CN103529078B - 一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置及其使用方法，包括由上封盖、下封盖以及侧板围成的密闭压力容器、高温燃烧室和点火装置。高温燃烧室包括加热层，高温燃烧室底部设置有驱动其升降的升降控制导轨。使用时，高温燃烧室将本装置分为两个空间，即空间较大的密闭压力容器内的常温高压空间和内部空间较小的高温燃烧室内的高温高压空间，故加热空间小，加热快、效率高，节省加热所需的电能。另本装置提供了点火装置，既可开展液滴蒸发实验，也可开展液滴点火燃烧实验。进一步，利用升降控制导轨实现燃烧室的自动升降，使液滴适时快速处于高温高压环境中，解决了高温高压环境下液滴蒸发、点火实验时液滴提前挥发的难题，实验精度高。

Description

一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种液滴蒸发实验装置及其使用方法，特别是一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置及其使用方法。

背景技术

液滴蒸发点火实验装置一般应用于液体火箭发动机以及内燃机、燃气轮机、锅炉、喷气技术等研究领域。

液体火箭发动机是将飞行器（导弹、火箭或航天器）自身携带的液体推进剂的化学能转变为动能、为飞行器提供飞行所需动力的工具，对人类社会的发展产生了重大影响。发动机的性能、稳定性、相容性，一直是其研制中要解决的中心问题，与发动机推力室内液体推进剂的喷雾燃烧过程密切相关。

液体火箭发动机推力室内的喷雾燃烧过程非常复杂，包括喷注、雾化、蒸发、混合、点火、燃烧等物理/化学子过程。通过工程上的发动机点火热试车，很难捕捉到这些子过程各自的物理化学特征，很难从机理上获得描述这些子过程的确定性模型。为了揭示最基本的物理化学现象，需要针对各个子过程，建立实验系统、洞悉实验现象。其中，推进剂喷雾液滴在推力室高温高压环境下的蒸发点火燃烧实验是其中的重要部分，对于提高发动机性能、稳定性、相容性具有重要意义。

由于液体推进剂在较高温度下都具有较强的挥发性，所以实验时要求液滴首先与高温环境分离，以避免液滴提前挥发造成实验结果不准确，并满足液滴一旦进入高温高压环境即在尽可能短的时间内开始进行点火、测量燃烧过程的要求。如果按照传统做法直接悬挂液滴于高温下，液滴的挥发性势必影响实验效果甚至得不到有意义的实验数据，且目前国内外对高温高压环境下的液滴蒸发点火实验研究比较少，至今在国内外公开发表的文献中也未见涉及在高温高压环境下有效实现液滴蒸发点火实验的相关报道，现有同类实验一般只是考虑推进剂液滴的蒸发过程，且存在液滴直接进入高温高压环境而提前挥发等问题，虽然也得出了一些结果，但是和实际的发动机燃烧条件相比还是有很大差距。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种试验精度高、能源节省以及可进行液滴点火试验的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，包括由上封盖、下封盖以及侧板围成的密闭压力容器和置于其内部的电加热的高温燃烧室，所述上封盖上设置有增压进气口，上封盖内侧底部中心处设置有底端悬挂有液滴的液滴悬挂装置，所述高温燃烧室包括内壳、外壳以及置于两者之间的加热层，高温燃烧室顶端设置有一个液滴悬挂装置能从中通过的液滴通道，高温燃烧室底部设置有驱动其升降的升降控制导轨。

还包括一个设置于高温燃烧室内用以使液滴点火的点火装置，该点火装置包括相对设置的电火花塞和钨极丝；所述上封盖上还设置有工质气体进气口。

所述高温燃烧室的加热层与外壳之间设置有保温层。

所述液滴悬挂装置一侧设置有推进剂输送管路，该推进剂输送管路的一端从侧板中伸出，另一端紧贴液滴悬挂装置。

所述高温燃烧室内设置有热电偶。

所述密闭压力容器及高温燃烧室内均设置有压力传感器。

所述密闭压力容器及高温燃烧室的至少有一个同侧面上各设置有一个轴线重合的透明窗口，每个透明窗口外设置有光源和光学摄影设备。

一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步，高温高压环境生成：通过增压进气口向密闭压力容器内注入气体，高温燃烧室通过液滴通道使其内形成高压；同时，加热层通电，使高温燃烧室内形成高温；

第二步：液滴悬挂；

第三步：燃烧室上升，使第二步中悬挂好的液滴位于高温燃烧室内；

第四步：试验；

第五步：试验完成，高温燃烧室下降。

所述第一步中，同时通过工质气体进气口向密闭压力容器内注入工质气体；所述第四步试验之前，使电火花塞通电，该电火花塞与钨极丝产生电弧，使液滴点火。

所述第三步中，使悬挂好的液滴与每个透明窗口、光源与光学摄影设备保持于同一水平线。

本发明采用上述结构与方法后，上述高温燃烧室将本装置分为两个空间，一个为空间较大的密闭压力容器内的常温高压空间，一个为内部空间较小的高温燃烧室内的高温高压空间，故加热仅限于高温燃烧室内部空间，加热快、效率高，节省加热所需的电能。另本装置中提供了点火装置，既可开展液滴蒸发实验，也可开展液滴点火燃烧实验。进一步，利用升降控制导轨实现燃烧室的自动升降，使液滴适时快速处于高温高压环境中，稳定性好，解决了高温高压环境下液滴蒸发点火实验时液滴提前挥发的难题，操作方便，实验精度高。

附图说明

图1是本发明一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置试验时的结构示意图；

图2是本发明一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置试验后的结构示意图。

其中有：1.密闭压力容器；2.侧板；3.下降供气管路；4.上升供气管路；5.下封盖；6.带轮支腿；7.下安装支架；8.排污阀；9.螺栓；10.进线口；11.光学摄影设备；12.压力传感器；13.安全阀；14.工质气体进气口；15.增压进气口；16.上安装支架；17.上封盖；18.推进剂输送管路；19.光源；20.透明窗口；21.液滴通道；22.液滴悬挂装置；23.液滴；24.外壳；25.内壳；26.保温层；27.热电偶；28.加热层；29.升降气缸；30.升降控制导轨；31.加热层电缆；32.热电偶电缆；33.电火花塞电缆；34.高温燃烧室；35.电火花塞；36.钨极丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，包括由上封盖17、下封盖5以及侧板2围成的密闭压力容器1、置于其内部的电加热的高温燃烧室34和设置于高温燃烧室34内用以使液滴23点火的点火装置，该点火装置包括相对设置的电火花塞35和钨极丝36。上述上封盖17、下封盖5以及侧板2可以为一体结构，其中一侧板2可开门；也可通过多个螺栓9进行连接；另外，密闭压力容器1与高温燃烧室34的形状可以为圆筒形，可也为方形或长方形。作为变形，下封盖5底部可以安装带轮支腿6，方便进行移动；同时，下封盖5还可设置排污阀8，将试验后的废气排出。

上封盖17上设置有增压进气口15、工质气体进气口14和安全阀13，上封盖17内侧底部中心处通过上安装支架16或直接安装有底端悬挂有液滴23的液滴悬挂装置22，其中上安装支架16可拆卸，方便液滴23悬挂。该液滴悬挂装置22的一侧设置有推进剂输送管路18，该推进剂输送管路18的一端从侧板2中伸出，另一端紧贴液滴悬挂装置22。当密闭压力容器1内压力超高时，上述安全阀13可自动放气卸压，保证密闭压力容器1内压力稳定与实验安全。

高温燃烧室34包括内壳25、外壳24以及置于两者之间的加热层28，该加热层28与外壳24之间还设置有保温层26，高温燃烧室34顶端设置有一个液滴悬挂装置22能从中通过的液滴通道21，高温燃烧室34底部设置的升降控制导轨30直接或通过下安装支架7与下封盖5连接。其中内壳25与外壳24采用不锈钢材料制成，不易锈蚀，易保养；另下安装支架7为便以安装，也可设计为拆卸结构。

上述高温燃烧室34内设置有热电偶27，该热电偶27可用以监测高温燃烧室34内的温度是否符合设定要求。

上述侧板2或下封盖5上设置有进线口10，依次与加热层28、热电偶27和电火花塞35连接的可伸缩的加热层电缆31、热电偶电缆32和电火花塞电缆33均从该进线口10穿出。

上述密闭压力容器1及高温燃烧室34内均设置有压力传感器12，该压力传感器12可用以监测密闭压力容器1或高温燃烧室34内的压力是否达到设定要求。

上述密闭压力容器1及高温燃烧室34的有两个对称的同侧面上分别设置有一个轴线重合的透明窗口20，每个透明窗口20外设置有光源19和光学摄影设备11，作为变形，透明窗口20的数量可以根据实验需要设置为1个、3个、4个或多个。另外，透明窗口20的材料优选为石英玻璃材料。

上述升降控制导轨30可通过升降气缸29启动控制升降，也可通过电机进行电动控制升降，为定位准确，可在升降控制导轨30上增加位移传感器或行程开关等。如图1所述，升降气缸29包括从侧板2穿出的用以驱动升降气缸29下降的下降供气管路3和用以驱动升降气缸29上升的上升供气管路4。

本发明高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置的使用方法，包括如下步骤。

第一步，高温高压环境生成：通过增压进气口15向密闭压力容器1内注入氮气，置换密闭压力容器1内的空气；之后，根据需要通过工质气体进气口14向密闭压力容器1内注入预定量的氧气，为液滴23点火提供氧化剂或燃料环境（如果仅开展蒸发实验，则不需要注入工质气体的步骤，如果开展燃料液滴，如煤油等的蒸发、点火实验，注入的工质气体为氧气等氧化剂；如果开展氧化剂液滴，如液氧等的蒸发、点火实验，则注入的工质气体为氢气等燃料）。

然后，继续通过增压进气口15向密闭压力容器1内注入氮气，通过压力传感器12监测密闭压力容器1及高温燃烧室34内的压力变化；待密闭压力容器1及高温燃烧室34内压力达到预定值后，关闭增压进气口15；期间，加热层28通电，加热高温燃烧室34内气体温度，通过热电偶27监测高温燃烧室34内温度变化，待高温燃烧室34内温度变化达到预定值后，加热层28断电。这一过程中，高温燃烧室34处于下降状态，由于高温燃烧室34设置了液滴通道21，高温燃烧室34与密闭压力容器1相连，压力平衡，但由于高温燃烧室34设置了保温层26，高温燃烧室34内不但是高压环境，也是高温环境，而密闭压力容器1内（除高温燃烧室34内部空间）只是高压环境。

第二步，液滴23悬挂：上述推进剂输送管路18优选为毛细管输送管路，将由活塞式微量液体供应泵输出的微量液体输送到与其紧贴的液滴悬挂装置22上，微量液体即沿着液滴悬挂装置22在重力作用下向下流动并最后在液滴悬挂装置22底端的圆头处形成液滴23。液滴悬挂装置22采用细玻璃棒或毛细管，其底端圆头直径优选为1mm，液滴23直径约为2mm，液滴通道21直径为10mm，能满足液滴23顺利通过的要求。

第三步，高温燃烧室34上升，使第二步中悬挂好的液滴23位于高温燃烧室34内：

通过升降气缸29或电机使升降控制导轨30上升，从而推动高温燃烧室34向上运动，使高温燃烧室34到达预定位置。此时，悬挂好的液滴23与每个透明窗口20、光源19与光学摄影设备11保持于同一水平线。

本发明能使液滴23快速从常温进入高温高压环境，即能在很短的时间内开始进行液滴23蒸发或点火测量燃烧过程的试验。有效避免了传统方法中因液滴23由常温至高温过程中的液滴23提前挥发导致试验效果差的难题，试验精度更高。

第四步，试验：开启光源19与光学摄影设备11，可直接进行蒸发试验，试验方法可按照目前现有测试方法进行。如果需要进行点火试验，此时，需要使电火花塞35单脉冲通电，与相对着的钨极丝36之间产生电弧，点燃液滴23。

第五步：试验完成，高温燃烧室34下降，通过排污阀8将密闭压力容器1内的气体放掉。

Claims (9)

1.一种高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，其特征在于：包括由上封盖（17）、下封盖（5）以及侧板（2）围成的密闭压力容器（1）和置于其内部的电加热的高温燃烧室（34），所述上封盖（17）上设置有增压进气口（15），上封盖（17）内侧底部中心处设置有底端悬挂有液滴（23）的液滴悬挂装置（22），所述高温燃烧室（34）包括内壳（25）、外壳（24）以及置于两者之间的加热层（28），高温燃烧室（34）顶端设置有一个液滴悬挂装置（22）能从中通过的液滴通道（21），高温燃烧室（34）底部设置有驱动其升降的升降控制导轨（30）；还包括一个设置于高温燃烧室（34）内用于使液滴（23）点火的点火装置，该点火装置包括相对设置的电火花塞（35）和钨极丝（36）；所述上封盖（17）上还设置有工质气体进气口（14）。

2.根据权利要求1所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，其特征在于：所述高温燃烧室（34）的加热层（28）与外壳（24）之间设置有保温层（26）。

3.根据权利要求1所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，其特征在于：所述液滴悬挂装置（22）一侧设置有推进剂输送管路（18），该推进剂输送管路（18）的一端从侧板（2）中伸出，另一端紧贴液滴悬挂装置（22）。

4.根据权利要求2所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，其特征在于：所述高温燃烧室（34）内设置有热电偶（27）。

5.根据权利要求1所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，其特征在于：所述密闭压力容器（1）及高温燃烧室（34）内均设置有压力传感器（12）。

6.根据权利要求1所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置，其特征在于：所述密闭压力容器（1）及高温燃烧室（34）至少有一个同侧面上各设置有一个轴线重合的透明窗口（20），每个透明窗口（20）外设置有光源（19）和光学摄影设备（11）。

7.一种使用权利要求1至6任一项所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，高温高压环境生成：通过增压进气口（15）向密闭压力容器内注入气体，高温燃烧室（34）通过液滴通道（21）使其内形成高压；同时，加热层（28）通电，使高温燃烧室（34）内形成高温；第二步：液滴（23）悬挂；第三步：高温燃烧室（34）上升，使第二步中悬挂好的液滴（23）位于高温燃烧室（34）内；第四步：试验；第五步：试验完成，高温燃烧室（34）下降。

8.根据权利要求7所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置的方法，其特征在于：所述第一步中，同时通过工质气体进气口（14）向密闭压力容器内注入工质气体；所述第四步试验之前，使电火花塞（35）单脉冲通电，该电火花塞（35）与钨极丝（36）产生电弧，使液滴（23）点火。

9.根据权利要求7所述的高温高压环境下液滴蒸发点火实验装置的方法，其特征在于：所述密闭压力容器（1）及高温燃烧室（34）至少有一个同侧面上各设置有一个轴线重合的透明窗口（20），每个透明窗口（20）外设置有光源（19）和光学摄影设备（11）；在第三步中，使悬挂好的液滴（23）与每个透明窗口（20）、光源（19）与光学摄影设备（11）保持于同一水平线。