定外，所有检验在环境大气温度及压力下进行。4.3检验规则
汽蚀管的检验为交收检验
每个汽蚀管应按表1的规定进行检验。4.3.14
检验项目
外观质量
流量系数
相对压力损失
汽蚀系数
分解检查
要求的章、条号
检验方法的章、条号
4.4.4,4.4.5.2
4.4.4,4.4.5.3
4.4.4,4.4.5.4
4.3.2在检验中如发现任一汽蚀管之任一检验项目不符合要求时，允许返修，返修后再按表1的规定进行检验。如仍不合格，则判该汽蚀管为不合格。4.3.3检验完毕后，承制方应填写检验报告，检验报告的内容应符合相关详细规范的规定。4.4检验方法
4.4.1试验系统
汽蚀管液流试验系统由贮箱、水泵、截止阀、压力传感器、流量计、微调阀门等组成，如图2所示。
4.4.1.1汽蚀管进行冷试(水试)用试验台应在使用前进行检定。4.4.1.2冷试介质为按相关详细规范规定的经过过滤的自来水，试验时的水温不超过35℃。
4.4.1.3试验用的计量仪表应有合格证明文件。计量仪表的量程及精度按下列要求选用：a.
压力传感器的量程应选取最大测量值的1.5倍。压力传感器的测量精度不低于0.5级；流量计的测量精度为额定流量的0.5%。试验系统按供压方式可分为挤压式和泵压式两种：4.4.1.4
挤压式系统：一般适用于小流量（小于0.5kg/s），试验用水不循环使用；QJ1783A-96
图2汽蚀管试验原理系统图
1一贮箱；2一水泵；3—截止阀；4一流量计5-压力传感器；6—汽蚀管：7-微调阀门b．泵压式系统：适用于大流量，试验用水循环使用。4.4.1.5试验系统设计应满足如下要求：a.
泵压试验系统应配有稳压调节装置；b.
汽蚀管进、出口压力测量点，应位于离对接面3～5倍系统管道直径d的地方；c.
对于闭式循环系统，汽蚀管上游至少10d，下游至少4d直管长度，确保进入汽蚀管的水不出现汽泡；
流量计直管长度应为5～10倍系统管道直径。必要时流量计前应有整流装置；d.
汽蚀管进、出口管路应力求模拟汽蚀管所在的实际流路系统。e.
4.4.1.6试验系统压力和流量测量精度应按规定进行校验。4.4.1.6.1测量压力用压力传感器应定期校验，校验周期应符合有关规定。4.4.1.6.2流量测量系统的测量精度可采用下列两种方法进行校验：a.用标准汽蚀管校验试验台系统的稳定性：测量系统应备有三个以上的标准汽蚀管，标准汽蚀管应按4.4.1.7条的规定进行标定，每次试验前用标准汽蚀管校验流量测量系统；b.校验流量计：周期性对流量计进行校核试验，直接用称重法进行，前后两次校验的时间由试验方确定。
以上两种流量测量精度的校验方法可以交替使用。QJ1783A-96
4.4.1.7标准汽蚀管的标定试验及保管：标准汽蚀管在标定前应先按4.4.1.6.1条的规定校验压力传感器；按4.4.1.6.2b条的规定校验流量测量系统，然后再在系统上按4.4.4条的规定进行冷试验，求出各个汽蚀管的性能数据，选择其中性能稳定的汽蚀管作为标准汽蚀管。对标准汽蚀管要采取专门的保管措施。4.4.2外观质量检验
用目视方法（含用5倍以上的放大镜对汽蚀管（包括经冷试或热试后分解的汽蚀管各零件)的外观进行检查。
4.4.3尺寸检验
汽蚀管的外形尺寸、连接尺寸用通用量具进行检验，内部型面尺寸按相关详细规范的规定进行检验。
4.4.4汽蚀管冷试方法
按相关详细规范的规定将汽蚀管装在试验台上，测定汽蚀管的性能特性参数，该参数可以采用下面两种操作方法进行测定。4.4.4.1“进程调节”测定法（正调试）入口压力（P）为某一定值，出口压力调室接近但小于入口压，随后逐渐降低出口压力，直到出现初始汽蚀为止。这就是“不汽蚀一初始汽蚀”的进程调节法。此时记录汽蚀管水试时的进、出口压力（Pivw，Peviw）及质量流量（qmw）。4.4.4.2“回程调节”测定法（反调试）入口压力为某一定值，出口压力调至大大低于入口压力，随后逐渐增加出口压力，直到出现初始汽蚀为止。这就是“过汽蚀一初始汽蚀”的回程调节法。此时记录汽蚀管的进、出口压力及质量流量。
“进程调节”测定法和“回程调节”测定法同时采用，然后取二次的平均值。4.4.5冷试数据处理
4.4.5.1质量流量9m
由4.4.4条汽蚀管冷试测得给定进口压力下汽蚀管的水的质量流量9mw，按公式7换算为工作介质的质量流量Qm：
qm=CNPi
式中：C—水的流量系数；
Piv——汽蚀管入口水的密度，kg/m；qmw——在汽蚀条件下水的质量流量，kg/s。4.4.5.2流量系数C
由4.4.4条试验测得qmw，Piw，按公式2计算出水流量系数Cw。(7)
汽蚀管水试时，均模拟工作介质的雷诺数，因此水试求得的流量系数可代替工作介质的流量系数，即C=C.。
4.4.5.3相对压力损失6
由4.4.4条水试测得的汽蚀管入口压力Pi及出口处的初始压力Pviw，按公式3计算8
出水试时的相对压力损失w。
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试验证明，只要Piw-Pivw，那么Pei-Peviw。即.i=Oiw。4.4.5.4汽蚀系数K，
根据水试测得的汽蚀管入口压力Piv及水质量流量gmw，按公式6计算出水汽蚀系数Kswe
求出水的汽蚀系数后，再按公式8换算为工作介质的汽蚀系数K：K,=Ks
式中：Kw——汽蚀管水汽蚀系数，(kg·m)-1Pivw
在冷试条件下水的饱和蒸汽压Pw=0；水的密度Piw=1000kg/m3。4.4.5.5冷试粗大误差检验法
汽蚀管的水汽蚀系数K随着汽蚀管喉部直径d的变化按一定的规律变化，根据测量精度可以作出带有一定偏差带的K一d.曲线图，如图3所示，根据图3可以检查出汽蚀管冷试测量的粗大误差。
KewX10-6
TTTTTTT
(kg·m)1
图3汽蚀管试验曲线
4.4.5.5.1偏差带的确定
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根据附录B（参考件）的B1条，求得Kw的标准误差△Ksw的相对值△Ksw/Ksw，可获得对应不同d.的标准误差（偏差）的△Kw值而组成的偏差带。4.4.5.5.2粗大误差
如果试验值偏离偏差带则属粗大误差。若试验值读错、记错等属于冷试粗大误差，若喉部尺寸测量错等属于工艺粗大误差。5交货准备
5.1包装
5.1.1包装前对所有交付合格的汽蚀管的接管嘴和外表面用干绸布擦干净，并按图样要求装上保护件，打好铅封。
5.1.2汽蚀管出厂时应用羊皮纸包装，装入塑料袋封存。塑料袋上应有产品代号、图号、名称、序号、批量等标记。
5.2贮存
汽蚀管应存放在温度为一10～十40℃，相对湿度不超过85%的通风及无腐蚀性气体的室内。
6说明事项
6.1预定用途
本规范涉及的汽蚀管预定用于液体火箭发动机推进系统调节和控制流量。6.2订货文件内容
合同或订单中应载明下列内容；a.
本规范的名称和编号；
汽蚀管类型；
汽蚀管数量。
6.3术语
6.3.1汽蚀文氏管
汽蚀文氏管装在液体管路中，用以控制和调节液体流量的元件，其内型面为具有喉部的收敛一一扩张型。当在喉部形成汽蚀后，只要其入口的压力不变，就能保持流量不变，而不受反压（在一定范围内）变化的影响；并能抑制脉动压力反向传递，保持系统的稳定性，10