CN105673253B - 一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，特别涉及的是金属颗粒在震荡气流中的燃烧，属于微不稳定燃烧领域。本发明由喇叭发声器、喇叭口盖、对孔接头、金属接头、多孔介质、不锈钢冷管等组成。本燃烧器独特的采用了喇叭发生器提供外来声激励，可以模拟低频下震荡环境中的铝粉燃烧情况，而固体发动机中铝粉燃烧是低频声振荡环境，故模拟环境更为贴切，获得结果为固体发动机中的不稳定燃烧分析提供更可靠的理论依据。这种燃烧器采用了预混合燃料替代推进剂，安全性提高；在这种燃烧器中可直观的观测到添加铝粉的燃烧情况；这种燃烧器还可以重复进行实验。所以该微燃器对以后研究金属颗粒在震荡气流中的不稳定燃烧有很好的使用价值。

Description

一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，特别涉及的是金属颗粒在震荡气流中的燃烧，属于微不稳定燃烧领域。

背景技术

随着航空宇航科学技术的发展，固体火箭发动机相对于液体发动机有推重比大,操作简便等技术优势,使得其备受追捧.但是固体发动机中推进剂燃烧不稳定性会造成燃烧室中的压力震荡,严重时会导致灾难性的后果,从而对固体发动机工作稳定性的要求越来越高。

解决固体发动机的一种途径是添加细金属颗粒粘性阻尼声压的震荡,金属颗粒不仅能提高推进剂的能量密度，而且还对发送机工作时某些频率的声不稳定燃烧有抑制作用。但是金属颗粒在震荡气流下的燃烧不稳定性具有强破坏性、高度复杂性、以及很强的随机性，其对发动机的工作性能造成很大的困扰，当声压频率和振幅达到某种状况时,甚至会损害发动机的燃烧室。

现有的Rijke燃烧器，只适用于自激震荡燃烧试验。而本燃烧器可以模拟外加激励的震荡燃烧，即可以调节外在激励模拟低频状况下的震荡流燃烧特性，这与固体发动机中的频率更为贴近，可以取得良好的模拟效果。

发明内容

本发明的目的是为了一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，该燃烧器采用了喇叭发生器提供外来声激励，可以模拟低频下震荡环境中的金属颗粒燃烧情况，而固体发动机中金属颗粒燃烧是低频声振荡环境，故模拟环境更为贴切，获得结果为固体发动机中的不稳定燃烧分析提供更可靠的理论依据。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器。包括喇叭，金属接头，多孔介质，密封接头，不锈钢管，金属套，火焰稳定器，金属颗粒输送端口，上半石英管，横杆，支架套，支架，底座，喇叭盖，对孔接头，注料口，石墨 垫圈，声压传感器接口，耐高温垫圈。

连接关系：喇叭与喇叭盖固定连接，喇叭盖与对孔接头连接，通过喇叭盖与对孔接头共轴线及接口尺寸配合保证了喇叭的发声面与对孔接头内孔能够无间隙配合；对孔接头小端通过螺纹连接到金属接头底面凹槽处，燃料、氧化剂、稀释气体通过金属接头上的注料口注入，横杆通过螺纹固连于金属接头；多孔介质放置于金属接头顶部凹槽内，再将不锈钢管放在多孔介质上，需保证不锈钢管与金属接头内部的通孔对应；然后通过密封接头密封，密封接头下端密封处放置石墨垫圈；不锈钢管的另一端置于金属套的内部通孔处，并与同样置于该通孔内的上半石英管对应，不锈钢管与上半石英管之间放置有火焰稳定器；不锈钢管开有声压传感器接口；上半石英管开有声压传感器接口和金属颗粒输送端口；上半石英管内放置火焰稳定器，该火焰稳定器位于金属颗粒输送端口下方；支架套通过螺杆挤压定位到支架上，支架与底座之间螺纹螺孔连接，底座上加工有圆通孔，通过螺栓固定到实验台上，保证整个装置的稳定性。

所述对孔接头为带有突台的多层阶梯形状，最顶层的阶梯直径最小，最底层的阶梯直径最大；突台位于最底层阶梯的底面边缘处，用于与喇叭盖螺纹连接；对孔接头内部开设通孔，该通孔为横截面直径渐变的通孔；通孔横截面直径最大处，直径与喇叭口的直径相同；通孔横截面直径最小处需小于最顶层的阶梯直径；对孔接头采用材料铝2024以便减轻装置的重量；

所述的金属接头的底部开设凹槽，与对孔接头最顶层匹配，便于与对孔接头固定连接；沿凹槽向内开设通孔，通孔直径与对孔接头最顶层内孔最小直径相同；金属接头的顶部开设有凹槽，凹槽与多孔介质直径相同；通孔对应的侧壁处开设注料口；金属接头的侧壁上开有螺纹孔用于固定横杆；

所述金属套顶面和底面向内分别开设有凹槽，两凹槽通过通孔连通；上部凹槽内放置火焰稳定器然后再放置上半石英管，并通过密封接头密封；下部凹槽放置不锈钢管，并通过密封接头密封；侧壁上开有螺纹孔用于固定横杆；

所述的金属接头和对孔接头之间，采用对孔接头一端的轴与金属接头的孔H7/f6小间隙配合，保证了对孔接头和金属接头的内斜孔可以无间隙连接；

所述的密封接头为外带螺纹的类柱体，并开设有通孔。密封接头分别与金属接头、金属套是螺纹螺孔连接，并加装了垫圈，使该装置有良好的密封性；

所述的火焰稳定器为多孔陶瓷材料。其外径与金属套、上半石英管内径相 同。

工作过程：微型燃烧器的工作过程为喇叭外接线透过喇叭盖的开孔与外部设备信号发生器连接，之后通过调整信号发生器的信号输出使喇叭产生频率为200Hz左右的低频谐波，声波通过对孔接头内部的孔腔传输至不锈钢管，不锈钢管的声压传感器接口连接，用信号采集设备确定可以获得一定低频信号。此时将稀释气体在高压下通过金属接头上的注料孔流入金属接头的通孔内，并将装置内的气体排出，然后将燃气和氧化剂在高压下按一定的当量比注入到金属接头中。分别注入的燃气、氧化剂、稀释气体会经由金属接头内的通气孔流向多孔介质，在多孔介质内三种气体燃气、氧化剂、稀释气体混合，成为预混合燃料。混合燃料然后流入到不锈钢管中，不锈钢管内的燃气进一步流入到金属套的通孔内，在流经火焰稳定器时，三种气体燃气、氧化剂、稀释气体会被预热，沿上半石英管中的火焰稳定器继续向上流动，最终在火焰稳定器的上方被点燃形成平面火焰。当装置内的燃气经过火焰稳定器得到比较稳定的火焰后，再将金属颗粒经由上半石英管上的金属颗粒输送端口送到火焰稳定器上方的火焰中点燃。在金属颗粒燃烧过程中用摄像机拍摄火焰的燃烧状况，并同时用声压传感器采集不锈钢管和上半石英管内的声压信号，同时用温度感应片，测量金属颗粒燃烧火焰的温度。

有益效果

1、本燃烧器独特的采用了喇叭发生器提供外来声激励，可以模拟低频下震荡环境中的金属颗粒燃烧情况，而固体发动机中金属颗粒燃烧多是低频声振荡环境，故模拟环境更为贴切，获得结果为固体发动机中的不稳定燃烧分析提供更可靠的理论依据。

2、本微型燃烧器中金属接头和不锈钢管、不锈钢管和金属套以及金属套和上半石英管之间的连接使用了密封接头，螺纹螺孔连接结构可以使装置的密封性更好，

3、不锈钢管和金属接头之间的多孔介质使气体燃烧前混合的比较均匀，达到用于混合燃气代替推进剂的目的。

4、这种燃烧器采用了预混合燃料替代推进剂，安全性提高；在这种燃烧器中上半石英管透明，可直观的观测到添加金属颗粒的燃烧情况；这种燃烧器还可以多次重复进行实验。

附图说明

图1为具体实施方式中密封接头主剖视图和左视图；

图2为具体实施方式中对孔接头主剖视图和俯视图；

图3为具体实施方式中火焰稳定器主剖视图和左视图；

图4为具体实施方式中金属接头主视图、A-A剖视图和B-B剖视图；

图5为具体实施方式中金属套主视图和俯剖视图；

图6为具体实施方式中实验装置图。

其中，1—喇叭，2—金属接头，3—多孔介质，4—密封接头，5—不锈钢管，6—金属套，7—火焰稳定器，8—金属颗粒输送端口，9—上半石英管，10—横杆，11—支架套，12—支架，13—底座，14—喇叭盖，15—对孔接头，16—注料口，17—石墨垫圈，18—声压传感器接口，19—耐高温垫圈。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图和具体实施例来对本发明进一步说明。

实施例1

本发明的电池采用户外液化气罐提供燃料，如图6所示，通过通气管连接在金属接头2的燃料注入口16处，只需旋转气罐上的按钮开关即可对微型燃烧器分别输送燃气、氧化剂和稀释气体。

用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，如图6所示包括：喇叭1，金属接头2，多孔介质3，密封接头4，不锈钢管5，金属套6，火焰稳定器7，金属颗粒输送端口8，上半石英管9，横杆10，支架套11，支架12，底座13，喇叭盖14，对孔接头15，注料口16，石墨垫圈17，声压传感器接口18，耐高温垫圈19。

连接关系：喇叭1与喇叭盖14固定连接，喇叭盖14与对孔接头15通过螺纹连接，又有喇叭盖14与对孔接头15共轴线及接口尺寸配合保证了喇叭的发声面与对孔接头内孔能够无间隙配合；对孔接头15小端通过螺纹连接到金属接头2底面凹槽处，燃料、氧化剂、稀释气体输送管与金属接头上的注料口16连接，横杆10通过螺纹固连于金属接头2；多孔介质3放置于金属接头2顶部 凹槽内，再将不锈钢管5放在多孔介质3上，需保证不锈钢管5与金属接头2内部的通孔对应；然后通过密封接头4与金属接头2螺纹密封连接，密封接头4下端密封处放置石墨垫圈16；不锈钢管5通过密封接头4通孔的另一端置于金属套6的内部通孔处，并与同样置于该通孔内的上半石英管9对应，然后将密封接头与金属套螺纹密封连接；不锈钢管5与上半石英管9之间放置有火焰稳定器7；不锈钢管5开设声压传感器接口18；上半石英管9开有声压传感器接口18和金属颗粒输送端口20；上半石英管9内放置火焰稳定器7，该火焰稳定器位于金属颗粒输送端口20下方；支架套11通过螺杆挤压定位到支架12上，支架12与底座13之间螺纹螺孔连接，底座13上加工有圆通孔，通过螺栓与实验台上的螺纹孔固定连接，以保证整个装置的稳定性。

所述金属套6顶面和底面向内分别开设有凹槽，两凹槽通过通孔连通；上部凹槽内放置火焰稳定器7然后再放置上半石英管9，并通过密封接头4密封；下部凹槽放置不锈钢管5，，并通过密封接头4密封；侧壁上开有螺纹孔用于固定横杆10；

所述的金属接头2和对孔接头15之间，采用对孔接头15一端的轴与金属接头2的孔H7/f6小间隙配合，保证了对孔接头15和金属接头2的内斜孔可以无间隙连接；

所述的密封接头4为外带螺纹的类柱体并开设有通孔。密封接头4分别与金属接头2、金属套6是螺纹螺孔连接，并加装了垫圈，使该装置有良好的密封性；

所述的火焰稳定器7为多孔陶瓷材料。其外径与金属套、上半石英管内径相同。

所述的多孔介质3与金属接头内圆孔间隙配合，位于燃料注入口16的上方。

所述的对孔接头15采用材料铝2024以便减轻装置的重量。

工作过程：如说明图6所示，微型燃烧器的工作过程为喇叭外接线透过喇叭盖14的开孔与外部设备信号发生器连接，之后通过调整信号发生器的信号输出使喇叭产生频率为200Hz左右的低频谐波，声波通过对孔接头15内部的孔腔传输至不锈钢管5，不锈钢管的声压传感器接口18连接，用信号采集设备确定可以获得一定低频信号。此时将稀释气体在高压下通过金属接头2上的注料孔6流入金属接头的通孔内，并将装置内的气体排出，然后将燃气和氧化剂在高压 下按一定的当量比注入到金属接头2中。分别注入的燃气、氧化剂、稀释气体会经由金属接头内的通气孔流向多孔介质3，在多孔介质内三种气体燃气、氧化剂、稀释气体混合，成为预混合燃料。混合燃料然后流入到不锈钢管5中，不锈钢管内的燃气进一步流入到金属套6的通孔内，在流经火焰稳定器7时，三种气体燃气、氧化剂、稀释气体会被预热，沿上半石英管9中的火焰稳定器7继续向上流动，最终在火焰稳定器7的上方被点燃形成平面火焰。当装置内的燃气经过火焰稳定器7得到比较稳定的火焰后，再将金属颗粒经由上半石英管9上的金属颗粒输送端口8送到火焰稳定器7上方的火焰中点燃。在金属颗粒燃烧过程中用摄像机拍摄火焰的燃烧状况，并同时用声压传感器采集不锈钢管5和上半石英管9内的声压信号，同时用温度感应片，测量金属颗粒燃烧火焰的温度。

以上所述的描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：包括喇叭(1)，金属接头(2)，多孔介质(3)，密封接头(4)，不锈钢管(5)，金属套(6)，火焰稳定器(7)，金属颗粒输送端口(8)，上半石英管(9)，横杆(10)，支架套(11)，支架(12)，底座(13)，喇叭盖(14)，对孔接头(15)，注料口(16)，石墨垫圈(17)，声压传感器接口(18)，耐高温垫圈(19)；

喇叭(1)与喇叭盖(14)固定连接，喇叭盖(14)与对孔接头(15)连接，通过喇叭盖(14)与对孔接头(15)共轴线及接口尺寸配合保证了喇叭的发声面与对孔接头内孔能够无间隙配合；对孔接头(15)小端通过螺纹连接到金属接头(2)底面凹槽处，燃料、氧化剂、稀释气体通过金属接头上的注料口(16)注入，横杆(10)通过螺纹固连于金属接头(2)；多孔介质(3)放置于金属接头(2)顶部凹槽内，再将不锈钢管(5)放在多孔介质(3)上，需保证不锈钢管(5)与金属接头(2)内部的通孔对应；然后通过密封接头(4)密封，密封接头(4)下端密封处放置石墨垫圈(17)；不锈钢管(5)的另一端置于金属套(6)的内部通孔处，并与同样置于金属套(6)的内部通孔内的上半石英管(9)对应，不锈钢管(5)与上半石英管(9)之间放置有火焰稳定器(7)；不锈钢管(5)开有声压传感器接口(18)；上半石英管(9)开有声压传感器接口(18)和金属颗粒输送端口(20)；上半石英管(9)内放置火焰稳定器(7)，该火焰稳定器位于金属颗粒输送端口(20)下方；支架套(11)通过螺杆挤压定位到支架(12)上，支架(12)与底座(13)之间螺纹螺孔连接，底座(13)上加工有圆通孔，通过螺栓固定到实验台上，保证整个装置的稳定性。

2.如权利要求1所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述对孔接头(15)为带有突台的多层阶梯形状，最顶层的阶梯直径最小，最底层的阶梯直径最大；突台位于最底层阶梯的底面边缘处，用于与喇叭盖(14)螺纹连接；对孔接头(15)内部开设通孔，对孔接头(15)的内部通孔为横截面直径渐变的通孔；对孔接头(15)的内部通孔横截面直径最大处，直径与喇叭(1)口的直径相同；对孔接头(15)的内部通孔横截面直径最小处需小于最顶层的阶梯直径。

3.如权利要求1所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述的金属接头(2)的底部开设底部凹槽，与对孔接头(15)最顶层匹配，便于与对孔接头(15)固定连接；沿底部凹槽向内开设凹槽通孔， 凹槽通孔直径与对孔接头(15)最顶层内孔最小直径相同；金属接头(2)的顶部开设有顶部凹槽，顶部凹槽与多孔介质(3)直径相同；凹槽通孔对应的侧壁处开设注料口(16)；金属接头(2)的侧壁上开有螺纹孔用于固定横杆(10)。

4.如权利要求1所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述金属套(6)顶面和底面向内分别开设有顶面凹槽和底面凹槽，顶面凹槽和底面凹槽通过通孔连通；顶面凹槽内放置火焰稳定器(7)然后再放置上半石英管(9)，并通过密封接头(4)密封；底面凹槽放置不锈钢管(5)，并通过密封接头(4)密封；侧壁上开有螺纹孔用于固定横杆(10)。

5.如权利要求1所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述的金属接头(2)和对孔接头(15)之间，采用对孔接头(15)一端的轴与金属接头(2)的孔小间隙配合，保证了对孔接头(15)和金属接头(2)的内斜孔可以无间隙连接。

6.如权利要求1所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述的密封接头(4)为外带螺纹的类柱体，并开设有密封接头(4)通孔；密封接头(4)分别与金属接头(2)、金属套(6)是螺纹螺孔连接，并加装了垫圈，使该装置有良好的密封性。

7.如权利要求1所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述的火焰稳定器(7)外径与金属套、上半石英管内径相同。

8.如权利要求1或2或7所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述的火焰稳定器(7)为多孔陶瓷材料；对孔接头(15)采用材料铝2024以便减轻装置的重量。

9.如权利要求1至7任意一项所述的一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器，其特征在于：所述燃烧器的工作过程为：喇叭外接线透过喇叭盖(14)的开孔与外部设备信号发生器连接，之后通过调整信号发生器的信号输出使喇叭产生频率为200Hz左右的低频谐波，声波通过对孔接头(15)内部的孔腔传输至不锈钢管(5)，不锈钢管的声压传感器接口(18)连接，用信号采集设备确定可以获得一定低频信号；此时将稀释气体在高压下通过金属接头(2)上的注料口(16)流入金属接头的通孔内，并将装置内的气体排出，然后将燃气和氧化剂在高压下按一定的当量比注入到金属接头(2)中；分别注入的燃气、氧化剂、稀释气体会经由金属接头内的通气孔流向多孔介质(3)，在多孔介质 内三种气体燃气、氧化剂、稀释气体混合，成为预混合燃料；混合燃料然后流入到不锈钢管(5)中，不锈钢管内的燃气进一步流入到金属套(6)的通孔内，在流经火焰稳定器(7)时，三种气体燃气、氧化剂、稀释气体会被预热，沿上半石英管(9)中的火焰稳定器(7)继续向上流动，最终在火焰稳定器(7)的上方被点燃形成平面火焰；当装置内的燃气经过火焰稳定器(7)得到比较稳定的火焰后，再将金属颗粒经由上半石英管(9)上的金属颗粒输送端口(8)送到火焰稳定器(7)上方的火焰中点燃；在金属颗粒燃烧过程中用摄像机拍摄火焰的燃烧状况，并同时用声压传感器采集不锈钢管(5)和上半石英管(9)内的声压信号，同时用温度感应片，测量金属颗粒燃烧火焰的温度。