CN108225777A - 超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针 - Google Patents

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张�杰
朱涛
王军
刘重阳
蒙正猛
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Abstract

本发明属于航空航天测试技术领域,提供一种超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,特别是提供一种在暂冲式超燃冲压发动机燃发器及发动机燃烧室试验中用于捕获真实高焓燃气的燃气取样探针。

Description

超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针

技术领域

[0001] 本发明属于航空航天测试技术领域,提供一种超燃冲压发动机燃气分析高焓取样 探针,特别是提供一种在暂冲式超燃冲压发动机燃发器及发动机燃烧室试验中用于捕获真 实高焓燃气的燃气取样探针。

背景技术

[0002] 在发展高超声速推进的过程中,超燃冲压发动机始终是一个关注的热点。进行超 燃冲压发动机燃烧室综合性能评估时,由于燃烧室内温度较高、燃气速度快、燃烧室内存在 复杂的激波系的影响,且相互耦合,很难对综合性能进行直接的确定。目前,在已有的多种 燃烧室性能评估方法中,取样法以其多点测量、结构简单、材料易寻和可对产物分析的特 点,得到了关注。

[0003] 取样探针取样,进而对高焓燃气进行组分分析,是进行气体成分分析,进而测定综 合性能(燃烧效率、燃烧室出口温度、余气系数、进口流场均匀性等)的一种优选的分析手 段。对超燃冲压发动机进行取样分析的难点主要来自于被测流场的高焓燃气和高马赫数。 高焓的影响主要是对取样探针结构、材料、冷却、加工等方面的影响,实现高焓燃气的快速 冻结化学反应也具有一定的难度。高马赫数的影响主要是激波对采样的影响和取样探针的 结构强度。

[0004] 日本国家宇航实验室Tohru Mitani等人还利用探针取样/色谱分析的方法对超燃 冲压发动机燃烧室出口尾气进行了微流量取样分析,获得了有意义的燃烧效率;国防科大 潘余等教授采用气体取样-色谱分析法,对燃烧室出口进行小流量采样,再通过色谱仪分析 出样气中〇)、〇)2和未燃碳氢化合物等成分的含量来计算燃烧效率;中国空气动力研宄中心 采用气体取样-色谱分析法完成了 N2、〇2和C〇2测量。

发明内容

[0005] 本发明的目的是:通过超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针获取具有取样代表 性的真实燃气。

[0006] 本发明的技术方案是:超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,包括取样头部1、 燃气管8、燃气接嘴13,所述取样头部1的每个样气接头101分别与燃气管8在保持相同的同 轴度的基础上相焊接,燃气管8末端连接燃气接嘴13,取样头部1外形采用30°前缘楔形结 构,样气接头101设有取样小孔1011,燃气从取样小孔1011进入样气接头101内。

[0007]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,所述样气接头101还包括扩张段 1012和直通道1013,扩张段1012位于取样小孔1011与直通道1013之间。

[0008]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,样气接头101的直通道1013与燃 气管8突扩搭接,燃气管8的内径大于直通道1013的内径。

[0009]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,取样小孔1011直径选取① 1.50mm,扩张后直通道1〇13内径为02.15圓,燃气管8内径4> 4mm,使样气处于双重扩张降 温。

[0010] 超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,还包括水冷系统,所述水冷系统包括取 样头部1的冷却通道和燃气管8外部的导流通道以及水管接头14,所述冷却通道连接导流通 道,导流通道连接水管接头14。

[0011] 所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,水管接头14的水流通道截面积小 于导流通道的最小截面积,必须保证冷却水系统的最小流通面积为15 • 32mm2,提供冷却水 量至少0.096Kg/s。

[0012]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,取样头部1前缘后方有两个对称 的侧面凹槽以抑制头部斜激波,所述侧面凹槽倾角为3〇 °。

[0013] 所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,还包括尾流板11,所述的尾流板 11主要用于保证取样探针后端的流场品质,减小脱体激波对超音速流场的尾迹长度,提高 流场品质。

[0014] 所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,燃气管8必须保证样气平滑过渡, 不得存在直角拐点。

[0015] 本发明的工作原理:超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针配套基于组分分析的 暂冲式燃气分析取样系统,试验前,保持取样管路和样气罐低压真空状态,通过足够低的背 压实现成功取样;进行气体取样时,高焓燃气从超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针取 样小孔处吸入,被探针捕获的高焓超声速气流在超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针内 部经过突然加速骤冷,燃气的快速冷却,化学反应被冻结,静温降低;随后通过直管段和燃 气管继续传输,与冷却水对流换热和辐射换热,降低燃气总温,使得燃气的温度保持在160 ±5°C,化学反应不会再度进行;整个取样系统通过计算机统控制,以保证合适的阀门动作 时序和取样时间;最后利用成分分析仪器分析采集到的燃气组分。

[0016] 本发明的有益效果在于:

[0017] 1、突破超燃冲压发动机取样难题

[0018]有助于解决超燃冲压发动机综合性能试验的取样难题,可保证在超音速高马赫数 高焓环境下正常工作,满足结构强度和换热需求,获取具有代表性的真实样气,实现了超燃 冲压发动机燃烧室出口 1 • 3s取样,测试结果重复性好。

[0019] 2、一体化设计,微尺度加工

[0020]超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针的取样头部采用一体化设计,采用电极腐 蚀加工技术,实现超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针取样头部微尺度加工,加工精度 高,加工周期短,是本发明的特色。

[0021] 3、多点单路取样技术

[0022]超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针通过多点单路引出,可实现超燃冲压发动 机燃^室出口浓度场测量,试验数据分析相互独立,单次试验可获取燃烧室出口截面径向 多点高温燃气组分体积分数,基于燃气组分体积分数,利用全成分法和焓值守恒法,解决超 燃冲压发动机燃烧室进口组分测量、超燃冲压发动机燃烧室进口氧含量的测量及氧含量流 场分布、超燃冲压发动机燃烧室出口组分测量、超燃冲压发动机燃烧室出口温度场、超燃冲 压发动机燃烧室燃烧效率、超燃冲压发动机燃烧室油气分布以及超燃冲压发动机燃烧室污 染排放指数等问题。

附图说明

[0023] 图1为超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针正视图;

[0024] 图2为超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针左视图;

[0025] 图3为超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针导流示意图;

[0026]图4为超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针取样头部1;

[0027]图5为超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针取样头部1A-A截面;

[0028]图6为超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针取样头部1B-B截面;

[0029]图中:1取样头部、2外套左板、3安装座、4外套上板、5水套左板、6水套挡板、7盖板、 8燃气管、9水套右板、10外套右板、11尾流板、12外套侧板、13燃气接嘴、14水管接头、15外套 下板、16支撑板、17导流长板、18导流短板。

具体实施方式

[0030]本发明中的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针适用于多流路燃气取样,可根 据实际工程需求进行流路功能性拓展,本文主要以六点取样探针为例,对超燃冲压发动机 燃气分析高焓取样探针进行详细说明,以下实施例有助于本领域的技术人员进一步理解本 发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱 离本发明构思的前提下,还可以做出若千变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发 明提供的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针如图1-6所示。

[0031]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,包括取样头部1、外套左板2、安装 座3、外套上板4、水套左板5、水套挡板6、盖板7、燃气管8、水套右板9、外套右板10、尾流板 11、外套侧板12、燃气接嘴13、水管接头14、外套下板15、支撑板16、导流长板17、导流短板 18〇

[0032]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,取样头部1的每个样气接头101分 别与巾5x0.5燃气管8在保持相同的同轴度的基础上突扩搭接焊接,探伤保证其焊接处无漏 气,确保样气真实有效,再将导流短板18和导流长板17点焊在燃气管8上,依次焊接外套上 板4、外套下板15、外套左板2、外套右板10、外套侧板12、安装座3、盖板7、水套左板5、水套右 板9、水套挡板6、水管接头14、支撑板16、尾流板11、燃气接嘴13,并在盖板7焊接处进行探伤 检查;

[0033]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,取样头部1采用一体化电极腐蚀 加工,材料为GH3049,厚度为11mm,测点采用等间距布置,间距5 • 5mm,测点密度为〇 • 15点/ cm2,外形采用30°前缘楔形结构,以避免产生脱体正激波,减小头部堵塞面积,并在前缘后 方设计有两个侧面凹槽以抑制头部斜激波;

[0034]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,包括取样流道,如图5所示,取样 流道位于取样头部1和燃气管8内侧,取样小孔1011直径选取〇 1.50ram,扩张后直通道1013 内径为® 2.15mm,高焓燃气从取样小孔1〇 11吸入,沿取样流道在扩张段1012膨胀冷却,致使 燃气静温急剧下降,初步冻结化学反应;

[0035]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,包括冷却水流道,如图3所示,冷 却水通道位于取样头部1、燃气管8、外套板(2、4、9、10、15)三者所组成的通道内,取样头部1 设有冷却通道,如图6所示;水套左板5、水套挡板6、水套右板9与水管接头14焊接成为一体 组成冷却水系统,加工完成后,进行〇. 7MPa水压打压处理,要求探针壳体1小时无渗水,经计 算将高焓燃气冷却至160±5°C需提供的最小冷却水量为〇.〇96Kg/s;适当压力的冷却水从 外套上板4上的水管接头14流入,经导流长板17和导流短板18的导流效应,流经燃气管8外 侧和取样头部1冷却水通道,从取样探针外套下板15上的水管接嘴14流出,燃气在取样头部 1直通道1013和燃气管8内进一步换热,再次冻结化学反应,降低燃气总温;水管接头14设计 与外界供水系统密切相关,可进行各种变形和改进,但必须保证冷却水系统的最小流通面 积为 15.32mm2;

[0036] 所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,包括强度要求,支撑板16用于增 加超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针结构强度,保证超燃冲压发动机燃气分析高焓取 样探针有足够的机械强度,能耐压、耐振和耐热冲击;导流长板17和导流短板18用于冷却水 导流和增加超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针强度,其导流板间隙可根据实际情况设 计;

[0037] 所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,包括流场品质,尾流板11主要用 于保证取样探针后端的流场品质,减小脱体激波对超音速流场的尾迹长度,提高流场品质; 取样流路必须保证样气平滑过渡,不得存在直角拐点;

[0038]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,单次试验可获取六点燃气成分试 验数据;安装座3设计与测量段安装座有密切关系,由测量座具体尺寸决定;盖板7处焊接密 封处需进行焊缝X光探伤检查,焊接质量达B级以上;

[0039]所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,还包括在取样探针出口布置温度 和压力测点,用以监测探针出口样气的温度和压力;

[0040]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述 特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形和改进,这并不影 响本发明的实质内容。

Claims (9)

1. 超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,包括取样头部(1)、燃气管 (8)、燃气接嘴(13),所述取样头部⑴的每个样气接头(101)分别与燃气管(8)在保持相同 的同轴度的基础上相焊接,燃气管⑻末端连接燃气接嘴(13),取样头部⑴外形采用30°前 缘楔形结构,样气接头(101)设有取样小孔(1011),燃气从取样小孔a〇u)进入样气接头 (101)内。
2. 根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,所述样 气接头(101)还包括扩张段(1012)和直通道(1013),扩张段(1012)位于取样小孔(1011)与 直通道(1013)之间。
3. 根据权利要求2所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,样气接 头(101)的直通道(1013)与燃气管⑻突扩搭接,燃气管⑻的内径大于直通道(1013)的内 径。
4. 根据权利要求3所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,取样小 孔(1011)直径选取①1 • 50mm,扩张后直通道(1013)内径为①2.15mm,燃气管⑻内径4腿, 使样气处于双重扩张降温。
5. 根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,还包括 水冷系统,所述水冷系统包括取样头部(1)的冷却通道和燃气管⑻外部的导流通道以及水 管接头(14),所述冷却通道连接导流通道,导流通道连接水管接头(14)。
6. 根据权利要求5所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,水管接 头(14)的水流通道截面积小于导流通道的最小截面积,必须保证冷却水系统的最小流通面 积为15.32mm2,提供冷却水量至少0. 〇96Kg/s。
7.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,取样头 部(1)前缘后方有两个对称的侧面凹槽以抑制头部斜激波,所述侧面凹槽倾角为3〇°。
8.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,还包括 尾流板(11),所述的尾流板(11)主要用于保证取样探针后端的流场品质,减小脱体激波对 超音速流场的尾迹长度,提高流场品质。
9.根据权利要求1所述的超燃冲压发动机燃气分析高焓取样探针,其特征在于,燃气管 (8)必须保证样气平滑过渡,不得存在直角拐点。
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