CN105699423A - 一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冲压发动机技术领域，尤其涉及一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置。该冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，包括：燃烧系统，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合并点燃；裂解系统，与燃烧系统连通，用于为燃烧系统提供可控的液相燃料和气相燃料；火焰数据采集系统，与燃烧系统连接，用于检测气相和液相燃料混合燃烧的燃烧性能。该冲压发动机燃料燃烧性能测试装置主要用于吸热型碳氢燃料燃烧特性的检测，可模拟高超飞行器动力装置的超然冲压发动机工作状态，对冲压发动机的燃料的燃烧性能进行检测及合理观测，既能检测裂解气燃烧性能，同时也能检测液体燃料的燃烧性能，设备操作简洁方便，安全性高，火焰观察便捷，测温点位较为灵活。
Description
技术领域
本发明涉及冲压发动机技术领域，尤其涉及一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置。
背景技术
飞行马赫数大于5的高超音速飞行器是当代航空航天科学技术的发展前沿。冲压发动机作为高超音速飞行器动力装置，由于苛刻的环境温度需要更大的冷却热沉。目前常规使用的热防护措施，如传统的气膜冷却、改进材质和提供钝化的冷却技术等，对飞行器高温部件的热管理已无法满足要求。采用机械致冷系统或非可燃冷却剂等吸热源可以起到有效冷却作用，但会降低飞行器的载荷性能。从飞行器一体化设计角度出发，可燃冷却剂(即吸热型燃料)是最经济和最有效的吸热源。
在冲压发动机燃料燃烧过程中，对燃烧性能测试的研究十分重要，通过对燃料燃烧特性的监测了解燃料燃烧过程特性以及存在问题，为高性能燃料的开发提供基础数据，也为我国的国防和高、深、空技术提供必要的技术保障。但是目前尚没有合适的装置能对冲压发动机的燃料的燃烧性能进行检测及合理观测，并可以在一定程度上模拟高超飞行器动力装置的超然冲压发动机工作状态。
鉴于上述背景技术的缺陷，本发明提供了一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供了一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，可以在一定程度上模拟高超飞行器动力装置的超然冲压发动机工作状态，对冲压发动机的燃料的燃烧性能进行检测及合理观测，既能检测裂解气燃烧性能，同时也能检测液体燃料的燃烧性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，包括：
燃烧系统，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合并点燃；
裂解系统，与所述燃烧系统连通，用于为所述燃烧系统提供可控的液相燃料和气相燃料；
火焰数据采集系统，与所述燃烧系统连接，用于检测所述气相和液相燃料混合燃烧的燃烧性能。
进一步的，所述燃烧系统包括：
燃烧室，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合形成液气混合燃料，并为所述液气混合燃料提供燃烧和检测空间；其中，所述气相燃料包括经由所述裂解系统裂解后的裂解气；
点火器，分别与所述燃烧室和火焰数据采集系统连接，用于监测并控制所述燃烧室内的液气混合燃料的燃烧，所述点火器的一端连接有变压器，另一端连接有电极，且所述点火器通过延时控制与火焰数据采集系统连接。
进一步的，所述燃烧室包括：
腔体，通过空气分布器分隔为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室设有第一空气进口，以将空气引入所述第一腔室内，并经过所述空气分布器均匀的通入所述第二腔室内，所述第二腔室用于为所述液气混合燃料的燃烧提供燃烧和观测空间；
液相燃料通道，一端设有液相燃料进口，另一端设有液相燃料出口，所述液相燃料出口设置于第二腔室内，且设有液体雾化器，所述液相燃料进口与第二腔室之间还连通有第二空气进口；
裂解气通道，一端设有裂解气进口，另一端设有裂解气出口，所述裂解气出口设置于第二腔室内，且与所述液相燃料出口对应设置，以使所述裂解气与液相燃料混合均匀；
热偶测试口，所述热偶测试口均匀的分布于所述液相燃料通道和裂解气通道的两侧。
进一步的，所述火焰数据采集系统包括与所述燃烧室对应设置的红外成像仪和高速摄像机，所述红外成像仪和高速摄像机用于监测所述燃烧室内的液气混合燃料的燃烧状态。
进一步的，所述裂解系统包括：
预热器，用于使所述气相燃料预热汽化，包括相互盘旋设置的气相盘管和液相盘管，所述气相盘管和液相盘管均连通有混合器；
裂解反应器，用于使混合预热汽化后的气相燃料发生裂解反应，所述裂解反应器的一端与混合器连通，另一端通过裂解进料管路与燃烧系统连通；
气相燃料进料管路，与所述气相盘管连通；
液相燃料进料管路，与所述燃烧系统连通，或者是与所述液相盘管连通；
基础燃料管路，与所述液相盘管连通；
空气进料管路，与所述燃烧系统连通。
进一步的，所述气相燃料进料管路包括氮气进料管和标准燃料气进料管，所述氮气进料管和标准燃料气进料管并联设置，且与第一气体过滤器、第一减压阀、第一流量计、第一单向阀顺次串联，所述第一单向阀与气相盘管连通；所述第一流量计并联有二级减压阀，所述二级减压阀连通有原料罐，以将减压后的部分所述气相燃料提供给所述原料罐作为密封气体。
进一步的，所述液相燃料进料管路包括顺次串联设置的第一冷却器、第一液体过滤器、第一精密计量泵和第二单向阀，所述第二单向阀与燃烧系统连通，或者是所述第二单向阀与液相盘管连通。
进一步的，所述基础燃料管路包括顺次串联设置的第二冷却器、第二液体过滤器、第二精密计量泵和第三单向阀，所述第三单向阀与液相盘管连通。
进一步的，所述空气进料管路包括顺次连通的第二气体过滤器、第二减压阀、第二流量计和第一气动开关阀，所述第一气动开关阀与燃烧系统连通。
进一步的，所述裂解进料管路包括顺次串联的背压阀、第二气动开关阀和第四单向阀，所述第四单向阀与燃烧系统连通；所述背压阀和第二气动开关阀之间通过三通球阀分别并联有二级背压阀和缓冲罐，所述二级背压阀连通有气体排空口。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，包括：燃烧系统，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合并点燃；裂解系统，与燃烧系统连通，用于为燃烧系统提供可控的液相燃料和气相燃料；火焰数据采集系统，与燃烧系统连接，用于检测气相和液相燃料混合燃烧的燃烧性能。该冲压发动机燃料燃烧性能测试装置主要用于吸热型碳氢燃料燃烧特性的检测，通过燃烧系统和裂解系统模拟高超飞行器动力装置的超然冲压发动机工作状态，通过火焰数据采集系统对冲压发动机的燃料的燃烧性能进行检测及合理观测，既能检测裂解气燃烧性能，同时也能检测液体燃料的燃烧性能，可以采集记录燃烧火焰的形貌，观测燃烧过程中火焰温度分布，也可以对火焰图像进行图像分析，设备操作简洁方便，安全性高，火焰观察便捷，测温点位较为灵活。
附图说明
图1为本发明实施例的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的燃烧系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的液体雾化器的结构示意图；
图4为本发明实施例的裂解气喷嘴的结构示意图；
图5为本发明实施例的空气分布器的结构示意图。
其中，100、燃烧系统；101、燃烧室；110、空气分布器；111、安装孔；112、透气孔；120、第一空气进口；130、液相燃料通道；140、裂解气通道；141、裂解气喷嘴；150、热偶测试口；160、液体雾化器；161、外壳；162、内管；163、雾化喷嘴；164、第三空气进口；170、第二空气进口；180、视窗；190、点火器；191、变压器；192、电极；
200、裂解系统；210、预热器；211、气相盘管；212、液相盘管；213、混合器；220、裂解反应器；230、气相燃料进料管路；231、氮气进料管；232、标准燃料气进料管；233、第一气体过滤器；234、第一减压阀；235、第一流量计；236、第一单向阀；237、二级减压阀；238、原料罐；240、液相燃料进料管路；241、第一冷却器；242、第一液体过滤器；243、第一精密计量泵；244、第二单向阀；250、基础燃料管路；251、第二冷却器；252、第二液体过滤器；253、第二精密计量泵；254、第三单向阀；260、空气进料管路；261、第二气体过滤器；262、第二减压阀；263、第二流量计；264、第一气动开关阀；270、裂解进料管路；271、背压阀；272、第二气动开关阀；273、第四单向阀；274、二级背压阀；275、缓冲罐；
300、火焰数据采集系统；310、红外成像仪；320、高速摄像机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1～图5中的箭头表示对应物料的流向。
如图1所示，本实施例提供的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，主要用于吸热型碳氢燃料燃烧特性的检测，该装置包括：燃烧系统100，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合并点燃；裂解系统200，与燃烧系统100连通，用于为燃烧系统100提供可控的液相燃料和气相燃料；火焰数据采集系统300，与燃烧系统100连接，用于检测气相和液相燃料混合燃烧的燃烧性能；通过燃烧系统100模拟高超飞行器动力装置的超然冲压发动机工作状态，通过裂解系统200为燃烧系统100提供模拟冲压发动机燃烧所需的气相燃料和液相燃料，通过火焰数据采集系统300对冲压发动机的气相燃料和液相燃料的各项燃烧性能进行检测及合理观测，既能检测裂解气燃烧性能，同时也能检测液体燃料的燃烧性能，既可以采集记录燃烧火焰的形貌，观测燃烧过程中火焰温度分布，也可以对火焰图像进行图像分析，设备操作简洁方便，安全性高，火焰观察便捷，测温点位较为灵活。
本实施例的燃烧系统100包括燃烧室101和点火器190。
燃烧室101用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合形成液气混合燃料，并为液气混合燃料提供燃烧和检测空间；其中，气相燃料包括经由裂解系统200裂解后的裂解气。
如图2所示，为保证燃烧室101内的液相燃料的雾化效果，并使雾化后的液相燃料与气相燃料充分混合，以保证燃烧效果，便于观测，本实施例的燃烧室101包括腔体、液相燃料通道130、裂解气通道140和热偶测试口150。
本实施例的腔体通过空气分布器110分隔为第一腔室和第二腔室，第一腔室设有第一空气进口120，以将空气引入第一腔室内，并经过空气分布器110均匀的通入第二腔室内，以空气为燃烧氧化剂，空气分布器110保证了第二腔室内的燃烧氧化剂的含量均匀，从而保证通入到第二腔室内的液气混合燃料的燃烧更加充分。
第二腔室用于为液气混合燃料的燃烧提供燃烧和观测空间。在第二腔室的侧壁上轴对称的设有至少两个视窗180，视窗180设置于可直接观测到第二腔室内的液气混合燃料的燃烧火焰所在对应位置，以便直接观测并采集火焰数据。第二腔室内还布设有若干个火焰检测器，用于检测火焰燃烧状态。
本实施例的液相燃料通道130的一端设有液相燃料进口，优选液相燃料进口设置于第一腔室的端部，液相燃料通道130的另一端设有液相燃料出口，液相燃料出口设置于第二腔室内，在液相燃料出口处设有液体雾化器160，用于将通入液相燃料通道130的液相燃料雾化后均匀喷入第二腔室内，以使雾化后的液相燃料能与喷入第二腔室内的气相燃料充分均匀的混合，从而保证液气混合燃料的燃烧效率和效果，通过调整液相燃料的通入量、频率和温度，可以监测液相燃料的燃烧性能。为了保证液相燃料的雾化效果，在液相燃料进口与第二腔室之间还连通有第二空气进口170，以将空气引入液体雾化器160内。
为了保证液相燃料具有良好的可控的燃烧效率和效果，如图3所示，本实施例的液体雾化器160包括外壳161和内管162，外壳161的一端设有雾化喷嘴163，另一端套装于内管162外，内管162内的一端用于通入液相燃料，另一端与雾化喷嘴163连通；外壳161和内管162之间还设有用于通入空气的第三空气进口164，第三空气进口164与第二空气进口170连通，通入内管162的液相燃料与通入外壳161和内管162之间的空气在雾化喷嘴163处混合后，由雾化喷嘴163雾化并喷入到第二腔室内。
本实施例的裂解气通道140的一端设有裂解气进口，另一端设有裂解气出口，裂解气出口设置于第二腔室内，且与液相燃料出口对应设置，即裂解气出口与液相燃料出口位置优选处于同一平面上，该平面优选与腔体轴线垂直，以使裂解气与液相燃料混合均匀，确保混合后的液气混合燃料的燃烧更加充分可靠，便于观测燃烧火焰并检测燃烧性能。
为了保证气相燃料具有良好的可控的燃烧效率和效果，如图4所示，本实施例的裂解气出口处设有裂解气喷嘴141，裂解气喷嘴141的一端用于通入裂解气，另一端设有将裂解气喷出的气体出口。
为了保证混合后的液气混合燃料的燃烧充分可靠，可控性强，优选将液体雾化器160的雾化喷嘴163与裂解气喷嘴141的气体出口设置于同一平面上，且该平面优选与腔体轴线垂直，以使裂解气与液相燃料混合均匀。
为了保证通入第二腔室内的空气分布均匀，确保液气混合燃料的燃烧充分，如图5所示，本实施例的空气分布器110上设有两个中心对称设置的安装孔111，两个安装孔111分别用于安装液相燃料通道130和裂解气通道140，两个安装孔111之间还设有若干个透气孔112，若干个透气孔112以空气分布器110的中心轴为中心均匀分布，以使空气通过透气孔112均匀的流入第二腔室内。
本实施例的热偶测试口150用于插入热偶以便于对液相燃料和裂解气的燃料温度进行监控，热偶测试口150均匀的分布于液相燃料通道130和裂解气通道140的两侧。
本实施例的点火器190分别与燃烧室101和火焰数据采集系统300连接，且用于监测并控制燃烧室101内的液气混合燃料的燃烧；点火器190的一端连接有变压器191，另一端连接有电极192，且点火器190通过延时控制与火焰数据采集系统300连接，当火焰数据采集系统300开始进行数据采集工作时，点火器190可以根据火焰数据采集系统300的要求，控制燃烧室101内的液相燃料和气相燃料的混合情况，从而控制液气混合燃料的点燃时间和效果。
本实施例的火焰数据采集系统300包括与燃烧室101对应设置的红外成像仪310和高速摄像机320，红外成像仪310和高速摄像机320用于监测燃烧室101内的液气混合燃料的燃烧状态。
为了便于火焰数据采集系统300能实时对燃烧室101内的液气混合燃料的燃烧状态进行监控，优选燃烧室101的视窗180轴对称的分布于第二腔室的外壁上，且与第二腔室内的液体雾化器160的雾化喷嘴163和裂解气喷嘴141的气体出口处相对设置，以便能直观的观测到液气混合燃料的燃烧火焰；将火焰数据采集系统300的红外成像仪310和高速摄像机320分别设置于两个视窗180外，可以通过视窗180直接对燃烧火焰进行采集拍摄。
火焰数据采集系统300还连接有图像处理系统，通过图像处理系统可以将采集到的燃烧数据进行数据分析并成像，以便于后续对液相燃料、气相燃料及混合后的液气混合燃料的燃料燃烧性能分别进行分析。
本实施例的裂解系统200包括预热器210、裂解反应器220、气相燃料进料管路230、液相燃料进料管路240、基础燃料管路250、空气进料管路260和裂解进料管路270。
本实施例的预热器210用于使气相燃料预热汽化，包括相互盘旋设置的气相盘管211和液相盘管212，气相盘管211和液相盘管212均连通有混合器213。
本实施例的裂解反应器220用于使混合预热汽化后的气相燃料发生裂解反应，裂解反应器220的一端与混合器213连通，另一端通过裂解进料管路270与燃烧系统100连通。
本实施例的气相燃料进料管路230与气相盘管211连通，以向预热器210内通入气相燃料进行充分混合预热，便于进行后续的裂解反应。
为了保证气相燃料进料管路230的燃料流量可控、可计量以及便于监测，本实施例优选气相燃料进料管路230包括氮气进料管231和标准燃料气进料管232，氮气进料管231和标准燃料气进料管232并联设置，且与第一气体过滤器233、第一减压阀234、第一流量计235、第一单向阀236顺次串联，第一单向阀236与气相盘管211连通；第一流量计235并联有二级减压阀237，二级减压阀237连通有原料罐238，以将减压后的部分气相燃料提供给原料罐238作为密封气体。
本实施例的液相燃料进料管路240与燃烧系统100连通，以向燃烧系统100的燃烧室101内提供液相燃料；或者是将液相燃料进料管路240与预热器210的液相盘管212连通，以向预热器210内通入液相燃料进行充分混合预热，便于进行后续的裂解反应，从而向燃烧系统100内的燃烧室101中提供经过处理后的液相燃料。
为了保证液相燃料进料管路240的燃料流量可控、可计量以及便于监测，本实施例优选液相燃料进料管路240包括顺次串联设置的第一冷却器241、第一液体过滤器242、第一精密计量泵243和第二单向阀244，第二单向阀244与燃烧系统100连通，或者是将第二单向阀244与预热器210的液相盘管212连通。
当第二单向阀244与燃烧系统100连通时，优选第二单向阀244与燃烧室101的液相燃料通道130的液相燃料进口连通，以便于向燃烧室101的第二腔室内输送流量可控的液相燃料。
本实施例的基础燃料管路250与预热器210的液相盘管212连通，以向预热器210内提供基础燃料进行充分混合预热，便于进行后续的裂解反应。
为了保证基础燃料管路250的燃料流量可控、可计量以及便于监测，本实施例优选基础燃料管路250包括顺次串联设置的第二冷却器251、第二液体过滤器252、第二精密计量泵253和第三单向阀254，第三单向阀254与液相盘管212连通。
本实施例的空气进料管路260与燃烧系统100连通，以向燃烧系统100的燃烧室101内通入减压后的空气，以确保燃烧室101内的液气混合燃料在减压后的空气作用下充分燃烧。
为了保证基础燃料管路250的燃料流量可控、可计量以及便于监测，空气减压效果适于模拟燃烧试验，本实施例优选空气进料管路260包括顺次连通的第二气体过滤器261、第二减压阀262、第二流量计263和第一气动开关阀264，第一气动开关阀264与燃烧系统100连通，优选通过燃烧室101的第一空气进口120进入第二腔室内。
本实施例的裂解进料管路270包括顺次串联的背压阀271、第二气动开关阀272和第四单向阀273，背压阀271与裂解反应器220连通，第四单向阀273与燃烧系统100连通；背压阀271和第二气动开关阀272之间通过三通球阀分别并联有缓冲罐275和二级背压阀274，二级背压阀274连通有气体排空口，已将裂解反应后的裂解气伴热保温全气态进入燃烧室101内，且部分裂解气可经由二级背压阀274进行背压控制后排空。
为了保证各路管路内的气相燃料或液相燃料的流量控制和参数监控，优选在气相燃料进料管路230、液相燃料进料管路240、基础燃料管路250和空气进料管路260上还分别设有若干个两通球阀、三通球阀和针阀，两通球阀、三通球阀和针阀均用于辅助控制气体或液体流量。
以下以图1所示的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置为例进行说明。
该冲压发动机燃料性能测试装置由裂解系统200、燃烧系统100和火焰数据采集系统300组成。
裂解系统200的一路气相燃料进料管路230内通入氮气、氢气、乙烯、丙烯等气体，一路基础燃料管路250内通入液态的基础燃料，一路液相燃料进料管路240内通入液相燃料，一路空气进料管路260内通入空气。
其中，氮气充当惰性气体，起到置换、稀释、液相原料罐238氮封等作用，将氮气通入氮气进料管231内；氢气、乙烯、丙烯等气体燃料作为标准燃料气，用于燃料系统标定与测试，将标准燃料气通入标准燃料气进料管232内；然后将氮气与标准燃料气混合进入气相燃料进料管路230内形成气相燃料。气相燃料通过第一流量计235的控制和计量后通过预热器210进入裂解反应器220。基础燃料由第二精密计量泵253精确控制和计量，经预热器210气化进入裂解反应器220。液相燃料优选高能燃料，通过第一精密计量泵243的精确控制和计量，直接进入燃烧系统100，或者通过预热器210气化进入裂解反应器220中发生裂解反应。空气通过第二减压阀262减压后，经第二流量计263的控制和计量，进入燃烧系统100，作为液气混合燃料的燃烧氧化剂。该裂解系统200可以在线/离线控制进料流量和裂解反应床层温度，以及实时监测体系中各管路压力；且根据液相燃料进料管路240的第二单向阀244的连接方式，可以调整通入燃烧系统100内的液相燃料状态。
燃烧系统100的燃料来源为自裂解系统200的裂解进料管路270和液相燃料进料管路240的裂解气和液相燃料，燃烧氧化剂为压缩空气，由空气进料管路260提供。在空气进料管路260上还设有空气电磁阀，裂解进料管路270上设有裂解电磁阀，压缩空气通过压力调节，空气电磁阀控制，第二流量计263计量后由空气分布器110进入燃烧室101。裂解系统200产生的裂解气经裂解电磁阀控制，由裂解气喷嘴141与空气混合进入燃烧室101，由在线控制或手动控制点火燃烧。高能燃料由第一精确计量泵精确控制和计量，与压缩空气混合雾化后进入燃烧室101，由在线控制或手动控制点火燃烧。该系统可以在线/离线控制进料流量和监测燃烧火焰不同位置的温度，可以单独检测裂解气的燃烧性能或液相燃料的燃烧性能，也可以检测液气混合燃料的燃烧性能。
火焰数据采集系统300由高速摄像机320和红外成像仪310组成，可以在线或离线采集燃烧火焰图像和火焰温度分布图。
冲压发动机的模拟检测过程分为两步：系统调试和系统开车。
系统调试主要包括原材料的准备、裂解系统200置换、裂解系统200气密性检测、单机调试和联合调试。
(1)裂解系统200置换
采用氮气置换。首先打开氮气前端的两通球阀HV-103并关闭两通球阀HV-104，调节第一减压阀234至0.1～0.5MPa，打开两通球阀HV-106和针阀HV-109，氮气进入预热器210和裂解反应器220，由裂解反应器220流出的气体经过背压阀271、三通球阀HV-117、缓冲罐275和高温针阀HV-121进入二级背压阀274，调节背压阀271至系统压力为0.1～0.5MPa，调节后流出的气体由气体排空口进入放空管线。在背压阀271出口处取样检测气体样品(含氧量≤0.5％为合格)合格后，方可进行下一步操作。
(2)裂解系统200气密性检测
先采用惰性气体(一般采用氮气)进行，气密合格后方可进行反应气体的气密性检测。气密性检测可由常压逐渐升至目标压力，最终升至反应压力的1.05倍。
(3)单机调试
开车前进行自控系统调试，检查和调试各加热点位的温控、液体流量的控制是否合格，合格后方可将准备的物料装入原料罐238中进行试验。
(4)联合调试
联合调试就是将装置的整体流程运行一遍，但是使用的原料气体为氮气，原料液体为轻组分的油或是其它(根据具体反应来定，但原则是不影响正常开始的实验为准。)
系统开车包括空气进料、氮气或标准燃料气进料、液相燃料进料、预热汽化、裂解反应、背压、燃烧等步骤。
(1)空气进料
空气由空气压缩机压缩，经过两通球阀HV-101和第二气体过滤器261过滤后进入第二减压阀262减至目标反应压力，减压后气体经过针阀HV-102调节、第二流量计263计量，并经第一气动开关阀264进入燃烧室101提供氧化剂。
(2)氮气或标准燃料气(氢气、甲烷、乙烯等)的进料
由气体钢瓶经过两通球阀HV-103进入系统的氮气或由钢瓶经过两通球阀HV-104进入系统的标准燃料气，经第一气体过滤器233过滤后进入第一减压阀234减至目标反应压力，一路经过第一流量计235后，由两通球阀HV-105和第一单向阀236进入预热器210的气相盘管211中充分预热。另一路经过二级减压阀237减压至相应的压力，提供给原料罐238做密封气体。
(3)液相进料
一路液相燃料在液相燃料进料管路240内通过第一冷却器241的液相冷却盘管进行充分液化，然后通过三通球阀HV-111和第一液体过滤器242过滤后进入第一精密计量泵243，由第一精密计量泵243输送经过三通球阀HV-114、第二单向阀244和三通球阀HV-116，三通球阀HV-116的一个出口连接燃烧系统100的燃烧室101，另一个出口连接裂解系统200的裂解反应器220，通过调节三通球阀HV-116的出口开关可以选择使液相燃料进入裂解反应器220中，也可以使液相燃料直接进入燃烧系统100。若输送的液相燃料为丙烯时，开启第一冷却器241；若输送的液相燃料为高能燃料时，关闭第一冷却器241。
一路基础燃料在基础燃料管路250内通过第二冷却器251的液相冷却盘管进行充分液化，然后经过三通球阀HV-113和第二液体过滤器252过滤后进入第二精密计量泵253，经三通球阀HV-115和第三单向阀254进入预热器210的液相盘管212进行充分预热汽化。
(4)预热汽化
经过精确控制和计量后的气相燃料和基础燃料(或是气相燃料、基础燃料及液相燃料)分别进入预热器210的气相盘管211和液相盘管212进行充分预热汽化，经混合器213充分混合后进入裂解反应器220。
(5)裂解反应
经过充分预热汽化后的反应原料，进入裂解反应器220中进行裂解反应，反应所需的热量由裂解反应器220连接的加热炉提供。加热炉为多段控温，每段温度的控制都由程序升温的控制仪表进行控制。
(6)背压
进入裂解反应器220的反应原料经过充分反应后变成裂解气，进入裂解进料管路270中，裂解进料管路270由背压阀271控制。从反应器出来的裂解气经裂解进料管路270的伴热保温全气态进入燃烧室101内，经过背压阀271进行背压控制。
(7)燃烧
燃烧室101结构示意图如图2所示，其中，液体雾化器160结构如图3所示，优选雾化喷嘴163的孔径为0.2mm～3mm；裂解气喷嘴141结构如图4所示，优选裂解气喷嘴141的气体出口的孔径为0.2mm～3mm；空气分布器110结构如图5所示。优选裂解气喷嘴141的气体出口与液体雾化器160的雾化喷嘴163末端垂直对齐。热偶测试口150自裂解气喷嘴141末端沿燃烧室101轴向方向均匀分布，间距为5-10mm。
空气沿空气进料管路260经过空气压缩机增压，经过两通球阀HV-101、第二气体过滤器261和第二减压阀262减压至目标压力，经过针阀HV-102调节进入第二流量计263并经第一气动开关阀264进入燃烧室101。
裂解气经背压阀271，经过三通球阀HV-117转换，选择性的进入缓冲罐275或直接进入二级背压阀274背压后排空。当燃料燃烧时，调节针阀和驱动第二气动开关阀272经阻火器由裂解气喷嘴141进入燃烧室101，与由空气分布器110分布后的空气混合，经点火器190在线点火或离线点火进行燃烧。
由第一精密计量泵243输送的丙烯或高能燃料，经三通球阀HV-116调节，与由第二空气进口170和第三空气进口164进入液体雾化器160的空气混合，经液体雾化器160雾化后由雾化喷嘴163直接进入燃烧室101，与由空气分布器110分布后的空气混合，经点火器190在线点火或离线点火进行燃烧。
(8)观测
火焰数据采集系统300的高速摄像机320和红外成像仪310透过燃烧室101的视窗180拍摄并采集火焰数据。
综上所述，本实施例的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，包括：燃烧系统100，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合并点燃；裂解系统200，与燃烧系统100连通，用于为燃烧系统100提供可控的液相燃料和气相燃料；火焰数据采集系统300，与燃烧系统100连接，用于检测气相和液相燃料混合燃烧的燃烧性能。该冲压发动机燃料燃烧性能测试装置主要用于吸热型碳氢燃料燃烧特性的检测，通过燃烧系统100和裂解系统200模拟高超飞行器动力装置的超然冲压发动机工作状态，通过火焰数据采集系统300对冲压发动机的燃料的燃烧性能进行检测及合理观测，既能检测裂解气燃烧性能，同时也能检测液体燃料的燃烧性能，可以采集记录燃烧火焰的形貌，观测燃烧过程中火焰温度分布，也可以对火焰图像进行图像分析，设备操作简洁方便，安全性高，火焰观察便捷，测温点位较为灵活。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，包括：
燃烧系统，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合并点燃；
裂解系统，与所述燃烧系统连通，用于为所述燃烧系统提供可控的液相燃料和气相燃料；
火焰数据采集系统，与所述燃烧系统连接，用于检测所述气相和液相燃料混合燃烧的燃烧性能。
2.根据权利要求1所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述燃烧系统包括：
燃烧室，用于将液相燃料雾化后与气相燃料混合形成液气混合燃料，并为所述液气混合燃料提供燃烧和检测空间；其中，所述气相燃料包括经由所述裂解系统裂解后的裂解气；
点火器，分别与所述燃烧室和火焰数据采集系统连接，用于监测并控制所述燃烧室内的液气混合燃料的燃烧，所述点火器的一端连接有变压器，另一端连接有电极，且所述点火器通过延时控制与火焰数据采集系统连接。
3.根据权利要求2所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述燃烧室包括：
腔体，通过空气分布器分隔为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室设有第一空气进口，以将空气引入所述第一腔室内，并经过所述空气分布器均匀的通入所述第二腔室内，所述第二腔室用于为所述液气混合燃料的燃烧提供燃烧和观测空间；
液相燃料通道，一端设有液相燃料进口，另一端设有液相燃料出口，所述液相燃料出口设置于第二腔室内，且设有液体雾化器，所述液相燃料进口与第二腔室之间还连通有第二空气进口；
裂解气通道，一端设有裂解气进口，另一端设有裂解气出口，所述裂解气出口设置于第二腔室内，且与所述液相燃料出口对应设置，以使所述裂解气与液相燃料混合均匀；
热偶测试口，所述热偶测试口均匀的分布于所述液相燃料通道和裂解气通道的两侧。
4.根据权利要求2所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述火焰数据采集系统包括与所述燃烧室对应设置的红外成像仪和高速摄像机，所述红外成像仪和高速摄像机用于监测所述燃烧室内的液气混合燃料的燃烧状态。
5.根据权利要求1所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述裂解系统包括：
预热器，用于使所述气相燃料预热汽化，包括相互盘旋设置的气相盘管和液相盘管，所述气相盘管和液相盘管均连通有混合器；
裂解反应器，用于使混合预热汽化后的气相燃料发生裂解反应，所述裂解反应器的一端与混合器连通，另一端通过裂解进料管路与燃烧系统连通；
气相燃料进料管路，与所述气相盘管连通；
液相燃料进料管路，与所述燃烧系统连通，或者是与所述液相盘管连通；
基础燃料管路，与所述液相盘管连通；
空气进料管路，与所述燃烧系统连通。
6.根据权利要求5所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述气相燃料进料管路包括氮气进料管和标准燃料气进料管，所述氮气进料管和标准燃料气进料管并联设置，且与第一气体过滤器、第一减压阀、第一流量计、第一单向阀顺次串联，所述第一单向阀与气相盘管连通；
所述第一流量计并联有二级减压阀，所述二级减压阀连通有原料罐，以将减压后的部分所述气相燃料提供给所述原料罐作为密封气体。
7.根据权利要求5所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述液相燃料进料管路包括顺次串联设置的第一冷却器、第一液体过滤器、第一精密计量泵和第二单向阀，所述第二单向阀与燃烧系统连通，或者是所述第二单向阀与液相盘管连通。
8.根据权利要求5所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述基础燃料管路包括顺次串联设置的第二冷却器、第二液体过滤器、第二精密计量泵和第三单向阀，所述第三单向阀与液相盘管连通。
9.根据权利要求5所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述空气进料管路包括顺次连通的第二气体过滤器、第二减压阀、第二流量计和第一气动开关阀，所述第一气动开关阀与燃烧系统连通。
10.根据权利要求5所述的冲压发动机燃料燃烧性能测试装置，其特征在于，所述裂解进料管路包括顺次串联的背压阀、第二气动开关阀和第四单向阀，所述第四单向阀与燃烧系统连通；
所述背压阀和第二气动开关阀之间通过三通球阀分别并联有二级背压阀和缓冲罐，所述二级背压阀连通有气体排空口。
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