CN109709122B - 一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，所述试验装置包括：循环系统，主要包括冷却介质腔体；凝相产物吸附系统，主要包括燃气腔体和凝相沉积块；脉冲吸气系统，包括过滤器、电磁阀和负压仓；所述循环系统采用泵驱动冷却介质的循环，将取样装置中的热量带走，保证凝相产物沉积处的温度较低；所述凝相产物吸附系统用于收集凝相燃烧产物；所述脉冲吸气系统为本实验装置提供负压环境，通过控制电磁阀的打开时间，可以实现燃气的脉冲抽吸。与现有的凝相燃烧产物获取方式相比，本发明提供的试验装置能够获得金属添加剂的中间燃烧产物，且收集到的凝相燃烧产物不易被污染，保真性好。

Description

一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置

技术领域

本发明涉及产物收集装置技术领域，尤其是一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置。

背景技术

金属添加剂是高能复合固体推进剂中十分重要的能量来源。随着先进固体推进动力系统对固体推进剂能量密度的要求越来越高，固体推进剂中金属添加剂的含量也越来越高。以镁、铝、硼为代表的金属添加剂在固体推进剂中应用十分广泛，这些金属添加剂的点火燃烧特性直接决定了固体推进剂的能量特性。因此，研究金属添加剂在固体推进剂中的点火燃烧特性具有十分重要的意义。产物分析是研究金属添加剂点火燃烧特性重要手段，通过分析推进剂燃气流中金属添加剂的凝相燃烧产物的结构形貌和组分特征，可以获得其点火燃烧特性的关键参数。固体推进装置中凝相燃烧产物尺寸分布较广，小则几微米，大则几十微米，甚至上百微米，因此对产物取样装置的要求比较高。

目前，固体推进剂燃烧凝相产物主要通过热沉法和残余物收集法获得。热沉法收集凝相产物主要是通过将取样杆置于高温燃气流中，利用凝相颗粒与取样杆之间的碰撞，获得吸附在取样杆上的凝相产物。由于取样杆在高温燃气中有一定的滞留时间，获得的凝相燃烧产物与凝相颗粒中间燃烧产物有一定的差异。此外，由于固体推进剂产生的高温燃气具有一定的腐蚀性，取样杆在高温燃气中会被氧化，对凝相燃烧产物造成污染。残余物收集法获得的燃烧产物是试验之后的凝相燃烧产物，与在线实时收集到的燃烧产物存在差异。

发明内容

本发明提供一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，用于克服现有技术中取样杆在高温燃气中有一定的滞留时间，获得的凝相燃烧产物与凝相颗粒中间燃烧产物有一定的差异；取样杆在高温燃气中会被氧化，对凝相燃烧产物造成污染等缺陷，能够获得金属添加剂的中间燃烧产物，同时收集到的凝相燃烧产物不易被污染，保真性较好。

为实现上述目的，本发明提供一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，所述试验装置包括：

循环系统，包括冷却介质腔体；所述冷却介质腔体具有一个可供冷却介质循环流动的空腔；

凝相产物吸附系统，包括燃气腔体和凝相沉积块；所述燃气腔体具有一个可供两相燃气流流动的空腔，且位于所述冷却介质腔体的空腔下方；所述凝相沉积块位于所述燃气腔体的空腔内，一端可拆卸的连接在所述燃气腔体靠近所述冷却介质腔体端；所述燃气腔体远所述冷却介质腔体端设有燃气入口，所述燃气入口正对着所述凝相沉积块；所述燃气腔体的侧壁上开设有燃气出口；

脉冲吸气系统，包括过滤器、电磁阀和负压仓；所述过滤器位于所述燃气出口与所述电磁阀之间；所述负压仓连接在所述电磁阀远过滤器端。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，在脉冲吸气系统工作时，含有凝相燃烧产物的高温两相燃气流会从燃气入口处进入燃气腔体中；进入燃气腔体中的微量燃气遇到凝相沉积块时会改变流动方向，同时凝相燃烧产物在惯性力的作用下会碰撞并吸附在凝相沉积块上；由于凝相沉积块的温度较低，高温凝相物质可以迅速中止燃烧，获得金属添加剂的中间燃烧产物(即凝相燃烧产物)；同时凝相沉积块受到高温燃气的冲刷时间短，不易被腐蚀，收集到的凝相燃烧产物不易被污染，保真性较好。

2、本发明提供的试验装置，其脉冲吸气系统的设计可实现阀门短时间内打开并关闭，使得通过燃气入口进入装置的两相燃气流量非常小，可以保证吸附在沉积块上的凝相燃烧产物不会被高温燃气进一步氧化，达到保真性好的效果；同时减轻了整个系统的热负荷，安全性高。

3、本发明的试验装置，结构简单紧凑，易实现阵列安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明试验装置工作示意图；

图2为本发明试验装置主体结构的三维外观图；

图3为本发明试验装置的剖视图；

图4a为实施例一试验装置获得到的高温燃气环境中凝相燃烧产物图；

图4b为实施例一中收集到的凝相燃烧产物能谱分析法测试结果图。

附图标号说明：1：循环泵；2：冷却介质入口；3：燃气腔体；4：燃气入口；5：冷却介质出口；6：燃气出口；7：过滤器；8：电磁阀；9：负压仓；10：两相燃气流；11：冷却介质密封盖；12：内六角螺钉；13：密封圈A；14：密封圈B；15：冷却介质腔体；16：冷却介质隔板；17：凝相沉积块；18：燃气内管道；19：燃气外管道。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置。

实施例一

请参照图1至图3，本发明提供一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，所述试验装置包括：

循环系统，包括冷却介质腔体15；所述冷却介质腔体15具有一个可供冷却介质循环流动的空腔；

凝相产物吸附系统，包括燃气腔体3和凝相沉积块17；所述燃气腔体3具有一个可供两相燃气流10流动的空腔，且位于所述冷却介质腔体15的空腔下方；所述凝相沉积块17位于所述燃气腔体3的空腔内，一端可拆卸的连接在所述燃气腔体3靠近所述冷却介质腔体15端，可拆卸设计可以实现快速重复试验；所述燃气腔体3远所述冷却介质腔体15端设有燃气入口4，所述燃气入口4正对着所述凝相沉积块17；所述燃气腔体3的侧壁上开设有燃气出口6；

脉冲吸气系统，包括过滤器7、电磁阀8和负压仓9；所述过滤器7位于所述燃气出口6与所述电磁阀8之间；所述负压仓9连接在所述电磁阀8远过滤器7端。所述滤器7、电磁阀8和负压仓9通过管道连接。从所述燃气腔体3流出的两相燃气流10先流经所述过滤器7，再经过所述电磁阀8排入到所述负压仓9。

优选地，所述冷却介质腔体的空腔为半封闭的，半封闭的设计便于更换冷却介质，同时便于对腔体内部进行清洁；

所述循环系统还包括外界循环泵1、冷却介质入口2、冷却介质出口5、冷却介质隔板16和冷却介质密封盖11；

所述外界循环泵1位于所述冷却介质腔体的外部，用于实现循环系统的冷却介质循环；在外界循环泵1的驱动作用下，冷却介质由冷却介质入口2进入到冷却介质腔体15的空腔内，再由冷却介质出口5排出，冷却介质在冷却介质腔体15内不断循环，实现对凝相产物吸附系统(尤其是凝相沉积块17)的冷却，保证了收集到的凝相燃烧产物的保真性；

所述冷却介质密封盖11叠置在所述冷却介质腔体15的开放端；

所述冷却介质入口2和所述冷却介质出口5设置在所述冷却介质密封盖11上；

所述冷却介质隔板16位于所述冷却介质腔体15的空腔内，且位于所述冷却介质入口2和所述冷却介质出口5正中间，同时固定连接在所述冷却介质腔体15封闭端上，在其长度方向上将所述冷却介质腔体15内部封闭空腔隔开成两部分，在其高度方向上与所述冷却介质腔体15封闭端留有缝隙。

优选地，所述冷却介质隔板16在高度方向上与所述冷却介质腔体15封闭端的缝隙为3mm。冷却介质入口2和冷却介质出口5之间采用冷却介质隔板15限制冷却介质通道面积，以增加冷却介质在冷却介质腔体15内的流动速度，从而起到增强换热效果的作用。

优选地，所述凝相沉积块17呈直径为9mm的圆柱状，高为5mm；所述凝相沉积块17的远可拆卸连接端呈凹槽状，凹槽的深度为0.45mm。所述凹槽的设计有利于对凝相燃烧产物的吸附和收集。

优选地，所述燃气入口4的口径为4mm；所述燃气入口4包括燃气内管道18和燃气外管道19；所述燃气内管道位于所述燃气腔体3内，其长度为2.75mm；所述燃气外管道19位于所述燃气腔体3的外部，其下端有高温两相燃气流流过，其长度由安装部位的壁面厚度决定，但不宜过长，以避免燃烧凝相产物在内壁面处的沉积。所述两相燃气流10为气固两相，气体是主要成分，固体含量不多，为所需收集的凝相燃烧产物。

优选地，所述燃气出口6的口径比所述燃气内管道18的长度小2mm。设置燃气出口6口径比燃气内管道18长度小的原因是为了确保燃气中的凝相燃烧产物能够撞击到凝相沉积块17上，而不是直接被燃气出口6吸走。

优选地，为保证良好的冷却效果，所述冷却介质腔体15和所述凝相沉积块17采用黄铜材料制成；为保证不被高温两相燃气流10烧蚀，所述燃气腔体3采用耐高温的不锈钢或钼合金材料制成。

优选地，所述冷却介质腔体15与所述冷却介质密封盖11之间采用密封圈A13进行密封；所述冷却介质腔体15与所述燃气腔体3之间采用密封圈B14进行密封。

优选地，所述密封圈A13和所述密封圈B14分别采用橡胶材料和石棉材料制成。密封圈A13处的温度较低，密封的介质为冷却介质，采用橡胶材料的密封圈可以很好密封；而密封圈B14处主要是用来密封高温燃气，温度高，所以采用石棉材料。

优选地，所述冷却介质密封盖11、冷却介质腔体15和燃气腔体3三者之间通过内六角螺钉连接；所述连接件呈中心对称分布，使该装置的各部分连接紧密，且受力均匀。

本实施例提供的收集试验装置，循环系统利用循环泵1驱动冷却介质的循环，其主要作用是将凝相产物吸附系统中的热量带走，保证凝相燃烧产物沉积处的温度较低，达到快速冷却凝相燃烧产物和中止燃烧的目的。同时循环系统可以有效冷却凝相产物吸附系统，保证其不被高温燃气氧化腐蚀(尤其是凝相沉积块17不被高温燃气氧化腐蚀)。循环系统中的冷却介质入口2和冷却介质出口5之间采用冷却介质隔板16限制冷却介质通道面积，以增加冷却介质在冷却介质腔体15内的流动速度，从而起到增强换热效果的作用。

凝相产物吸附系统的核心部件是凝相沉积块17，由于在抽吸两相燃气流之前，凝相沉积块17与冷却介质腔体15之间通过螺纹紧密相连，并且冷却介质腔体15和凝相沉积块17的导热系数大，因此其温度比较低。在脉冲吸气系统工作时，含有凝相燃烧产物的高温两相燃气流10会从燃气入口4处进入燃气腔体3中。微量的高温两相燃气流10遇到凝相沉积块17时会改变流动方向，同时凝相燃烧产物在惯性力的作用下会碰撞并吸附在凝相沉积块17的凹槽内。由于凝相沉积块17的温度较低，高温凝相物质可以迅速中止燃烧，获得金属添加剂的中间燃烧产物；同时凝相沉积块17受到高温两相燃气流10的冲刷时间短，不易被腐蚀，收集到的凝相燃烧产物不易被污染，保真性较好。将粘附有凝相燃烧产物的凝相沉积块17取下可以进行深入的凝相燃烧产物分析。

脉冲吸气系统为本试验装置提供负压环境，通过控制电磁阀8的打开时间，可以实现对包含有凝相燃烧产物的两相燃气流10进行脉冲抽吸，获取微量燃气。携带有凝相燃烧产物的两相燃气流10在脉冲吸气系统的作用下，可以实现在预设时刻从两相流燃气10中收集微量燃气的功能。为保证电磁阀8的正常工作，在燃气出口4与电磁阀8之间装有过滤器7，以过滤掉进入装置中的两相燃气流10中未沉积的凝相燃烧产物。

利用本发明提供的试验装置进行试验的具体过程包括：

S1：开启循环泵1，使循环系统处于正常的工作状态；

S2：通过真空泵营造负压仓9中的负压环境；

S3：在有两相燃气流10流经该试验装置时，并且根据试验所需，所述所需为收集发动机工作预设时刻产生的两相燃气流10中的凝相燃烧产物，开启电磁阀8；

包含有凝相燃烧产物的高温两相燃气流10燃气入口4进入到燃气腔体3中，再通过燃气出口6，经过过滤器7过滤掉凝相燃烧产物之后，在电磁阀8之后排入到负压仓9中。根据两相燃气流10中凝相燃烧产物的浓度，进入试验装置的高温两相燃气流10的流量可以通过调节负压仓9中的气压和电磁阀8的开阀时长来进行调节；

S4：电磁阀8开启20ms之后迅速关闭电磁阀8；所述电磁阀8开启时间越短越好，开启时间越短越能保证沉积在凝相沉积块17上的凝相燃烧产物不被污染，但是时间太短不能确保有凝相燃烧产物沉积上去，所以通过多次测试，选20ms比较合适。

S5：取下凝相沉积块17，对凝相燃烧产物进行分析。

本实例中高温两相燃气流10为高温氧化性气体，金属添加剂为铝；冷却介质为水。

通过采场发射扫描电镜获得本实施例中收集到的凝相燃烧产物的微观结构(参见图4a)，并通过能谱分析法对其成分进行分析(分析结果参见图4b和表1)。从图4a可知，本实施例中收集到了两相燃气流10的凝相燃烧产物。再结合图4b和表1可知，收集到的凝相燃烧产物为部分氧化的金属铝，主要包含铝及其氧化物，为铝颗粒的中间燃烧产物，验证了本试验装置精确收集能力和对燃烧产物的高保真性。

表1能谱分析法测试结果

元素	质量比％	摩尔比％
			C	2.05	4.23
O	9.33	14.43
			Al	88.63	81.34

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：

循环系统，包括冷却介质腔体；所述冷却介质腔体具有一个可供冷却介质循环流动的空腔；

凝相产物吸附系统，包括燃气腔体和凝相沉积块；所述燃气腔体具有一个可供两相燃气流流动的空腔，且位于所述冷却介质腔体的空腔下方；所述凝相沉积块位于所述燃气腔体的空腔内，一端可拆卸的连接在所述燃气腔体靠近所述冷却介质腔体端；所述燃气腔体远所述冷却介质腔体端设有燃气入口，所述燃气入口正对着所述凝相沉积块；所述燃气腔体的侧壁上开设有燃气出口；

脉冲吸气系统，包括过滤器、电磁阀和负压仓；所述过滤器位于所述燃气出口与所述电磁阀之间；所述负压仓连接在所述电磁阀远过滤器端。

2.如权利要求1所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述冷却介质腔体的空腔为半封闭的；

所述循环系统还包括外界循环泵、冷却介质入口、冷却介质出口、冷却介质隔板和冷却介质密封盖；

所述外界循环泵位于所述冷却介质腔体的外部；

所述冷却介质密封盖叠置在所述冷却介质腔体的开放端；

所述冷却介质入口和所述冷却介质出口设置在所述冷却介质密封盖上；

所述冷却介质隔板位于所述冷却介质腔体的空腔内，且位于所述冷却介质入口和所述冷却介质出口之间，同时固定连接在所述冷却介质腔体封闭端上，在其长度方向上将所述冷却介质腔体内部封闭空腔隔开成两部分，在其高度方向上与所述冷却介质腔体封闭端留有缝隙。

3.如权利要求2所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述冷却介质隔板在高度方向上与所述冷却介质腔体封闭端的缝隙为2～4mm。

4.如权利要求1所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述凝相沉积块的远可拆卸连接端呈凹槽状，凹槽的深度为0.3～0.6mm。

5.如权利要求1所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述燃气入口的口径为3.5～5.5mm；所述燃气入口包括燃气内管道和燃气外管道；所述燃气内管道位于所述燃气腔体内，其长度为2.5～3.0mm；所述燃气外管道位于所述燃气腔体的外部，其下端有高温两相燃气流流过，其长度由安装部位的结构决定。

6.如权利要求5所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述燃气出口的口径比所述燃气内管道的长度小1.5～2mm。

7.如权利要求1所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述冷却介质腔体和所述凝相沉积块采用黄铜材料制成；所述燃气腔体采用耐高温的不锈钢或钼合金材料制成。

8.如权利要求1所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述冷却介质腔体与所述冷却介质密封盖之间采用密封圈A进行密封；所述冷却介质腔体与所述燃气腔体之间采用密封圈B进行密封。

9.如权利要求8所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述密封圈A和所述密封圈B分别采用石棉和橡胶材料制成。

10.如权利要求1～9任一项所述的一种高温燃气中凝相燃烧产物的收集试验装置，其特征在于，所述冷却介质密封盖、冷却介质腔体和燃气腔体三者之间通过连接件连接；所述连接件呈中心对称分布。

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