CN105388248A - 一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施提供了一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置，包括：燃气发生器部分、补燃室部分、取样部分、观测部分四个部分；该试验装置可改变燃气发生器中燃料与氧化剂的比例，并实现固体颗粒质量流量的稳定可控调节，从而实现不同工况下固体火箭冲压发动机补燃室内的工作环境的模拟；通过传感器及高速相机等设备对实验过程进行实时监测，并在试验过程中对高能固体颗粒燃烧产物进行取样，实现对微米级高能固体在补燃室环境下的着火燃烧过程研究，本发明所需试验准备时间较短，费用成本较低，补燃室内部燃烧过程的观测手段多，可获得试验数据多，试验系统可重复利用性好，所得实验数据的工程参考价值高。

Description

一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置

技术领域

本发明涉及一种燃烧试验装置，特别涉及一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置。

背景技术

固体火箭冲压发动机简称固冲发动机，如图1所示，主要由燃气发生器1、进气道2、补燃室3及尾喷管4组成。工作原理是：导弹经助推器快速加速到冲压发动机可正常工作的转级马赫数后，发动机进气道打开，燃气发生器点火，富燃料固体推进剂药柱在燃气发生器中燃烧，产生大量富燃燃气，与进入的空气在补燃室内进行掺混及二次燃烧，高温燃气经尾喷管加速后喷出，为发动机提供持续动力。补燃室作为发动机能量转换的重要场所，其性能高低对发动机有直接影响。

目前的高能固体颗粒(硼、镁、铝、碳)由于较高的能量密度作为添加剂广泛应用于固体推进剂中。高能固体颗粒具有点火温度高、点火延迟时间长、表面燃烧等特性，完全燃烧需要在补燃室有较长的滞留时间。而实际燃料在补燃室的滞留时间通常只有几毫秒，如何在短时间内组织好含高能固体颗粒的掺混燃烧过程，实现补燃室的高效燃烧，始终是固冲发动机研制的关键问题。

目前针对补燃室高效燃烧主要有试验和数值仿真两种研究方法。试验研究以发动机整机试验和机理实验为主，整机试验准备周期长，费用成本高、难度大、内部燃烧过程难以观察且发动机可重复利用性不好等缺陷，而有关固体颗粒燃烧的机理实验装置又难以模拟发动机补燃室实际工作环境，所得实验数据的工程参考价值不高。数值仿真相对试验研究耗时较短、成本低，但由于在建模过程中进行了相应的简化处理，计算结果的准确度难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置，它能够模拟不同工况下固体火箭冲压发动机补燃室内的实际工作环境，通过传感器及高速相机等设备对实验过程进行实时监测，并能够在试验过程中对高能固体颗粒燃烧产物进行取样，从而实现对微米级高能固体在补燃室环境下的着火燃烧过程研究。

为解决上述技术问题，本发明“一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置”，包括：

燃气发生器部分、补燃室部分、取样部分、观测部分；所述燃气发生器部分包括：燃烧室、固体颗粒供应装置、头部冷却水套、燃料与氧化剂供应管路、火花塞、燃气发生器喉衬；所述固体颗粒供应装置以密封管路连接方式设置在燃烧室腔壳体上，其出口与燃烧室腔内部连通；所述补燃室部分包括补燃室腔、补燃室喉衬、石英观察窗；所述补燃室与燃气发生器喉衬密封连接，所述补燃室顶部壁面沿补燃室轴线方向设置数个取样口，补燃室两侧壁面开有透明石英观察窗，观察窗内壁上下两侧开有数个冷却孔；所述燃气发生器部分和补燃室部分壁面均设置温度传感器和压力传感器接口；所述取样部分包括取样杆，取样杆插入所述补燃室的取样口中；所述观测部分包括温度传感器、压力传感器、高速相机、光谱仪、光电倍增管、红外热像仪；温度传感器、压力传感器分别与燃气发生器和补燃室壁面上的温度传感器和压力传感器接口相连；高速相机、光谱仪、光电倍增管、红外热像仪置于补燃室的观察窗外，与数据采集系统相连。

优选的，所述固体颗粒供应装置由驱动电机、推杆、活塞、颗粒容器、流化气入口、环形进气槽、锥形空腔、颗粒出口构成；推杆、活塞、颗粒容器、锥形空腔和颗粒出口为同轴结构；推杆与活塞相连，位于活塞朝向驱动电机的一侧；活塞位于颗粒容器内，活塞直径与颗粒容器内径相等，活塞朝向出口端的一侧与置于颗粒容器内的固体颗粒接触；锥形空腔位于颗粒容器和颗粒出口之间，使颗粒容器和颗粒出口之间形成一个锥形空间；数个流化气入口设置在固体颗粒供应装置侧壁上，位于颗粒容器出口端附近，沿该装置周向均匀分布；环形进气槽是设置在固体颗粒供应装置内侧壁上的周向凹形槽，也位于颗粒容器出口端附近，用于连通流化气入口与锥形空腔。

优选的，环形进气槽的槽口朝颗粒出口方向倾斜。

优选的，所述取样部分包括进气孔、推进装置、取样杆出口三个部分，三者为同轴空心圆柱体，依次相连；进气孔和取样杆出口的内径小于推进装置的内径，推进装置内包括气动活塞、弹簧和取样杆，气动活塞直径与推进装置内径相等，活塞一侧为进气孔，另一侧朝向补燃室，取样杆焊接在气动活塞朝向补燃室的端面，弹簧套在取样杆上，活塞、弹簧及取样杆的上半部分位于推进装置的空腔内，取样杆的下半部分插入取样杆出口的空腔部；取样杆上刻有取样槽。

优选的，取样时，所述取样杆在补燃室流场中的长度大于补燃室的半径。

本发明与现有技术比较，具有以下优点：

(1)利用颗粒供应装置，通过调节驱动电机输出电压控制活塞运行速度，实现固体颗粒质量流量的稳定可控调节。

(2)利用取样装置可获得在补燃室不同轴向位置颗粒的燃烧产物，通过对燃烧产物进行扫描电镜、XRD等分析，确定燃烧产物成分，从而评价颗粒在补燃室不同位置的燃烧效率。

(3)在补燃室部分通过透明观察窗的设计，不仅可利用红外热像仪测量温度，得到补燃室二维温度场，为评价补燃室流场结构提供依据，而且可利用光电倍增管、光谱仪等设备测量补燃室颗粒燃烧光强、光谱信号，监测颗粒是否燃烧及燃烧的剧烈程度，还可利用滤波片、衰减片等结合高速相机拍摄补燃室颗粒燃烧过程。

(4)在燃气发生器和补燃室壁面上设置了压力和温度测点，通过压强传感器和温度传感器对试验装置内压强和温度进行实时测量，监测补燃室工况。

(5)通过改变燃气发生器中燃料与氧化剂的比例即可改变补燃室内工况，试验简单易行，方便进行多种初始条件下的燃烧过程及特性研究。

总的来说，相比传统的发动机整机试验，本发明所需试验准备时间较短，费用成本较低，补燃室内部燃烧过程的观测手段多，可获得试验数据多，试验系统可重复利用性好。相比颗粒燃烧机理实验，本发明能够很好的模拟发动机燃烧室内部实际工作环境，所得实验数据的工程参考价值高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有固体火箭冲压发动机结构示意图；

图2是本发明试验装置整体结构纵剖面侧视图；

图3是本发明试验装置整体结构纵剖面俯视图；

图4是实施例中固体颗粒供应装置结构纵向剖视图；

图5是实施例中颗粒燃烧产物取样装置结构未取样状态纵向剖视图；

图6是实施例中颗粒燃烧产物取样装置结构取样状态纵向剖视图；

图7是实施例中取样杆上取样槽横截面视图；

图8是实施例试验T1～T3中补燃室头部温度测量结果；

图9是实施例试验T1～T3中补燃室中段温度测量结果；

图10是实施例试验T1～T3中补燃室后段温度测量结果；

图11是实施例试验T1～T3中补燃室总压和静压测量结果；

图12是实施例试验T1～T3中BO₂特征光谱辐射信号测量结果。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中试验装置整体结构如图2和图3所示，包括四个部分：燃气发生器部分，补燃室部分，取样部分，观察部分。

所述燃气发生器部分包括：固体颗粒供应装置5、头部冷却水套6、燃料与氧化剂供应管路13、火花塞14、燃气发生器喉衬16。所述固体颗粒供应装置5以密封管路连接方式设置在燃烧室腔壳体上，其出口与燃烧室腔内部连通。

所述补燃室部分包括补燃室腔、补燃室喉衬12、石英观察窗19；所述补燃室与燃气发生器喉衬16密封连接，所述补燃室顶部壁面沿补燃室轴线方向设置数个取样口7、9、10，补燃室两侧壁面开有透明石英观察窗19，观察窗内壁上下两侧开有数个冷却孔；所述燃气发生器部分和补燃室部分壁面均设置温度传感器和压力传感器接口15、17、18、20、21。

所述取样部分11包括取样杆41，取样杆插入所述补燃室的取样口中；

所述观测部分包括温度传感器、压力传感器、高速相机26(附带衰减片24、滤光片25)、光谱仪22、光电倍增管23、红外热像仪24；温度传感器、压力传感器分别与燃气发生器和补燃室壁面上的温度传感器和压力传感器接口相连；高速相机、光谱仪、光电倍增管、红外热像仪置于补燃室的观察窗外，与数据采集系统相连。

试验过程如下：

燃料与氧化剂经由供应管路13进入燃气发生器，由火花塞14点火，产生高温燃气；

同时固体颗粒供应装置5中，驱动电机28通过推杆29推动活塞30向前运动，固体颗粒燃料31也随之运动，同时一路高压气体作为流化气由流化气入口32经环形进气槽33进入锥形空腔35，与固体颗粒混合，固体颗粒在流化气夹带下由颗粒出口34经密封管路进入燃气发生器与高温燃气混合；

冲压空气由进气口8进入补燃室，在补燃室壁面上沿补燃室轴线方向设置一系列取样口7、9、10，以实现补燃室多点取样。取样杆41插入取样孔中，用于试验过程中颗粒燃烧产物的收集，取样杆与取样孔之间用紫铜密封圈实现密封。为了防止取样杆暴露在热气流中过久被烧坏，取样过程在颗粒加入到了燃气发生器后才开始进行。

取样杆41焊接在不锈钢气动活塞38朝向补燃室的端面。取样前，如图5所示，不锈钢气动活塞38位于装置上端；取样时，如图6所示，高压气体从进气孔37进入壳体，推动气动活塞38，将与活塞下端相连的取样杆41推入燃气流中。取样杆上刻有取样槽42，如图7所示，所述取样槽的凹凸面正对来流方向。燃气流中的热颗粒撞击到突然进入的取样杆41后，被淬灭并冷却，附着在取样杆上，其中的凝相粒子产物被凝结在槽内。

采样过程保持两秒钟，完成取样后，高压气体泄压，复位弹簧39将气动活塞38往上推，与之相连的取样杆41返回取样装置壳体，防止取样时间过长被高温气流烧坏。

在补燃室中，颗粒主要分布由补燃室中轴线沿径向逐渐减少，为了取样到足够多的凝相颗粒，取样时取样杆38在补燃室流场中的长度必须大于补燃室的半径。

补燃室两侧壁面开有透明石英观察窗19，观察窗19与补燃室主体之间采用耐高温石棉垫片密封，氮气通过观察窗内侧的冷气孔实现吹除冷却，观察窗19用于高速相机26(附带衰减片24、滤光片25)拍摄试验过程中颗粒的燃烧过程或光谱仪22、光电倍增管23、红外热像仪24等设备采集光谱信号。此外，在燃气发生器部分和补燃室部分壁面有传感器接口15、17、18、20、21，用于安装温度传感器和压强传感器以测量试验系统内部温度和压强。

补燃室的流场条件同时受到燃气发生器燃料/氧化剂配比和补燃室空气进气流量的影响，通过调节燃气发生器燃料/氧化剂配比和补燃室空气进气流量，可以为硼颗粒的着火燃烧提供不同的流场条件。

本实施例采用硼颗粒作为燃烧颗粒，颗粒直径为3～5μm。之所以采用的固体颗粒粒径为微米级，一方面是由于微米级颗粒在流化气夹带下弥散效果较好，另一方面固体推进剂中所采用的高能固体颗粒添加剂粒径也大都是微米级。

本实施例进行了不同流场条件下的三组试验，试验编号分别为T1、T2、T3。三组试验的工况如表所示。

表1固冲发动机条件下硼颗粒燃烧试验工况

硼颗粒燃烧试验时序如下：

第0秒，打开氮气，将乙醇管路、氧气管路、燃气发生器和补燃室吹除干净，保证试验过程的安全。同时触发BO₂特征光谱辐射信号采集系统。

第2秒，关闭氧气管路的氮气，打开氧气、补燃室空气以及冷却系统。

第4秒，关闭乙醇管路的氮气，打开点火器，向燃气发生器通入乙醇，燃气发生器开始工作。

第5秒，打开硼颗粒注入装置，向燃气发生器注入硼颗粒。

第8秒，停止向燃气发生器注入硼颗粒。

第9秒，停止供应乙醇，同时打开乙醇管路氮气。

第10秒，关闭氧气，同时打开氧气管路氮气。

第11秒，同时关闭氮气、空气、冷却系统和BO₂特征光谱辐射信号采集系统，试验结束。

图9所示为试验T1～T3补燃室头部温度测量结果，图中Test3.1～Test3.3分别表示编号为T1～T3的三组试验，曲线表示三组试验中补燃室头部温度随时间的演化。

图10所示为试验T1～T3补燃室中部温度测量结果，曲线表示三组试验补燃室中部温度随时间的演化。

图11所示为试验T1～T3补燃室后段温度测量结果，曲线表示三组试验补燃室后段温度随时间的演化。

图12所示为试验T1～T3补燃室总压、静压测量结果，图中Pt-3.1、Pt-3.2、Pt-3.3分别表示编号为T1～T3的三组试验中，补燃室总压随时间的变化，Ps-3.1、Ps-3.2、Ps-3.3分别表示编号为T1～T3的三组试验中，补燃室静压随时间的变化。

图13所示为试验T1～T3中BO₂特征光谱辐射信号测量结果，其中曲线表示三组试验中BO₂的特征光谱辐射信号强度随时间的变化。

由实施例可知，本发明提供的高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置可以模拟不同工况下固体火箭冲压发动机补燃室内的实际工作环境，对实验过程进行实时监测，并能够对高能固体颗粒燃烧产物进行取样，从而实现对微米级高能固体在补燃室环境下的着火燃烧过程研究。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高速气流条件下微米级固体颗粒着火燃烧试验装置，包括：燃气发生器部分、补燃室部分、取样部分、观测部分；所述燃气发生器部分包括：燃烧室、固体颗粒供应装置(5)、头部冷却水套(6)、燃料与氧化剂供应管路(13)、火花塞(14)、燃气发生器喉衬(16)；所述固体颗粒供应装置(5)以密封管路连接方式设置在燃烧室腔壳体上，其出口与燃烧室腔内部连通；所述补燃室部分包括补燃室腔、补燃室喉衬(12)、石英观察窗(19)；所述补燃室与燃气发生器喉衬(16)密封连接，所述补燃室顶部壁面沿补燃室轴线方向设置数个取样口，补燃室两侧壁面开有透明石英观察窗(19)，观察窗内壁上下两侧开有数个冷却孔；所述燃气发生器部分和补燃室部分壁面均设置温度传感器和压力传感器接口；所述取样部分包括取样杆，取样杆插入所述补燃室的取样口中；所述观测部分包括温度传感器、压力传感器、高速相机(26)、光谱仪(22)、光电倍增管(23)、红外热像仪(24)；温度传感器、压力传感器分别与燃气发生器和补燃室壁面上的温度传感器和压力传感器接口相连；高速相机、光谱仪、光电倍增管、红外热像仪置于补燃室的观察窗外，与数据采集系统相连。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述固体颗粒供应装置由驱动电机(28)、推杆(29)、活塞(30)、颗粒容器(36)、流化气入口(32)、环形进气槽(33)、锥形空腔(35)、颗粒出口(34)构成；推杆(29)、活塞(30)、颗粒容器(36)、锥形空腔(35)和颗粒出口(34)为同轴结构；推杆(29)与活塞(30)相连，位于活塞朝向驱动电机的一侧；活塞(30)位于颗粒容器(36)内，活塞直径与颗粒容器内径相等，活塞朝向出口端的一侧与置于颗粒容器内的固体颗粒(31)接触；锥形空腔(35)位于颗粒容器(36)和颗粒出口(34)之间，使颗粒容器和颗粒出口之间形成一个锥形空间；数个流化气入口(32)设置在固体颗粒供应装置侧壁上，位于颗粒容器出口端附近，沿该装置周向均匀分布；环形进气槽(33)是设置在固体颗粒供应装置内侧壁上的周向凹形槽，也位于颗粒容器出口端附近，用于连通流化气入口与锥形空腔。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，环形进气槽(33)的槽口朝颗粒出口方向倾斜。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述取样部分包括进气孔(37)、推进装置、取样杆出口(40)三个部分，三者为同轴空心圆柱体，依次相连；进气孔(37)和取样杆出口(40)的内径小于推进装置的内径，推进装置内包括气动活塞(38)、弹簧(39)和取样杆(41)，气动活塞直径与推进装置内径相等，活塞一侧为进气孔，另一侧朝向补燃室，取样杆(41)焊接在气动活塞(38)朝向补燃室的端面，弹簧(39)套在取样杆(41)上，活塞、弹簧及取样杆的上半部分位于推进装置的空腔内，取样杆的下半部分插入取样杆出口的空腔部；取样杆上刻有取样槽(42)。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，取样时，所述取样杆(41)在补燃室流场中的长度大于补燃室的半径。