CN103398879A - 超声速燃气采样探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声速燃气采样探针，包括采样耙上壳、采样耙下壳、采样耙左板、采样耙右板、采样管，冷却系统和附属采样系统。数个采样探针流道均布在采样耙上壳，采用二维矩形入口。通过膨胀冷却及对流换热，冻结进入探针的采样燃气。在对探针有良好冷却效果的同时，保证采样耙整体强度。在工程实践中可降低对加工误差的敏感性。本发明适用于对超声速燃气进行样气采集，用以分析燃气成分和评估燃烧效率。

Description

超声速燃气采样探针

技术领域

本发明涉及一种燃气采样探针，特别涉及一种超声速燃气采样探针，适用于超声速燃烧室燃烧试验的燃气采集，并用以分析燃气成分和评估燃烧效率。 

背景技术

燃烧效率是表征燃料燃烧过程完全程度的指标，能够部分反映出燃烧室性能的优劣，是燃烧室性能评价的重要指标之一。经过多年的研究，燃烧效率的评估方法不断得到发展，目前，各国研究中常用的方法有氢燃料特征原子团光谱辐射强度测量换算氢燃料燃烧效率的方法、探针取样组份分析方法、一维流动参数评估方法、温升法等。 

气体取样法是应用气体取样探针对燃烧室出口的气体成分进行分析，获得燃烧室出口截面上的气体成分分布，从而测量获得燃烧室出口截面上未发生化学反应的燃料量，根据剩余燃料与总燃料流量之比获得燃烧室内的燃烧效率，并已经在超燃发动机试验中得到了应用。采用该方法进行燃烧效率测量首先保证的是探头怎样才能获得真实的气体，从而使进入探头的气体成分不发生改变，因此就必须考虑探头内部气体的化学反应抑制能力。 

对超声速流场的进行探针取样分析的困难主要来自于被测流场的高温和高速。高温的影响不仅仅表现在对探针冷却难度的加大上，还表现在对探针内部取样气体的冷却以冻结其成分反应难度的加大上。高速的影响主要是激波对取样的影响。激波前后会有温度的突升，这不利于冻结气体的成分，会促使反应的进行并改变气体的成分。探针的设计要使探针诱发良好的激波，不能在探针前方形成脱体弓形波。 

综上所述，气体取样法整个系统结构比较紧凑，操作简单，而且整个系统造价也比较低廉。解决好探针中的反应冻结和探针冷却问题就能较好进行超声速流场的燃气取样分析。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，采用二维矩形入口的探针流道，通过膨胀冷却及对流换热，冻结进入探针的采样燃气。在对探针有良好冷却效果的同时，保证采样耙整体强度。在工程实践中可降低对加工误差的敏感性。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种超声速燃气采样探针，包括采样耙上壳、采样耙下壳、探针流道、采样耙左板、采样耙右板、采样管、探针间水冷通道和附属采样系 统；所述采样耙上壳和采样耙下壳外观构型相同，采样耙上壳和采样耙下壳焊接后，两端再焊接采样耙左板和采样耙右板；所述探针流道均布在采样耙上壳内，探针流道之间均布探针间水冷通道；所述探针流道沿轴向分为三个部分：扩张一段、扩张二段和平直段；所述采样管一端焊接在探针流道出口，另一端与附属采样系统螺纹连接；燃气从探针流道入口处被抽入，沿探针流道在其中的扩张一段和扩张二段膨胀冷却，从而使静温急剧降低至燃气反应温度之下；冷却水由采样耙左板上的水冷入口流入，流经下壳水冷通道，探针间水冷通道，上壳水冷通道，并从位于另一端的采样耙右板上的水冷出口流出；燃气在平直段中与探针间水冷通道进一步充分换热，从而降低了总温，并在探针尾部与采样管连接处突扩，速度降至亚音速，防止发生堵塞；燃气从采样管流出被送至后端附属采样系统；采样管在离开采样耙后合为一个管路，管路上装有给样气保温的电加热带和一号电磁阀，管路在一号电磁阀之后分为两路，一路上装有二号电磁阀、真空泵和二号手动阀，另一路上装有一号手动阀，在一号手动阀和二号手动阀之间的集气瓶用于收集从超声速燃烧室尾部采到的样气；集气瓶的外表面装有保温的电加热器；一个可移动的密封活塞位于集气瓶中，从集气瓶收集到的样气将送至燃气分析仪用于分析样气成分。 

探针流道的个数为1～30，沿轴向分为三个部分：扩张一段为矩形入口，边长为0.3～10mm，轴向长度为1～30mm，朝上有第一扩张角，范围为0°～30°；扩张二段，轴向长度为1～30mm，有三侧扩张，矩形截面，朝上第二扩张角范围为30°～80°，两侧扩张角角度相同，范围为30°～80°；平直段流道无角度变化，轴向长度为20～100mm，出口为矩形截面，边长为2～10mm。 

所述的采样耙，采样耙上壳和采样耙下壳前端有楔形角，夹角范围为30°～80°，采样耙轴向长度由探针流道轴向长度决定，采样耙宽度由探针数目和应用需求决定；采样耙总体高度为20～80mm。 

探针流道完全在采样耙上壳上加工而成，采样耙上壳再和采样耙下壳对齐焊接，降低了焊接误差对探针流道的影响。 

水冷入口位于左板下部，冷却水从水冷入口流入后，进入位于采样耙下壳的下壳水冷通道，又经过探针间水冷通道流入位于采样耙上壳的上壳水冷通道，之后由位于采样耙右板上部的水冷出口流出，在探针流道之间的部分有探针间水冷通道以帮助探针两个侧面进行冷却；水冷通道依附于壳体的外形，同样有一个楔形角，并在不破坏采样耙强度的情况下尽量靠近探针流道前端。 

本发明的工作原理：燃气气流从探针流道入口处抽入，沿流道在扩张段和扩张段膨胀 冷却，从而使静温急剧降低至燃气反应温度之下，保证了样气的真实性。气流在平直段中与周围水冷通道进一步充分换热，从而降低燃气总温，使得静温恢复后不会太高。在探针尾部与采样管连接处突扩，使气流速度降至亚音速，防止气流发生堵塞。试验前，预先使用真空泵将集气瓶一侧抽空，当燃烧室正常工作后，打开真空泵，从集气瓶一侧开始抽吸。燃气从各个探针通道进入采样管，之后被抽入集气瓶中，沿途防止样气冷凝沉积，在采样管路上缠有电加热带用于保温。采样完成后，关闭电磁阀，拧紧手动阀。为防止样气在集气瓶中冷凝，同样对集气瓶进行保温。之后将集气瓶移至燃气分析仪处，将样气送入燃气分析仪中进行分析处理，根据结果测定燃气成分，评估燃烧效率。 

本发明与现有技术相比具有的优点如下： 

（1）本发明的矩形截面流道设计，较之常用的圆形流道设计加工方法，解决了由于流道尺寸较小，多段带角度的圆形流道加工会导致的误差较大的问题，并且在同样的反应冻结能力下，加工更为方便快捷； 

（2）本发明的流道完全分布于采样耙上壳，较之常用的上下各加工一半流道的方法，有效解决了采样耙上壳和下壳焊接时对齐误差造成的流道形状变形，从而导致和设计条件不同的问题； 

（3）本发明流道设计更符合冻结反应和冷却目标的要求，配套的附属采样系统保证了探针的工作能力，扩大了探针适用范围。 

附图说明

图1为本发明的采样耙上壳结构示意图； 

图2为本发明的采样耙下壳结构示意图； 

图3为本发明的采样耙示意图； 

图4为本发明的采样耙剖面示意图； 

图5为本发明的采样耙剖面A和探针流道结构示意图； 

图6为本发明的采样耙剖面B结构示意图； 

图7为本发明的附属采样系统结构示意图； 

图中：1采样耙上壳，2采样耙下壳，3探针流道，4采样耙左板，5采样管，6上壳水冷通道，7下壳水冷通道，8水冷入口，9扩张一段，10扩张二段，11平直段，12水冷出口，13探针间水冷通道，14超声速燃烧室，15电加热带，16一号电磁阀，17二号电磁阀，18一号手动阀，19二号手动阀，20真空泵，21集气瓶，22电加热器，23密封活塞，24燃气分析仪，25第一扩张角，26第二扩张角，27附属采样系统，28采样耙右板。 

具体实施方式

如图1-7所示，本发明实施例所述的一种超声速燃气采样探针，包括采样耙上壳1、采样耙下壳2、探针流道3、采样耙左板4、采样耙右板28、采样管5、探针间水冷通道13和附属采样系统27；所述采样耙上壳1和采样耙下壳2外观构型相同，采样耙上壳1和采样耙下壳2焊接后，两端再焊接采样耙左板4和采样耙右板28；所述探针流道3均布在采样耙上壳1内，探针流道3之间均布探针间水冷通道13；所述探针流道3沿轴向分为三个部分：扩张一段9、扩张二段10和平直段11；所述采样管5一端焊接在探针流道3出口，另一端与附属采样系统27螺纹连接；燃气从探针流道3入口处被抽入，沿探针流道3在其中的扩张一段9和扩张二段10膨胀冷却，从而使静温急剧降低至燃气反应温度之下；冷却水由采样耙左板4上的水冷入口8流入，流经下壳水冷通道7，探针间水冷通道13，上壳水冷通道6，并从位于另一端的采样耙右板28上的水冷出口12流出；燃气在平直段中11与探针间水冷通道13进一步充分换热，从而降低了总温，并在探针尾部与采样管5连接处突扩，速度降至亚音速，防止发生堵塞；燃气从采样管5流出被送至后端附属采样系统27；采样管5在离开采样耙后合为一个管路，管路上装有给样气保温的电加热带15和一号电磁阀16，管路在一号电磁阀16之后分为两路，一路上装有二号电磁阀17、真空泵20和二号手动阀19，另一路上装有一号手动阀18，在一号手动阀18和二号手动阀19之间的集气瓶21用于收集从超声速燃烧室尾部采到的样气；集气瓶的外表面装有保温的电加热器22；一个可移动的密封活塞23位于集气瓶21中，从集气瓶21收集到的样气将送至燃气分析仪24用于分析样气成分。 

如图1所示，采样耙上壳1上加工了探针流道3，探针间水冷通道13和上壳水冷通道6；探针流道3均布于采样耙上壳1上，每个探针流道3两侧均有探针间水冷通道13以加强探针流道3两侧换热，上壳水冷通道6加强探针流道3顶部和采样耙上壳1换热。 

如图2所示，采样耙下壳2上加工了探针间水冷通道13和下壳水冷通道7；位于下壳上的探针间水冷通道13在采样耙下壳2与采样耙上壳1焊接后对齐接通，用于流通采样耙下壳2与采样耙上壳1间冷却水，下壳水冷通道7用于加强探针流道3底部换热。 

如图3所示，采样耙由采样耙上壳1和采样耙下壳2边缘对齐焊接而成，两端焊接采样耙左板4和采样耙右板28，探针流道3后端焊接采样管5.采样耙前段楔形角用于减小安装于燃烧室尾部的采样耙对前场流动的干扰。 

如图4所示，采样耙上壳1、采样耙下壳2、采样耙左板4和采样耙右板28焊接后形成一个整体，截面A和截面B的剖面图展示了探针流道3、探针间水冷通道13、上壳水冷通道 6和下壳水冷通道7的结构和位置关系。 

如图5所示，探针流道3由扩张一段9，扩张二段10和平直段11；扩张一段9上有第一扩张角25，扩张二段10上有第二扩张角26。燃气在扩张一段9和扩张二段10中膨胀冷却，之后在平直段11中充分换热冷却。 

如图6所示，探针间水冷通道13在采样耙上壳1和采样耙下壳2焊接后对齐接通，连通了上壳水冷通道6和下壳水冷通道7。 

如图7所示，本发明包括一个采样耙主体和与之配套的附属采样系统27。采样耙安装于超声速燃烧室出口预先选定的位置，试验前，关闭一号手动阀18，打开一号电磁阀16，二号电磁阀17，真空泵接至二号电磁阀17处，对管路进行空气抽除，防止空气对所采样气成分进行干扰；之后关闭一号电磁阀16，打开二号电磁阀17，打开一号手动阀18，打开一号手动阀19，打开真空泵20对集气瓶21进行抽气，将密封活塞23推至集气瓶21右侧，以备抽进样气；随后关闭二号电磁阀17，关闭一号手动阀18，二号手动阀19，停止真空泵20。试验前，还需要提前将电加热带15和电加热器22通电加热，以保证在试验时样气在管路中不会因为温度过低而冷凝沉积；之后将真空泵接至二号手动阀19处，实验准备完成。试验时，打开二号手动阀19，打开一号手动阀18，待超声速燃烧室稳定工作时，同时打开一号电磁阀16，真空泵20，通过向左侧拉动密封活塞抽入燃气。此时，燃气从采样探针处被抽入，由于膨胀冷却和水冷冷却的作用达到反应冻结，当密封活塞23推至左侧后，集气瓶21采满，关闭二号手动阀19，关闭一号手动阀18。将集气瓶移至燃气分析仪24处，将燃气分析仪24的采样管接至一号手动阀18处，将压力源接至二号手动阀19处，打开一号手动阀18，打开二号手动阀19，用压力源将样气送至燃气分析仪24中进行分析处理，根据结果测定燃气成分，评估燃烧效率。 

采样过程中，燃气进入采样探针后，在扩张一段9和扩张二段10膨胀冷却，从而使静温急剧降低至燃气反应温度之下。气流在平直段11中与周围水冷通道13进一步充分换热，从而降低燃气总温。并在探针流道3尾部与采样管5连接处突扩，使气流速度降至亚音速，防止气体发生堵塞，又在管路和集气瓶中保温防止了燃气在采集过程中降温沉积。 

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。 

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种超声速燃气采样探针，其特征在于：包括采样耙上壳（1）、采样耙下壳（2）、探针流道（3）、采样耙左板（4）、采样耙右板（28）、采样管（5）、探针间水冷通道（13）和附属采样系统（27）；所述采样耙上壳（1）和采样耙下壳（2）外观构型相同，采样耙上壳（1）和采样耙下壳（2）焊接后，两端再焊接采样耙左板（4）和采样耙右板（28）；所述探针流道（3）均布在采样耙上壳（1）内，探针流道（3）之间均布探针间水冷通道（13）；所述探针流道（3）沿轴向分为三个部分：扩张一段（9）、扩张二段（10）和平直段（11）；所述采样管（5）一端焊接在探针流道（3）出口，另一端与附属采样系统（27）螺纹连接；燃气从探针流道（3）入口处被抽入，沿探针流道（3）在其中的扩张一段（9）和扩张二段（10）膨胀冷却，从而使静温急剧降低至燃气反应温度之下；冷却水由采样耙左板（4）上的水冷入口（8）流入，流经下壳水冷通道（7），探针间水冷通道（13），上壳水冷通道（6），并从位于另一端的采样耙右板（28）上的水冷出口（12）流出；燃气在平直段中（11）与探针间水冷通道（13）进一步充分换热，从而降低了总温，并在探针尾部与采样管（5）连接处突扩，速度降至亚音速，防止发生堵塞；燃气从采样管（5）流出被送至后端附属采样系统（27）；采样管（5）在离开采样耙后合为一个管路，管路上装有给样气保温的电加热带（15）和一号电磁阀（16），管路在一号电磁阀（16）之后分为两路，一路上装有二号电磁阀（17）、真空泵（20）和二号手动阀（19），另一路上装有一号手动阀（18），在一号手动阀（18）和二号手动阀（19）之间的集气瓶（21）用于收集从超声速燃烧室尾部采到的样气；集气瓶的外表面装有保温的电加热器（22）；一个可移动的密封活塞（23）位于集气瓶（21）中，从集气瓶（21）收集到的样气将送至燃气分析仪（24）用于分析样气成分。

2.根据权利要求1所述的一种超声速燃气采样探针，其特征在于：所述探针流道（3）的个数为1～30，沿轴向分为三个部分中的扩张一段（9）为矩形入口，边长为0.3～10mm，轴向长度为1～30mm，朝上有第一扩张角（25），范围为0°～30°；扩张二段（10）的轴向长度为1～30mm，有三侧扩张，矩形截面，朝上第二扩张角（26）范围为30°～80°，两侧扩张角角度相同，范围为30°～80°；平直段（11）流道无角度变化，轴向长度为20～100mm，出口为矩形截面，边长为2～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种超声速燃气采样探针，其特征在于：所述采样耙上壳（1）和采样耙下壳（2）前端有楔形角，夹角范围为30°～80°，采样耙轴向长度由探针流道（3）轴向长度决定，采样耙宽度由探针数目和应用需求决定；采样耙总体高度为20～80mm。

4.根据权利要求1所述的一种超声速燃气采样探针，其特征在于：所述探针流道（3）完全在采样耙上壳（1）上加工而成，采样耙上壳（1）再和采样耙下壳（2）对齐焊接，降低了焊接误差对探针流道（3）的影响。

5.根据权利要求1所述的一种超声速燃气采样探针，其特征在于：所述水冷入口（8）位于左板（4）下部，冷却水从水冷入口（8）流入后，进入位于采样耙下壳（2）的下壳水冷通道（7），又经过探针间水冷通道（13）流入位于采样耙上壳（1）的上壳水冷通道（6），之后由位于采样耙右板（28）上部的水冷出口（12）流出。

6.根据权利要求1所述的一种超声速燃气采样探针，其特征在于：所述水冷通道（13）依附于壳体的外形，同样有一个楔形角，并在不破坏采样耙强度的情况下尽量靠近探针流道（3）前端。

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