CN108593837A - 一种带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备。该设备包括：高压气瓶组、减压阀、电子流量计、点火器、带观察窗高压燃烧室、缓冲罐、背压阀、高速摄像机、滤光片、数显面板、数据采集模块与计算机。其中带观察窗高压燃烧室又包含壳体、观察窗、温度传感器、压力传感器。与现有技术相比，本发明可同步测量定压下固体推进剂的燃烧速度、燃烧温度、最高燃烧温度等参数的变化，即时获取燃烧火焰形态特征，确认压力对燃烧过程的影响，为固体推进剂的高压燃烧机理研究提供实验支撑。
Description
技术领域
本发明涉及固体推进剂燃烧特性参数测量领域，特别涉及一种带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备。
背景技术
现行常用的固体推进剂测速方法主要包括密闭爆发器测试法和靶线测试法，其具体步骤分别描述在《GJB/J 3345-1998火药密闭爆发器测试系统检定规程》和《GJB 770A-97-706燃速靶线法》中。前者通过对测得的压力-时间数据进行处理，可计算得到药剂在不同压力下的燃速，但由于计算方法和高温高压燃气的影响，计算结果往往需要进行修正，加大了测量过程的难度，降低了数据可靠性。后者通过将包覆的推进剂药条试样钻孔穿入多根靶线，在规定压力下引燃药柱，测定试验燃烧时经过相邻靶线时所需的时间差，进而计算器求得燃速，这种方法由于固体推进式燃烧时产生的固体残渣极易飞溅提前触及靶线，造成计算错误。
现在开展的固体推进剂燃烧特性参数研究工作越来越多的深入到燃烧机理的研究，这对固体推进剂燃烧时物理燃烧模型的构建提出了更高的要求，因此，需要更准确的测量固体推进式在指定压力下的燃烧速度、燃烧温度等相关燃烧特性参数。同时，燃烧波火焰形态特征也逐渐成为表征燃烧表面反应过程的重要参数。现有的燃烧特性参数测量设备由于测试方法原理的局限性，往往不能兼具两方面的需求。
发明内容
为了满足现阶段固体推进剂燃烧特性参数研究的需求，本发明提出了一种带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备。本发明基于对高速摄像机采集的固体推进剂燃烧画面进行图像处理，可以解决目前固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备存在的问题。
本发明针对固体推进剂燃烧过程燃速测量结果不直观、精度低、可靠性低的问题。本发明设计了一种压力恒定的带视窗的高压燃烧室，采用带滤光片的高速摄像机，同步拍摄固体推进剂药柱从点燃到燃尽过程中燃烧表面的蔓延过程，后期经过对图形进行二值化处理后可以计算得到指定压力下固体推进剂的燃烧速度。
本发明针对固体推进剂燃烧过程中无法同步测量燃烧表面温度的问题。本发明设计了一种热电偶安装结构，选用弹性好，直径为1mm的热电偶，在药柱支架上加装紧固弹簧并连接在底部测温热电偶中段，确保该热电偶测量段能持续贴在固体推进剂燃烧表面进行测量。
本发明针对固体推进剂燃烧过程中烟气在燃烧室顶部聚集的问题。本发明解决方案如下：一、在燃烧室底部设置吹扫气进气口，通过氮气吹扫将烟气排出燃烧室；二、设计了流线型集烟罩并安装在燃烧室顶部，确保烟气不在燃烧室内扩散并顺利沿顶部排出；三、在出气口前段设置了一个缓冲罐，加快烟气排出速度并减小压力波动。
本发明针对吹扫气在吹扫固体推进剂燃烧过程中生成的烟气时会对燃烧波火焰结构产生影响的问题。本发明在对吹扫气进气口进行了设计，吹扫气进气口设置在燃烧室底部，数量不小于4个，直径为3cm,沿药柱中心水平距离15cm处对称分布，吹扫气进气口前端安装了电子流量计，设定吹扫气流量为50L/min。
本发明针对药剂燃烧生成的气体产物在固体推进剂定压燃烧过程中产生压力波动的问题。本发明在出气口处设置了背压阀。将背压阀参数设置为所需燃烧室压力，当固体推进剂燃烧产生的气体产物引起了燃烧室压力波动时，多余的气体将与吹扫气一起通过背压阀后排出，进而确保容器内压力稳定在设定值。
本发明针对可能产生的燃烧固体颗粒产物造成的管道堵塞问题。本发明在燃烧室顶部安装了过滤丝网，选用的过滤丝网为不锈钢材质，目数为50，形状为锥形，锥角为120度。
本发明针对固体推进剂燃烧过程中燃烧波火焰结构观察困难的问题。本发明在燃烧室一面设置有透明观察窗，观察窗长度不低于30cm，宽度不低于10cm。通过设计安装这个透明观察窗，可以对固体推进剂定压燃烧过程燃烧波火焰结构全貌进行高速摄影，进而计算燃速和研究燃烧火焰形态变化。
本发明采用的技术方案为：一种带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，该设备包括：高压气瓶组、减压阀、电子流量计、点火器、带观察窗高压燃烧室、缓冲罐、背压阀、高速摄像机、滤光片、数显面板、数据采集模块与计算机；高压气瓶组内存储的惰性气体经过气体输送管路上的减压阀及电子流量计后充入带观察窗高压燃烧室内，燃烧室上部连接有缓冲罐与背压阀，当带观察窗高压燃烧室压力超出背压阀设定值时多余气体经此端气体输送管路排出，燃烧室中部装有点火器和传感器，带观察窗高压燃烧室的观察窗外部放置有装配了滤光片的高速摄像机，高速摄像机采集到的数据经数据采集模块收集后传输到计算机中进行下一步处理，得到所测固体推进剂试样的高压燃烧特性参数；
所述高压气瓶组用于存储并驱动吹扫气，优选为氮气；
所述减压阀用于调整并控制吹扫气压力；
所述电子流量计用于调整并控制吹扫气流量；
所述点火器用于点燃固体推进剂药柱；
所述带观察窗高压燃烧室用于观察固体推进剂药柱定压燃烧下燃烧波结构变化；
所述缓冲罐用于减小压力波动，加速烟气随吹扫气流出；
所述背压阀用于稳定燃烧室内压力，确保压力维持在设定值；
所述高速摄像机用于拍摄并记录固体推进剂药柱燃烧时燃烧火焰形态特征变化；
所述滤光片用于滤去高速摄像机拍摄时指定波段光线，确保拍摄结果清晰度；
所述数显面板用于直观显示燃烧时内温度及压力值；
所述数据采集模块用于采集并记录各探测点处温度、压力数值的变化；
所述计算机用于数据分析与回显。
其中，所述的带观察窗高压燃烧室包括壳体、观察窗、温度传感器、压力传感器；
所述壳体用于形成一个压力恒定的腔室，进行定压燃烧试验；
所述观察窗用于高速摄像机拍摄并记录燃烧火焰形态特征变化；
所述温度传感器用于测量固体推进剂燃烧时火焰区内温度；
所述压力传感器用于测量固体推进剂燃烧时燃烧室的压力变化。
其中，所述设备的燃烧速度测量方法基于图形二值化处理得到，用作数据处理的图像由带滤光片的高速摄像机，透过透明观察窗，拍摄固体推进剂药柱从点燃到燃尽过程中燃烧表面的蔓延过程得到。
其中，所述设备可以同步测量固体推进剂燃烧速度与燃烧火焰形态结构变化。
其中，所述设备测温热电偶上连接有紧固弹簧，可持续贴在固体推进剂燃烧表面测量。
其中，所述设备燃烧室底部设置有多个吹扫气进样口，数量不小于4个，沿药柱中心对称分布。
其中，所述设备燃烧室顶部连接有集烟罩，起到烟气归集与加速流出的作用。
其中，所述设备燃烧室顶部放置有不锈钢过滤丝网，用以滤去烟气中的固体颗粒物。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所述的燃烧特性参数测量过程可以排除药柱不规则燃烧、靶线被提前触发等因素对测量结果的影响，因此通过所述带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备测得的结果精度更高，结果更可靠；
(2)本发明所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备通过设置透明观察窗及热电偶夹持结构，实现了同步测量燃速、燃温、燃烧火焰形态结构等燃烧特性参数的功能，进而更好的理解所测固体推进剂试样在指定压力下燃烧时的燃烧机理；
(3)本发明所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备采用了控制吹扫气流量及背压阀泄压协同作用的设计，解决了现有技术中存在的压力振荡幅度大的问题，确保了测量结果的科学性与可靠性。
附图说明
图1是带观察窗的固体推进剂高压下燃烧特性参数测量设备组成示意图；
图2是带视窗高压燃烧室结构示意图；
图中，1-高压气瓶组，2-减压阀，3-电子流量计，4-高压燃烧室壳体，5-缓冲罐，6-背压阀，7-电子点火器，8-数据采集设备，9-数显面板，10-高速摄像机，11-计算机，12-吹扫气进气口，13-紧固弹簧，14-热电偶，15-透明观察窗，16-不锈钢过滤丝网，17-集烟罩。
具体实施方式
下面通过实施实例结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施范围并不局限于这种布置方式。
如图1所示，本发明的一种带观察窗的固体推进剂高压下燃烧特性参数测量设备，包括高压气瓶组1，减压阀2，电子流量计3，高压燃烧室壳体4，缓冲罐5，背压阀6，电子点火器7，数据采集设备8，数显面板9，高速摄像机10，计算机11。上述部分通过电气线缆与气体输送管路连接组成一个实验设备。高压气瓶组1内存储的惰性气体经过气体输送管路上的减压阀2及电子流量计3后充入带观察窗高压燃烧室壳体4内，燃烧壳体上部连接有缓冲罐5与背压阀6，当带观察窗高压燃烧室内压力超出背压阀设定值时多余气体经此端气体输送管路排出，燃烧室中部装有电子点火器7和传感器，带观察窗高压燃烧室的观察窗外部放置有装配了滤光片的高速摄像机10，高速摄像机采集到的数据经数据采集设备8收集后传输到计算机11中进行下一步处理，得到所测固体推进剂试样的高压燃烧特性参数。其中高压燃烧室壳体4又包括吹扫气进气口12，紧固弹簧13，热电偶14，透明观察窗15，不锈钢过滤丝网16，集烟罩17。
每次测试开始前，先打开高压燃烧室壳体4，从上部进样，将固体推进剂药柱放置平台上，将热电偶位置固定好以后安置不锈钢过滤丝网16，然后将集烟罩17与壳体通过螺栓连接。打开背压阀6，开启高压气瓶组1，启动减压阀2及电子流量计3，待LED数显板9显示的高压燃烧室内压力稳定后启动数据采集设备8和高速摄像机10，准备就绪后使用电子点火器7引燃固体推进剂药柱并通过计算机11进行数据处理。
本实施例中，高压燃烧室壳体4的尺寸为0.6m×0.6m×1.2m，材质为304不锈钢型材；
本实施例中，高压气瓶组1压力为40MPa，气体输运管路材质为304不锈钢型材；
本实施例中，减压阀2出口压力可调节的范围为0.1-5MPa；
本实施例中，电子流量计3最大工作压力6MPa，测量范围10-100L/min；
本实施例中，缓冲罐5尺寸为直径10cm，高度30cm的圆筒形容器，材质为304不锈钢型材；
本实施例中，背压阀6最大工作压力为6MPa，调整精度为0.1MPa；
本实施例中，电子点火器7点火方式为静电火花点火，最大点火能20J；
本实施例中，数据采集设备8最大采集频率为100Hz，可同步采集处理温度和压力信号；
本实施例中，高速摄像机10帧率为2000FPS，分辨率为1280×860；
本实施例中，热电偶14测温范围为-50～+1600℃，测量段直径为1mm；
本实施例中，不锈钢过滤丝网16目数为50，锥角为120度。
Claims (8)
1.一种带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：该设备包括：高压气瓶组、减压阀、电子流量计、点火器、带观察窗高压燃烧室、缓冲罐、背压阀、高速摄像机、滤光片、数显面板、数据采集模块与计算机；高压气瓶组内存储的惰性气体经过气体输送管路上的减压阀及电子流量计后充入带观察窗高压燃烧室内，燃烧室上部连接有缓冲罐与背压阀，当带观察窗高压燃烧室压力超出背压阀设定值时多余气体经此端气体输送管路排出，燃烧室中部装有点火器和传感器，带观察窗高压燃烧室的观察窗外部放置有装配了滤光片的高速摄像机，高速摄像机采集到的数据经数据采集模块收集后传输到计算机中进行处理，得到所测固体推进剂试样的高压燃烧特性参数；
所述高压气瓶组用于存储并驱动吹扫气；
所述减压阀用于调整并控制吹扫气压力；
所述电子流量计用于调整并控制吹扫气流量；
所述点火器用于点燃固体推进剂药柱；
所述带观察窗高压燃烧室用于观察固体推进剂药柱定压燃烧下燃烧波结构变化；
所述缓冲罐用于减小压力波动，加速烟气随吹扫气流出；
所述背压阀用于稳定燃烧室内压力，确保压力维持在设定值；
所述高速摄像机用于拍摄并记录固体推进剂药柱燃烧时燃烧火焰形态特征变化；
所述滤光片用于滤去高速摄像机拍摄时指定波段光线，确保拍摄结果清晰度；
所述数显面板用于直观显示燃烧时内温度及压力值；
所述数据采集模块用于采集并记录各探测点处温度、压力数值的变化；
所述计算机用于数据分析与回显。
2.如权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述的带观察窗高压燃烧室包括壳体、观察窗、温度传感器、压力传感器；
所述壳体用于形成一个压力恒定的腔室，进行定压燃烧试验；
所述观察窗用于高速摄像机拍摄并记录燃烧火焰形态特征变化；
所述温度传感器用于测量固体推进剂燃烧时火焰区内温度；
所述压力传感器用于测量固体推进剂燃烧时燃烧室的压力变化。
3.根据权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述设备的燃烧速度测量方法基于图形二值化处理得到，用作数据处理的图像由带滤光片的高速摄像机，透过透明观察窗，拍摄固体推进剂药柱从点燃到燃尽过程中燃烧表面的蔓延过程得到。
4.根据权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述设备可以同步测量固体推进剂燃烧速度与燃烧火焰形态结构变化。
5.根据权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述设备测温热电偶上连接有紧固弹簧，可持续贴在固体推进剂燃烧表面测量。
6.根据权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述设备燃烧室底部设置有多个吹扫气进样口，数量不小于4个，沿药柱中心对称分布。
7.根据权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述设备燃烧室顶部连接有集烟罩，起到烟气归集与加速流出的作用。
8.根据权利要求1所述的带观察窗的固体推进剂高压燃烧特性参数测量设备，其特征在于：所述设备燃烧室顶部放置有不锈钢过滤丝网，用以滤去烟气中的固体颗粒物。
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