CN109488488B - 适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，包括试验段本体、气膜冷却板、内层玻璃压盖、内层玻璃板、外层玻璃板和外层玻璃压盖；试验段本体具有燃烧室，试验段本体的两个侧壁上设有进气孔；试验段本体的顶部设有与燃烧室相连通的圆柱形的玻璃安装槽；气膜冷却板密封放置于玻璃安装槽底部，内层玻璃压盖包括柱状部，柱状部包括从下至上依次同轴设置的内层玻璃容纳槽、间隔板和外层玻璃容纳槽。本发明能适用于3‑8MPa，2800K到3500K燃气工况范围，针对缩比的液氧/煤油火箭发动机，可扩大范围至所有适用于高温高压燃烧环境，旨在实现对高温高压环境的光学观测。双层玻璃结构，可以有效防止试验中发生玻璃爆裂，安全可靠。

Description

适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，特别是一种适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段。

背景技术

从液体火箭发动机开始研制开始，燃烧不稳定现象受到了各国研究人员的重视。目前，这种强非线性燃烧所产生的燃烧不稳定性的根本原因和机理尚未完全成熟。随着航天任务的与日俱增，液体火箭发动机燃烧不稳定带来的危害越来越受到重视。

由于火箭发动机内的高温高压环境，燃烧不稳定的研究一般只能采用高频压力传感器。这种研究方法能得到的燃烧和流场信息极为有限。

近年来，光学测量技术高速发展，如高速纹影、OH-PLIF、CH-PLIF、燃烧PIV、OH自发辐射等测量手段，以及相应的火焰结构三维重构、图像POD分解、跨帧图像相关性分析等数据处理方法。如果能将上述光学测量技术应用于燃烧不稳定的研究，则可以对燃烧瞬态过程和释热振荡机理进行更加深入的研究。

以常用的液氧/煤油火箭发动机为例，火箭发动机燃烧室内燃气温度在2800-3500K范围内，且燃烧室压力为3-8MPa。然而目前，高温石英玻璃的适用温度范围约在1400~1500K，难以直接承受这样的高温。同时，高温下石英玻璃耐压能力下降，容易由于局部应力集中发生压碎。

高温高压环境下的光学观测是发动机燃烧不稳定机理研究中的难题，目前尚无光学玻璃可以直接适用这种环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，该适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段能适用于3-8MPa，2800K到3500K燃气工况范围，针对缩比的液氧/煤油火箭发动机，可扩大范围至所有适用于高温高压燃烧环境，旨在实现对高温高压环境的光学观测。双层玻璃结构，可以有效防止试验中发生玻璃爆裂，安全可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，包括试验段本体、气膜冷却板、内层玻璃压盖、内层玻璃板、外层玻璃板和外层玻璃压盖。

试验段本体具有燃烧室，位于燃烧室两侧的试验段本体上同轴设置有喷注面板安装口和拉瓦尔喷管安装口；试验段本体的另外两个侧壁上均设置有进气孔，每个进气孔均与高压气源相连接。

试验段本体的顶部设置有与燃烧室相连通的圆柱形的玻璃安装槽。

气膜冷却板密封放置于玻璃安装槽底部，气膜冷却板的中心贯穿设置有观察孔一，气膜冷却板的下表面设置有若干个条状槽。

内层玻璃压盖包括柱状部和设置于柱状部顶部外周的法兰凸缘；柱状部伸入玻璃安装槽内，法兰凸缘通过连接件与试验段本体相连接。

柱状部包括从下至上依次同轴设置的内层玻璃容纳槽、间隔板和外层玻璃容纳槽。

内层玻璃容纳槽用于容纳内层玻璃板，内层玻璃板采用耐高温材质制成；内层玻璃板底部与气膜冷却板上表面相接触；与内层玻璃容纳槽相对应的柱状部外壁面与对应的玻璃安装槽之间具有竖向集气腔，该竖向集气腔与每个进气孔均相连通。

间隔板的中心贯穿设置有观察孔二，与间隔板相对应的柱状部外壁面与对应的玻璃安装槽密封配合，与间隔板相对应的柱状部外壁面上沿周向设置有若干个竖向气体导槽，每个竖向气体导槽均与竖向集气腔相连通；每个竖向气体导槽内各设置一个横向气体通孔，每个横向气体通孔均将竖向集气腔与观察孔二相连通。

外层玻璃容纳槽用于容纳外层玻璃板，外层玻璃板采用耐高压材质制成。

外层玻璃压盖用于压紧外层玻璃板，外层玻璃压盖的中心贯穿设置有观察孔三，外层玻璃压盖与内层玻璃压盖顶部相连接。

观察孔一、观察孔二和观察孔三同轴设置。

高压气源向每个进气孔提供高压气体，高压气体的压力比燃烧时的燃烧室内气体压力高0.5MPa。

观察孔一、观察孔二和观察孔三形状相同，均为长条形；气膜冷却板上表面的每个条形槽均与观察孔一的长边相垂直。

竖向集气腔的纵截面为三角形。

气膜冷却板与试验段本体之间设置有石棉密封垫。

内层玻璃板外圆周面与内层玻璃容纳槽的内壁面之间填充石棉隔热带。

玻璃安装槽的底部中心设置有与观察孔一同轴的观察孔四，玻璃安装槽通过观察孔四与燃烧室相连通。

本发明具有如下有益效果：

本发明的光学观测窗，可以适用于3-8MPa，2800K到3500K燃气工况范围，针对缩比的气氧/煤油火箭发动机，可扩大范围至所有适用于高温高压燃烧环境，旨在实现对高温高压环境的光学观测。双层玻璃结构，可以有效防止试验中发生玻璃爆裂，安全可靠。

具体细节包括：

1、观察视窗大，可以较好的观测燃烧室内火焰全貌；

2、采用气膜冷却克服高温燃气对玻璃的烧蚀，耐高温能力较强，同时也有效提升了玻璃的耐压能力；

3、采用吹除气平衡观察窗玻璃内外压差，只要能提供合适的吹除气压力，可以适用于各种高压环境，且整体结构简单、安全可靠；

4、吹除气流量较小，且吹除气方向沿着切向，有效保留了纵向燃烧不稳定的声学固有频率。

5、内外玻璃采用两块压板分开密封，保证了密封的可靠性。

附图说明

图1显示了适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段的整体结构图。

图2显示了适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段的纵向剖面图。

图3显示了图2中圆圈区域的放大示意图。

图4显示了试验段本体的结构示意图。

图5显示了试验段本体沿进气孔的截面示意图。

图6显示了气膜冷却板的仰视图。

图7显示了气膜冷却板的侧视图。

图8显示了内层玻璃压盖的立体结构示意图。

图9显示了内层玻璃压板的纵剖面视图。

图10显示了内层玻璃压板的侧视图。

其中有：

10.试验段本体；

11.燃烧室；12.喷注面板安装口；13.拉瓦尔喷管安装口；14.玻璃安装槽；15.进气孔；

20.气膜冷却板；

21.条形槽；22.观察孔一；23.石棉密封垫；

30.内层玻璃压盖；

31.柱状部；311.内层玻璃容纳槽；312.间隔板；3121.观察孔二；313.外层玻璃容纳槽；314.竖向气体导槽；315.横向气体通孔；316.竖向集气腔；

32.法兰凸缘；33.圆柱部；34.倒圆台部；

40.内层玻璃板；41.石棉隔热带；

50.外层玻璃板；60.外层玻璃压盖；61.观察孔三。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2和图3所示，一种适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，包括试验段本体10、气膜冷却板20、内层玻璃压盖30、内层玻璃板40、外层玻璃板50和外层玻璃压盖60。

如图2和图4所示，试验段本体具有燃烧室11，位于燃烧室两侧的试验段本体上同轴设置有喷注面板安装口12和拉瓦尔喷管安装口13。其中，喷注面板安装口用于安装喷注面板，喷注面板用于将燃料喷射至燃烧室进行燃烧。拉瓦尔喷管安装口用于安装拉瓦尔喷管。

整个试验段是火箭发动机试验模型的一部分，提供对火箭发动机内部燃烧的光学诊断，特别是对于纵向燃烧不稳定的光学观测。

如图4和图5所示，试验段本体的另外两个侧壁上均设置有进气孔15，每个侧壁优选各设置两个进气孔；每个进气孔均与高压气源相连接，高压气源优选为高压氮气。

高压气源向每个进气孔提供高压气体（也称吹除气），高压气体的压力比燃烧时的燃烧室内气体压力高0.5MPa。

试验段本体的顶部设置有与燃烧室相连通的圆柱形的玻璃安装槽14。玻璃安装槽的底部中心设置有观察孔四16，玻璃安装槽通过观察孔四与燃烧室相连通。

气膜冷却板密封放置于玻璃安装槽底部，气膜冷却板与试验段本体（也即玻璃安装槽底部）之间优选设置有石棉密封垫23。石棉密封垫可以减小试验段本体向气膜冷却板的传热系数，同时避免气膜冷却板和高温的试验段本体较长时间直接接触，导致金属板接触面粘连在一起。

如图6和图7所示，气膜冷却板的中心贯穿设置有观察孔一22，气膜冷却板的下表面设置有若干个条状槽21。气膜冷却板的外径优选与内层玻璃板的外径相等。

如图8、图9和图10所示，内层玻璃压盖包括柱状部31和设置于柱状部顶部外周的法兰凸缘32；柱状部伸入玻璃安装槽内，法兰凸缘通过连接件，如螺栓等，与试验段本体相连接。

柱状部包括从下至上依次同轴设置的内层玻璃容纳槽311、间隔板312和外层玻璃容纳槽313。

内层玻璃容纳槽用于容纳内层玻璃板，内层玻璃板外圆周面与内层玻璃容纳槽的内壁面之间优选填充石棉隔热带41。石棉隔热带的设置，减少试验中内层玻璃压盖向内层玻璃板的传热，同时缓冲内层玻璃压盖热变形对内层玻璃板的挤压。

内层玻璃板采用耐高温材质制成，优选为耐高温石英玻璃。内层玻璃板底部与气膜冷却板上表面压紧接触。内层玻璃容纳槽的槽深优选大于内层玻璃板的厚度，但小于内层玻璃板与气膜冷却板的厚度之和。故而气膜冷却板的外圆周面与玻璃安装槽的底部内壁面之间形成环形的横向集气腔。

柱状部优选包括圆柱部33和倒圆台部34，与内层玻璃容纳槽相对应的柱状部底部则为倒圆台部，从上至下外径逐渐缩小，故而与内层玻璃容纳槽相对应的柱状部外壁面与对应的玻璃安装槽之间具有竖向集气腔316，该竖向集气腔一方面与横向集气腔相连通，而且还与每个进气孔均相连通。竖向集气腔的纵截面优选为三角形。

间隔板的中心贯穿设置有观察孔二3121，与间隔板相对应的柱状部的圆柱部外壁面与对应的玻璃安装槽密封配合，与间隔板相对应的柱状部外壁面上沿周向设置有若干个竖向气体导槽314，每个竖向气体导槽均与竖向集气腔相连通；每个竖向气体导槽内各设置一个横向气体通孔315，每个横向气体通孔均将竖向集气腔与观察孔二相连通。

外层玻璃容纳槽用于容纳外层玻璃板，外层玻璃板采用耐高压材质制成，优选为耐高压石英玻璃。

外层玻璃、内层玻璃与间隔板之间均优选设置有石棉密封垫。

外层玻璃压盖用于压紧外层玻璃板，外层玻璃压盖的中心贯穿设置有观察孔三61，外层玻璃压盖与内层玻璃压盖顶部优选通过螺栓等相连接。

观察孔一、观察孔二、观察孔三和观察孔四同轴设置，且形状均相同，均优选为长条形，从而观察视窗大；气膜冷却板上表面的每个条形槽均与观察孔一的长边相垂直。

使用前，先通过热力学计算，预估出燃烧室内的压力。

采用与耐高温石英玻璃（3）相同尺寸的钢板安装在试验件的相应位置。

设置吹除气压力大约高于燃烧室预估压力0.5MPa。

进行一次发动机试验，记录下发动机试验过程中的燃烧室内的压力，并调整吹除气压力。

由于内层玻璃板距离燃烧室内高温高压燃气最近，需要同时解决高温高压问题。本发明在试验过程中，采用高压氮气作为吹除气，对内层玻璃板靠近燃烧室一侧进行气膜冷却，对内层玻璃板远离燃烧室一侧进行增压平衡。吹除气压力一般比燃烧室燃气压力高0.5MPa左右。

吹除气由试验段本体上的进气孔进入到环形的横向集气腔或竖向集气腔中。一部分吹除气通过气膜冷却板上的条形槽吹过内层玻璃板底部的视窗部分，并形成冷却气膜。由于条形槽在观察孔一两侧对称设置，故而进入内层玻璃板底部的视窗部分的吹除气方向相反，相对的吹除气相互撞击，在内层玻璃板底部的视窗部分形成局部高压，避免高温燃气直接接触内层玻璃板底部的视窗部分。

另一部分吹除气通过竖向集气腔和横向气体通孔，进入间隔板中心的观察孔二内，在观察孔二内形成一个比燃烧室压力略高的反压。

冷却气形成的高压空腔，使得内层玻璃板两侧的压差大幅降低，避免了内层玻璃板由于局部应力集中而被压碎。

吹除气高压空腔与环境压力的压差，由外层玻璃板进行平衡。外层玻璃板隔绝了高温环境，可以采用塑形较强的玻璃。同时外层玻璃压盖采用平面均匀挤压，避免外层玻璃板的视窗破裂。

试验结束后，观察钢板的烧蚀情况。检查外层玻璃板的耐压情况，观察是否出现裂痕。如果有裂痕，可以进一步检查压板是否平整，垫片是否均匀，或者更换更厚的玻璃。

根据实际测量得到的燃烧室压力，调整吹除气压力，使其高于燃烧室实际压力0.5MPa。

利用高速摄影，透过玻璃视窗对燃烧室内燃烧状况进行光学观测。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：包括试验段本体、气膜冷却板、内层玻璃压盖、内层玻璃板、外层玻璃板和外层玻璃压盖；

试验段本体具有燃烧室，位于燃烧室两侧的试验段本体上同轴设置有喷注面板安装口和拉瓦尔喷管安装口；试验段本体的另外两个侧壁上均设置有进气孔，每个进气孔均与高压气源相连接；

试验段本体的顶部设置有与燃烧室相连通的圆柱形的玻璃安装槽；

气膜冷却板密封放置于玻璃安装槽底部，气膜冷却板的中心贯穿设置有观察孔一，气膜冷却板的下表面设置有若干个条状槽；

内层玻璃压盖包括柱状部和设置于柱状部顶部外周的法兰凸缘；柱状部伸入玻璃安装槽内，法兰凸缘通过连接件与试验段本体相连接；

柱状部包括从下至上依次同轴设置的内层玻璃容纳槽、间隔板和外层玻璃容纳槽；

内层玻璃容纳槽用于容纳内层玻璃板，内层玻璃板采用耐高温材质制成；内层玻璃板底部与气膜冷却板上表面相接触；与内层玻璃容纳槽相对应的柱状部外壁面与对应的玻璃安装槽之间具有竖向集气腔，该竖向集气腔与每个进气孔均相连通；

间隔板的中心贯穿设置有观察孔二，与间隔板相对应的柱状部外壁面与对应的玻璃安装槽密封配合，与间隔板相对应的柱状部外壁面上沿周向设置有若干个竖向气体导槽，每个竖向气体导槽均与竖向集气腔相连通；每个竖向气体导槽内各设置一个横向气体通孔，每个横向气体通孔均将竖向集气腔与观察孔二相连通；

外层玻璃容纳槽用于容纳外层玻璃板，外层玻璃板采用耐高压材质制成；

外层玻璃压盖用于压紧外层玻璃板，外层玻璃压盖的中心贯穿设置有观察孔三，外层玻璃压盖与内层玻璃压盖顶部相连接；

观察孔一、观察孔二和观察孔三同轴设置。

2.根据权利要求1所述的适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：高压气源向每个进气孔提供高压气体，高压气体的压力比燃烧时的燃烧室内气体压力高0.5MPa。

3.根据权利要求1所述的适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：观察孔一、观察孔二和观察孔三形状相同，均为长条形；气膜冷却板上表面的每个条形槽均与观察孔一的长边相垂直。

4.根据权利要求1所述的适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：竖向集气腔的纵截面为三角形。

5.根据权利要求1所述的适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：气膜冷却板与试验段本体之间设置有石棉密封垫。

6.根据权利要求1所述的适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：内层玻璃板外圆周面与内层玻璃容纳槽的内壁面之间填充石棉隔热带。

7.根据权利要求1所述的适用于高温高压环境下纵向燃烧不稳定光学测量的试验段，其特征在于：玻璃安装槽的底部中心设置有与观察孔一同轴的观察孔四，玻璃安装槽通过观察孔四与燃烧室相连通。

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