CN106990134A - 一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，包括依次连接的催化段，用于将注入的过氧化氢分解成氧气和水蒸汽的混合气体，以形成火箭发动机使用的氧化剂；喷注段，用于接收所述催化段的氧化剂和外部的煤油以形成相应的射流喷出；观察段，接收所述喷注段喷出的射流，包括燃烧室，和设置在所述燃烧室侧壁处的透明观察窗；喷管段，用于接收并释放所述观察段排出的气流。本发明针对工作压力在7MPa、燃气温度1000K的煤油/过氧化氢火箭发动机，利用观察窗的方式可以直观对燃烧室内的燃烧过程进行观察，实现煤油雾化过程及燃烧特性的紫外及可见光波段的光学测量，并具备了使用激光粒子示踪法(PIV)和激光诱导荧光方法(PLIF)测量的能力。

Description

一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置
技术领域
本发明属于燃烧诊断技术领域，特别针对高氧燃比条件下煤油的跨临界雾化及燃烧实验。
背景技术
目前，高性能大推力先进航空航天发动机研发正处于快速跨越式发展时期，提高火箭发动机的推进能力是航天研究的重要方向。
火箭发动机是航天推进系统中的核心部件。火箭发动机通常通过推进剂燃烧产生高温高压燃气，基于动量定理，向反方向喷射物质而产生向前的推力。大幅提高燃烧压力可以获得更好的推进性能，已成为先进空天发动机的发展趋势。
燃烧室是火箭发动机的核心部件。液体火箭发动机燃料及氧化剂，通过喷注器注入燃烧室混合燃烧，生成高温高压燃气。不同种类的燃料和氧化剂在燃烧室内的混合性能及燃烧特性，对火箭发动机的工作效能及安全性有重要影响，是目前液体火箭发动机研究的重点方向。
由于煤油具有易储存性、流动性良好、环保和低成本等优点，成为先进空天发动机的主要燃料。煤油在先进空天发动机极端燃烧环境中，燃烧室压力和火焰温度均超过煤油热力学临界值，但煤油初始喷注温度常低于其临界值，燃烧需跨越亚临界-超临界状态，属于跨临界燃烧过程。煤油高氧燃比跨临界湍流燃烧时，物性的跃变性、燃烧混合的极不均匀性以及煤油碳氢大分子低温燃烧机理的复杂性使得燃烧稳定控制机制变得极其复杂，煤油射流跨临界雾化、蒸发、混合以及火焰结构特性等一系列基础问题亟待深入探索。
由于火箭发动机燃烧室内部高温高压的工作环境，目前的火箭发动机试验通常通过在发动机内壁布置采样点，采集温度及压力信号，并结合计算机模拟结果估计发动机内部的工况，缺少对煤油雾化、混合等现象的直观研究方式。
发明内容
为解决现有火箭发动机试验过程无法直观研究的问题，本发明提供一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置。
特别地，本发明提供一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，包括依次连接的
催化段，用于将注入的过氧化氢分解成氧气和水蒸汽的混合气体，以形成火箭发动机使用的氧化剂；
喷注段，用于接收所述催化段的氧化剂和外部的煤油以形成相应的射流喷出；
观察段，接收所述喷注段喷出的射流，包括燃烧室，和设置在所述燃烧室侧壁处的透明观察窗；
喷管段，用于接收并释放所述观察段排出的气流。
在本发明的一个实施方式中，所述观察窗有三个，包括设置在所述燃烧室一个侧面的主观察窗，和两个分别设置在所述主观察窗相邻两个侧面的副观察窗，两个所述副观察窗之间实现通视且与所述主观察窗的光路垂直。
在本发明的一个实施方式中，所述观察窗位于所述燃烧室内的一侧设置有冷却板，所述冷却板的中部带有供所述观察窗的光路通过的开口，所述冷却板与所述观察窗贴合的一面上设置有冷却通道，在所述燃烧室的侧壁上设置有连接所述冷却通道的冷却剂注入口。
在本发明的一个实施方式中，每个所述观察窗处的所述冷却剂注入口设置有两个，且分别由所述冷却板的相对两端位置对应。
在本发明的一个实施方式中，所述燃烧室上与所述观察窗对应的位置设置有供所述观察窗安装的观察窗框，在所述观察窗框的内侧边设置有向内部凸出的挡边，所述冷却板的内侧边被所述挡边挡住。
在本发明的一个实施方式中，所述观察窗与所述观察窗框接触的位置安装有石墨垫片。
在本发明的一个实施方式中，在与所述主观察窗相对的侧面上设置有测量所述燃烧室内压力的测压孔。
在本发明的一个实施方式中，所述测压孔有多个且沿所述燃烧室的长度方向排成一列。
在本发明的一个实施方式中，所述观察窗采用石英玻璃。
在本发明的一个实施方式中，所述燃烧室的截面为矩形。
本发明针对工作压力在7MPa、燃气温度1000K的煤油/过氧化氢火箭发动机，利用观察窗的方式可以直观对燃烧室内的燃烧过程进行观察，实现煤油雾化过程及燃烧特性的紫外及可见光波段的光学测量，并具备了使用激光粒子示踪法(PIV)和激光诱导荧光方法(PLIF)测量的能力。
附图说明
图1是本发明一个实施例的实验装置结构示意图；
图2是本发明一个实施方式的催化段结构示意图；
图3是本发明一个实施方式的喷注段结构示意图；
图4是本发明一个实施方式的观察段结构示意图；
图5是本发明一个实施方式的喷管段结构示意图；
图6是本发明一个实施方式的观察段剖面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个实施方式的一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置一般性地包括依次连接的催化段1、喷注2段、观察段3和喷管段4。
该催化段1用于将注入的过氧化氢分解成氧气和水蒸汽的混合气体，以形成火箭发动机使用的氧化剂。如图2所示，其具体结构如下：
在催化段1内设置有带空腔结构的催化床芯11和氧化剂室12，在催化床芯11内安装有催化剂挡板111，在催化剂挡板111的两端分别安装有折叠的银网112，催化剂挡板111可以限制银网112的安装位置。在催化床芯11的两端分别设置有封闭催化床芯11的催化段上板13和催化段下板14，在催化段上板13上设置有与催化床芯11对应的过氧化氢注入孔131，在催化段下板14的另一侧为氧化剂室12，在催化段下板14上设置有与氧化剂室12相通的收缩孔141。
使用时，过氧化氢从催化床上板13的注入孔131注入并流入催化床芯11内，在银网112的催化下分解生成温度约700K的氧气和水蒸气混合气体，作为火箭发动机的氧化剂，生成的氧化剂经催化床下板14的收缩孔141流入氧化剂室12，以形成稳定气流再进入喷注段2。整个催化段1的外壳及氧化段上板13和氧化段下板14均采用304不锈钢材质，以承受过氧化氢分解时产生的高压和高温冲击，保证实验的安全。催化床芯11、催化剂挡板111及氧化剂室12采用316不锈钢，以防过氧化氢及高温气体腐蚀。
该喷注段2用于接收催化段1的氧化剂和外部的煤油以形成相应的射流喷出。如图3所示，其具体结构如下：
喷注段2与催化段1的氧化剂室12的出口连接，包括依次与氧化剂室12的氧化剂室前盖121连接的氧化剂测压段21、煤油喷注器上段22和煤油喷注器下段23，以及安装在煤油喷注器上段21和煤油喷注器下段22内的煤油喷嘴座24及煤油喷嘴25。
在喷注段2末端，喷注器下段23上的圆孔与管状煤油喷嘴25相互配合，形成了喷注口：煤油喷嘴25本身为煤油喷口，其与喷注器下段23圆孔间的环形间隙为氧化剂喷口。高温混合气流经氧化剂室前盖121、氧化剂测压段21后，从喷注器上段22上的六个通道进入喷注器下段23，再由喷注口进入观察段3，形成氧化剂射流。氧化剂测压段21上设有测压孔211，用来监测氧化剂压力，以便调整过氧化氢注入量。喷注器上段22内设有燃料注入口，煤油由燃料注入口注入，经煤油喷嘴座24及煤油喷嘴25到达喷注口，进入燃烧段3形成煤油射流。喷注段2均使用316不锈钢材料，防止高温氧化剂气体腐蚀。
该观察段3接收喷注段2喷出的氧化剂射流和煤油射流，包括作为内部通道的燃烧室31，和设置在燃烧室侧壁处的透明观察窗32。本发明通过设置透明的观察窗32可以观察到燃烧室31内各种反应过程，如：煤油通过喷注段2雾化后形成小液滴，可作为示踪粒子进行PIV(激光粒子测速)测量燃烧室内速度分布；同时，煤油与过氧化氢分解高温产物混合燃烧，过程中产生的OH、C1、C2等自由基，对煤油点火及火箭发动机燃烧稳定性有重要影响，可利用PLIF(激光诱导荧光)方法对其分布进行测量。
该喷管段4用于接收并释放观察段3排出的气流。如图5所示，包括依次连接的气流过渡环41、燃烧室延长段42和喷管收缩段43。喷管段4处于前述系统的末端，与燃烧室31相连。气流从燃烧室31流出，通过气流过渡环41后流入圆形燃烧室延长段42内。燃烧室延长段42作为燃烧室31的延伸部分，可改善燃烧室31内声致不稳定现象。燃烧室延长段42的末端连接喷管收缩段43，燃烧室31内的高温高压亚音速气流通过喷管收缩段43加速，最终在喷管收缩孔431处达到音速。通过更换喷管收缩孔431不同进出口面积比零件，可在燃料流量不变的情况下改变燃烧室31内燃烧压力。此外，由于本实施方式仅用于研究液体火箭发动机内部燃烧现象，故未设计喷管扩张段。
本发明利用在燃烧室31壁面开设透明的观察窗32方式，在保有传统火箭发动机实验测试方法的同时，可对煤油雾化过程及燃烧特性，进行紫外及可见光波段光学测量，并具备了使用激光粒子示踪法(PIV)和激光诱导荧光方法(PLIF)测量的能力。
在本发明的一个实施方式中，为方便实验，观察窗32可以设置三个，包括设置在燃烧室31一个侧面的主观察窗321，和两个分别设置在主观察窗321相邻两个侧面的侧观察窗322，两个侧观察窗322之间实现通视且与主观察窗321的光路垂直。
观察窗32为矩形结构，采用PIV或PLIF方法测量时，激光光束从侧观察窗322射入，在主观察窗321处进行图像采集；采用纹影法或阴影法测量时，仅使用两个侧观察窗322测量。
如图6所示，在本发明的一个实施方式中，该燃烧室31的截面可以采用矩形，主观察窗321和侧观察窗322可以分别设置在一个侧面上。观察窗32的镜片可以采用石英玻璃材料制作，以保证紫外波段光的透过性。在其它的实施方式中，可以在与主观察窗321相对的侧面上设置监测燃烧室31内压力变化的测压孔36，测压孔36还可以同时测量燃烧室31内声学特性。
观察窗32的右端可以与喷注段2的左端平齐，以便全程监测燃料在燃烧室31内的雾化过程与点火燃烧特性。燃烧室31各金属部件使用316不锈钢材质，在短时间内可抵抗燃烧室31内的高温高压燃气侵蚀。
测压孔36可以设置多个且沿燃烧室31的长度方向排成一列，如本实施方式中设置有五个测压孔36。
如图6所示，在本发明的一个实施方式中，观察窗32位于燃烧室31内的一侧设置有冷却板33，冷却板33的中部带有供观察窗32的光路通过的开口，冷却板33与观察窗32贴合的一面上设置有冷却通道331，在煅烧室31的侧壁上设置有连接冷却通道331的冷却剂注入口34。
由于煤油燃烧时会产生高温并生成焦炭等物质，易对燃烧室31内壁及观察窗32镜片烧蚀，并易发生焦炭沉积，影响通光性。本实施方式在冷却板33与镜片接触一面布设一系列供冷却剂通过的冷却通道331，冷却通道311可以是由冷却板33外侧贯穿至中部的多个方槽。实验时，使用氧气作为冷却剂，通过冷却剂注入口34注入镜片与燃烧室壳体间隙中，再通过冷却板33上方槽流经镜片表面，进入燃烧室31。在冷却的同时，氧气气流可对镜片表面进行吹扫，防止燃烧产物污染镜片影响光学测量。
冷却剂注入口34可根据观察窗32的数量和位置设置多处，如本实施方式共设置六处，每个观察窗处设置两个注入口，保证冷却气流的稳定。具体的方槽可以设置在冷却板33的相对两个侧面，如长度的两端或宽度的两端，而冷却剂注入口34可以分别位于两端的外侧，使冷却剂由镜片的两端向中间流动。
在本发明的一个实施方式中，为方便安装观察窗32的镜片，在燃烧室31与观察窗32对应的位置设置有供观察窗32安装的观察窗框35，观察窗框35为矩形的孔，在观察窗框35靠近燃烧室31的内侧边设置有向观察窗框35内部凸出的挡边。在安装时，先安装冷却板33，冷却板33靠近燃烧室31的内侧边被挡边挡住，然后再将镜片卡入观察窗框35内。为提高观察窗框35的密封性，同时为镜片提供缓冲以防止镜片受力不均导致压破裂，可以在镜片与观察窗框35、冷却板33和燃烧室壳体间使用石墨垫片37隔开。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，包括依次连接的
催化段，用于将注入的过氧化氢分解成氧气和水蒸汽的混合气体，以形成火箭发动机使用的氧化剂；
喷注段，用于接收所述催化段的氧化剂和外部的煤油以形成相应的射流喷出；
观察段，接收所述喷注段喷出的射流，包括燃烧室，和设置在所述燃烧室侧壁处的透明观察窗；
喷管段，用于接收并释放所述观察段排出的气流。
2.根据权利要求1所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述观察窗有三个，包括设置在所述燃烧室一个侧面的主观察窗，和两个分别设置在所述主观察窗相邻两个侧面的副观察窗，两个所述副观察窗之间实现通视且与所述主观察窗的光路垂直。
3.根据权利要求2所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述观察窗位于所述燃烧室内的一侧设置有冷却板，所述冷却板的中部带有供所述观察窗的光路通过的开口，所述冷却板与所述观察窗贴合的一面上设置有冷却通道，在所述燃烧室的侧壁上设置有连接所述冷却通道的冷却剂注入口。
4.根据权利要求3所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
每个所述观察窗处的所述冷却剂注入口设置有两个，且分别由所述冷却板的相对两端位置对应。
5.根据权利要求3所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述燃烧室上与所述观察窗对应的位置设置有供所述观察窗安装的观察窗框，在所述观察窗框的内侧边设置有向内部凸出的挡边，所述冷却板的内侧边被所述挡边挡住。
6.根据权利要求5所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述观察窗与所述观察窗框接触的位置安装有石墨垫片。
7.根据权利要求2所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
在与所述主观察窗相对的侧面上设置有测量所述燃烧室内压力的测压孔。
8.根据权利要求7所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述测压孔有多个且沿所述燃烧室的长度方向排成一列。
9.根据权利要求1所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述观察窗采用石英玻璃。
10.根据权利要求1所述的可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，其特征在于，
所述燃烧室的截面为矩形。
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