CN112303665B - 混合燃烧可视化燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明一种混合燃烧可视化燃烧器，属于火箭发动机技术领域；包括进气组件、整流段、燃烧室和同轴式点火炬，整流段同轴安装于进气组件和燃烧室之间，同轴式点火炬沿整流段径向安装于整流段的外周面；整流段为沿轴向开有矩形通孔的柱状结构，其两端分别设置有圆形法兰盘和方形法兰盘，通过圆形法兰盘与进气组件同轴密封连接，通过方形法兰盘与燃烧室入口端同轴密封连接；其周壁上开有圆孔，通过安装点火座与所述同轴式点火炬连通；增设整流段配合多孔喷注板消除了气流的涡旋不规则脉动，使气流平稳通入燃烧室，并且使整流段内流道截面与燃烧室流道截面保持一致，有效避免了回流区即旋涡结构的产生，从而使实验能够获得高质量的流场结构。

Description

混合燃烧可视化燃烧器

技术领域

本发明属于火箭发动机技术领域，具体涉及一种混合燃烧可视化燃烧器。

背景技术

固液混合发动机兼具安全可靠性高、结构简单以及易于实现多次启动和推力调节等优点，成为一种较为理想的航天推进动力装置。然而，燃烧效率以及燃面退移速率低成为长期制约固液混合发动机进一步发展与应用的关键因素，因此通过深入研究固液混合发动机燃烧机理，进而能够从理论上有效支撑燃烧效率以及燃面退移速率的进一步提升是至关重要的。

由于氧化剂和燃料分开存放的特性，固液混合发动机中的燃烧是典型的扩散燃烧且扩散尺度较大，燃料和氧化剂间的掺混及燃烧过程主要发生在燃面上方较薄的燃烧边界层内，因此扩散燃烧过程实质上是一个涉及边界层流体动力学的过程。燃烧火焰向固体燃料燃面的传热维持着燃面分解及退移过程，而掺混、燃烧及传热过程均取决于燃气流动状态即燃烧边界层的气动热力特性，因此通过合理优化可视化燃烧器结构，从而获得可供研究的高质量流场结构是深层次研究固体燃料燃烧机理的重要技术手段。

专利CN201910609601.5公开了一种固体燃料扩散燃烧精细化诊断燃烧器，该装置由进气腔、喷注器、石英玻璃、燃烧室壳体、玻璃盖板、燃烧室顶盖、固体燃料、绝热层挡板、点火机构、喷管、压螺以及热电偶机构等组成。燃烧室的前后侧壁面设有方形通孔用以安装石英玻璃，石英玻璃与燃烧室壳体间放置有膨胀石墨垫片以及硅橡胶垫圈用以避免石英玻璃直接接触金属壳体。玻璃盖板设有与石英玻璃同尺寸的观察窗并与燃烧室壳体间通过螺钉封装。进气腔外接氧化剂供给管理并与燃烧室壳体通过螺纹连接固定，喷注器与进气腔采用间隙配合且喷注器根据实验需求可随时更换。燃烧室顶盖设有装药凹槽，燃料药柱固定于凹槽后整体从燃烧室壳体顶部开口端插入并用绝热层挡板封装。喷管通过压螺同轴固定于燃烧室壳体后端。固体燃料通过点火机构点燃，并利用热电偶机构实时监测燃料燃烧温度。

上述专利公开的固体燃料扩散精细化诊断燃烧器主要存在以下5点缺陷：

1、由于氧化剂喷注器出口截面直径小于燃烧室内方形通道的截面尺寸，燃气流动会产生突扩效应导致出现回流区且固体燃料尾端会使流动产生后台阶效应，因此燃烧流场中易出现多处旋涡结构，干扰了流场结构的完整性从而不利于燃烧诊断。

2、点火方式采用点火药包，导致难以瞬时全面的点燃燃料药柱且点火瞬间易产生大量碳烟从而掩盖了流场结构的有效特征信息；此外，点火线及无烟纸燃烧速度较慢，其存在会持续干扰流场环境。

3、燃烧室整体长度相对较小且燃料前端离点火机构较近，导致点火瞬间产生的高温燃气流往往直接作用于燃料尾端而破坏了点火次序。

4、固体燃料的截面尺寸小于燃烧室方形通道的截面尺寸，从而引发3D效应的加剧，易干扰有效信息的采集。

5、燃烧室及压螺出口通孔处无绝热层保护易造成严重烧蚀，降低了装置的可重复使用性。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种混合燃烧可视化燃烧器，在燃烧室进气端增加了整流段，可获得高质量流场结构；采用专用点火炬，并对燃烧室结构做了优化，能够瞬时全面且较为可靠的点燃药柱，易于获得较好的诊断效果。

本发明的技术方案是：一种混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：包括进气组件、整流段、燃烧室和同轴式点火炬，所述整流段同轴安装于进气组件和燃烧室之间，所述同轴式点火炬沿整流段径向安装于整流段的外周面；

所述整流段为沿轴向开有矩形通孔的柱状结构，其两端分别设置有圆形法兰盘和方形法兰盘，通过圆形法兰盘与进气组件同轴密封连接，通过方形法兰盘与燃烧室入口端同轴密封连接；其周壁上开有圆孔，圆孔的外端口处同轴固定有点火座，用于与所述同轴式点火炬连通；

所述燃烧室包括燃烧室基体、燃烧室上顶盖、燃烧室下顶盖、观察窗、测压座、固体燃料、燃烧室后端盖、喷管、喷管压螺、热电偶座、热电偶压螺；所述燃烧室基体为轴向水平设置的长方体结构、并沿轴向开有矩形通孔作为燃烧内流道，其平行于轴向的相对两侧壁相对设置有观察窗，两个所述观察窗的内壁面作为燃烧内流道的两侧壁，燃烧内流道的宽度与所述整流段的矩形通孔的宽度相同；所述燃烧室上顶盖和燃烧室下顶盖分别通过密封圈密封安装于燃烧室基体在上、下壁面设置的截面为T形的阶梯通孔内，在燃烧室上顶盖和燃烧室下顶盖的内表面均开有装药凹槽，将所述固体燃料粘接于装药凹槽内，固体燃料的宽度等于燃烧内流道的宽度；所述燃烧室基体的出口端通过密封圈与燃烧室后端盖同轴密封固定连接，所述喷管通过喷管压螺同轴安装于燃烧室后端盖的中心孔内，并在喷管与燃烧室后端盖的安装面之间安装有石墨垫片；多个所述热电偶压螺分别通过热电偶座安装于燃烧室下顶盖的通孔处，用于测试固体燃料燃烧过程的温度变化；所述测压座设置于燃烧室靠近出口端的侧壁上。

本发明的进一步技术方案是：所述进气组件沿轴向依次包括进气道、氧化剂进气腔和喷注板；所述进气道为开有轴向通孔的圆柱结构；所述氧化剂进气腔为开有轴向阶梯孔的圆柱结构，阶梯孔作为进气道安装孔的一端和中段为等径通孔，另一端为锥形孔，所述锥形孔的大径端于朝向喷注板；所述喷注板为圆盘状，其两端面分别通过O型圈与氧化剂进气腔、整流段密封连接，圆盘状的中间位置呈矩形阵列有若干进气孔，矩形阵列的通孔均与整流段的内流道相对。

本发明的进一步技术方案是：所述固体燃料靠近所述整流段、且朝向燃烧室基体内壁一侧设计有倒角，倒角前缘为30°。

本发明的进一步技术方案是：所述整流段与燃烧室的轴向长度比为1：2。

本发明的进一步技术方案是：所述观察窗包括燃烧室基体两侧壁上开有矩形阶梯窗口、玻璃盖板和石英玻璃，通过螺钉和玻璃盖板将石英玻璃安装于矩形阶梯窗口内，并通过硅胶平垫和O型圈实现石英玻璃的密封安装；两个所述石英玻璃的相对面的距离与所述整流段的矩形通孔的宽度相同。

本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室的燃烧内流道出口端为渐扩段，扩张角度为18°。

本发明的进一步技术方案是：所述整流段的内流道截面与燃烧室的燃烧内流道截面尺寸一致。

本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室下顶盖的装药凹槽槽底面沿发动机轴向均布有N个通孔，N≥3；N个带有螺纹孔的热电偶座分别固定于所述燃烧室下顶盖底部N个通孔的正下方，N个热电偶压螺分别通过螺纹与N个热电偶座连接，用于测试固体燃料燃烧过程的温度变化。

本发明的进一步技术方案是：所述同轴式点火炬包括燃料进气连接管、第一燃料腔、第二燃料腔、氧化剂腔、连接环、氧化剂进气连接管、点火炬燃烧室、点火炬喷管、点火炬测压座和火花塞座；其中，燃料进气连接管、第一燃料腔、第二燃料腔、氧化剂腔、点火炬燃烧室和点火炬喷管依次同轴连接，所述点火炬喷管与所述点火座通过螺纹连接；所述氧化剂进气连接管通过连接环安装于氧化剂腔的外周面；所述点火炬测压座和火花塞座分别安装于点火炬燃烧室外周面设置的通孔内；

所述氧化剂腔为阶梯型圆柱体结构，其内沿轴向开有阶梯通孔，小径端外周面设置有外螺纹，与所述点火炬燃烧室通过螺纹连接；其大径端内周面设置有内螺纹，与所述燃料进气连接管通过螺纹连接；氧化剂腔外壁沿周向开有环形凹槽，所述环形凹槽的底面上沿周向均布有四个切向通孔，所述切向通孔与氧化剂腔内阶梯通孔的内壁相切，作为氧化剂旋流进气喷嘴；所述连接环焊接于环形凹槽的槽口，将环形凹槽封闭，并在连接环的环壁上开有通孔，与所述氧化剂进气连接管连接，将氧化剂经环形凹槽和切向通孔进入氧化剂腔内，并保证氧化剂流动方向为顺时针方向；氧化剂腔阶梯通孔的大径端为氧化剂流动区域，小径端为氧化剂及燃料的掺混区域，中部靠近小径端一侧为扩张孔，从小径端向大径端扩张，能够加速气流流动速度；

所述第一燃料腔为一端开有的圆筒结构，其开口端的外周面设置有限位法兰盘，其侧壁靠近封闭端的位置然周向均布四个切向通孔，作为燃料旋流进气喷嘴，所述燃料旋流进气喷嘴与所述第一燃料腔的内孔相切并连通，保证燃料气体流动方向为逆时针方向；所述第二燃料腔一端为圆盘结构，另一端为同轴的圆柱结构，圆盘的中心轴处开有收敛孔，所述收敛孔的收敛口朝向圆柱内的中心孔；所述第一燃料腔的限位法兰盘和第二燃料腔的圆盘端安装于所述氧化剂腔的内台阶面，第一燃料腔的封闭端位于所述燃料进气连接管内，第二燃料腔的圆柱端位于氧化剂腔的小径端内。

本发明的进一步技术方案是：所述燃料进气连接管、第一燃料腔、第二燃料腔和氧化剂腔的安装面之间均设置有聚四氟乙烯垫片。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1、增设整流段配合多孔喷注板消除了气流的涡旋不规则脉动，使气流平稳通入燃烧室，并且使整流段内流道截面与燃烧室流道截面保持一致，有效避免了回流区即旋涡结构的产生，从而使实验能够获得高质量的流场结构。

增设整流段与前述专利相比，氧化剂中心自由流流入燃烧室时不会发生突扩现象以及漩涡分离等不利于流场观测的现象，且由于整流段内流道截面与燃烧室截面一致，氧化剂流会均匀平稳的通入燃烧室，使整个燃烧室内的流场近似于平板湍流边界层的理想流动模型，有利于深入分析混合燃烧机理。与前述专利的效果对比如图19所示，通过对比图可以发现，采用整流段后内流场显著消除了涡旋及湍流现象，燃烧边界层外缘尖锐清晰，可以更好的分析其燃烧的内在机理。

2、设计并采用同轴式气氧甲烷点火炬替代点火药包，有效避免了高浓度碳烟的生成，极大程度优化了燃烧流场的清晰度；此外，同轴式点火炬能够瞬时全面且较为可靠的点燃药柱，易于获得较好的诊断效果。

前专利的点火方式采用点火药包，其本质上是由黑火药组成，其点火过程虽较为简便快捷，但燃烧过程会产生大量碳烟，极大程度优化了燃烧流场的清晰度，大幅度遮盖了燃烧过程的有效信息。而气氧甲烷点火后燃气清洁，对流场清晰度无干扰，且点火炬工作后会瞬时全面的点燃燃料药柱。对比图如图20所示，分析可知采用气氧甲烷点火炬与整流段结合不仅可以限制消除大量碳烟，保证流场的清晰度以及壁面了有效流场信息被遮盖。

3、缩小了燃烧室内流道截面的径向尺寸，并使固体燃料的截面尺寸与内流道尺寸保持一致，有效降低了3D效应对燃烧环境的干扰。

4、因方转圆的过渡方式难以在小截面尺寸中采用，本发明独特性地在内流道尾段设计有径向扩张段，并通过燃烧实验验证及优化结构，确定扩张角为18°，有效避免了缩小内流道截面径向尺寸带来的燃气出口回流严重的问题。

5、燃烧室整体有效长度增加，固体燃料距进气端和出气端距离均相对较远且减弱了气流后台阶效应对流场观测的影响，较大程度减小了气流不稳定对燃烧环境的干扰。

6、固体燃料设计为带有30°的倒角前缘，能够获得良好的火焰稳定性。

7、玻璃盖板、石英玻璃与燃烧室基体三者之间密封以缓冲方式采用硅胶平垫替代膨胀石墨垫片，以满足更好的高压适应性；

8、采用外形为三段式的阶梯石墨喷管同轴装配于燃烧室后端盖与喷管压螺之间，改善了燃气出口处通孔易烧蚀的问题，提高了装置的可重复使用性。

9、燃烧室上、下顶盖采用分体式设计，拆卸方便快捷；同时改善了现有技术燃烧过程结束后，因燃烧室底部装药凹槽因不可拆卸造成的残渣清理困难的问题。

附图说明

图1是本发明混合燃烧可视化燃烧器主视图的剖视图。

图2是燃烧器俯视图的剖视图。

图3是图1和图2中A、B两处的局部放大图。

图4是燃烧室基体的主剖视图及局部放大图。

图5是燃烧室基体俯视图的剖视图。

图6是整流段的主视图及侧向视图

图7是喷注板的主视图及左视图的剖视图

图8是氧化剂进气腔的主视图及左视图的剖视图

图9是玻璃盖板的主视图及左视图的剖视图。

图10是石英玻璃的主视图及左视图的剖视图

图11是燃烧室上顶盖的主视图的剖视图及俯视图。

图12是燃烧室后端盖的左视图的剖视图和主视图。

图13是石墨喷管的主视图的全剖视图。

图14是喷管压螺的主视图及左视图的剖视图。

图15是同轴式点火炬的装配示意图。

图16是燃料腔A的主视图及左视图的剖视图。

图17是燃料腔B的主视图及左视图的剖视图。

图18是氧化剂腔的主视图剖视图及A-A向剖视图。

图19是现有技术和本发明采用整流段后发动机内流场环境对比图。

图20是现有技术和本发明采用气氧甲烷点火炬与整流段结合的流场环境对比图。

附图标记说明：1-进气道、2-氧化剂进气腔，3-喷注板，4-O型圈，5-整流段，6-同轴式点火炬，6-1-燃料进气连接管、6-2-燃料腔A、6-3-燃料腔B、6-4-氧化剂腔、6-5连接环、6-6-氧化剂进气连接管、6-7-聚四氟乙烯垫片、6-8-点火炬燃烧室、6-9-点火炬喷管、6-10-点火炬测压座、6-11-火花塞座6、7-燃烧室基体，8-硅胶平垫，9-燃烧室上顶盖，10-燃烧室下顶盖，11-石英玻璃，12-玻璃盖板，13-测压座，14-固体燃料，15-燃烧室后端盖，16-喷管，17-喷管压螺，18-热电偶座，19-热电偶压螺、20-点火座、21石墨垫片。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明

氧化剂进气腔2中心轴处设计有阶梯通孔，阶梯孔中段为等径通孔，朝向喷注板3方向的为锥形孔；所述锥形孔从所述中段等径通孔以大角度向喷注板3方向扩张；朝向喷注板3外一端的前端通孔用以便于同轴焊接进气道1。喷注板3为圆盘状，轴向两侧面均开有环形密封槽用以放置O型圈4。喷注板3中间位置开有96个直径为2mm的通孔且长宽方向的总长度和整流段5内流道截面尺寸保持一致。所述喷注板3与氧化剂进气腔2和整流段5通过螺栓固定连接，并采用O型圈4密封。所述氧化剂进气腔2和喷注板3轴向均开有8个直径相同的通孔。

整流段5中心轴处开有矩形通孔，其截面尺寸与燃烧室基体7内流道截面尺寸保持一致，整流段5轴向两端面分别为圆形法兰盘和方形法兰盘且法兰盘连接处均采用圆弧过渡；圆形和方形法兰盘周向分别均布有8个和10个相同直径的通孔；燃烧室基体7与所述整流段5的方形法兰盘通过内六角螺钉连接，并采用O型圈4密封。整流段5竖向底部壁面开有圆孔，圆孔正下方同轴焊接有点火座20，同轴式点火炬6通过螺纹与所述点火座20连接。

同轴式点火炬6包括燃料进气连接管6-1、燃料腔A6-2、燃料腔B6-3、氧化剂腔6-4、连接环6-5、氧化剂进气连接管6-6、聚四氟乙烯垫片6-7、点火炬燃烧室6-8、点火炬喷管6-9、点火炬测压座6-10、火花塞座6-11。

氧化剂腔6-4为台阶型圆柱体结构，其小径端外周面设置有外螺纹与点火炬燃烧室6-8的内螺纹配合安装，其大径端内周面设置有内螺纹与燃料进气连接管6-1的外螺纹配合安装。氧化剂腔6-4外壁周向开有环形凹槽，环形凹槽外槽壁上沿周向错位分布有四个切向通孔作为氧化剂旋流进气喷嘴，连接环6-5为环状结构同轴焊接于氧化剂腔6-4环形凹槽的外周侧。连接环6-5与氧化剂腔6-4的环形凹槽间构成了一个环形流道，其中环流通道与点火外壁连接处还设置有氧气进气连接管路6-6。四个切向进气旋流喷嘴分别沿氧化剂腔6-4的外圆周相切，可保证最佳的氧化剂旋流度。氧化剂经氧化剂进气连接管路6-6，通入环形流道中，氧化剂在环形流道内实现顺时针高速环流后，再经过四个切向旋流喷嘴喷入点火炬燃烧室6-8，进一步增强旋流度。所述氧化剂进气连接管6-6与氧化剂供给管路连接。所述燃料进气连接管6-1外接燃料供给管路。

氧化剂腔6-4内螺纹根部设置有内台阶面，为所述燃料腔B6-3及聚四氟乙烯垫片6-7的放置面。氧化剂腔6-4中心轴处设计有阶梯孔，靠近内螺纹根部阶梯面的通孔为等径通孔，为氧化剂流动区域，中段为锥形孔且朝向内腔扩张，其作用为加速气流流动速度，下方的等径通孔为氧化剂及燃料的掺混区域。

燃料腔A6-2为几字型结构，中心轴处开有通孔，顶端外壁沿周向错位分布有4个燃料旋流进气喷嘴且燃料气体流动方向为逆时针方向；燃料腔A6-2底面设有密封环；所述燃料腔B6-3为中空的T字型结构，靠近燃料腔A6-2的为锥形孔，与所述锥形孔连通的为等径通孔。燃料腔B6-3顶部大径端壁面设计有环形密封槽，其内外直径略大于燃料腔A6-2密封环的内外直径，两部件之间以聚四氟乙烯垫片6-7保证密封效果。所述燃料腔A6-2的进一步特征在于：与燃料进气连接管6-1间存在2mm的间隙，以提供燃料的流动环境；所述燃料腔和氧化剂腔内部件相对位置关系以及气体流动方式的特征在于：保证整体富氧扩散燃烧的同时使燃料与氧化剂具有一定程度的预混度，实现可靠点火的同时提高了装置的安全系数。

点火炬燃烧室6-8整体为三段式圆柱状结构，中心轴处设计有阶梯通孔，顶部等径通孔为聚四氟乙烯垫片6-7的放置面，位于中段的为螺纹孔用于与所述氧化剂腔6-4配合安装。底部等径通孔为燃烧室内流道即氧化剂与燃料发生燃烧反应的区域。点火炬燃烧室6-8外周侧面设有通孔和螺纹孔，分别用于同轴安装点火炬测压座6-10和火花塞座6-11。为保证点火可靠性，火花塞采用特种耐高温火花塞。所述点火炬燃烧室6-8下端圆柱外周面设置有外螺纹，用于与所述点火炬喷管6-9内螺纹配合安装。所述点火炬喷管6-9其中心轴处开有通孔，位于中段的等径通孔为喉段，两端分别为收敛孔和扩张孔；所述收敛孔向燃烧室内部扩张；所述扩张孔所述喉段向外部扩张。

燃烧室基体7相对两侧壁面均设计有矩形环状阶梯窗口，为避免燃烧过程潜在的应力集中，燃烧室阶梯窗口内角均采用圆弧过渡。石英玻璃15外缘设计为矩形环状凸台即横向截面呈现“T”字型，其外形及边缘圆角与燃烧室基体7窗口保持一致，石英玻璃11的环状凸台面与燃烧室7侧壁环形阶梯面实现台面间配合，可实现石英玻璃15与燃烧室基体7之间的定位，且配合公差不大于0.1mm。在燃烧室7矩形环状阶梯面与石英玻璃15环状凸台面间之间放置有硅胶平垫8，实现两者间的密封。玻璃盖板16朝向燃烧室基体7的内侧设计有浅凹槽，石英玻璃15外表面嵌入玻璃盖板16内侧凹槽，并且在玻璃盖板16与石英玻璃15间也设置有硅胶平垫8，硅胶平垫8相较于石墨垫片有更大的压缩量，高压下对密封的要求更严格即要求密封材料有更大的压缩量，采用硅胶平垫8既能使预紧力控制平台较宽，保护石英玻璃15不与燃烧室基体7和玻璃盖板16直接接触导致石英玻璃15破裂，又能实现三者间的密封，因此采用硅胶平垫8能使装置有较强的高压适应性。

玻璃盖板16周向设计有14个相同直径的通孔与燃烧室基体7相对两侧壁面的螺纹孔一一对应，采用内六角缩紧螺钉实现玻璃盖板16、石英玻璃15和燃烧室基体7三者间的连接固定。此外，玻璃盖板16内侧凹槽周向设计有环形密封槽，通过放置O型圈4可进一步实现高压密封性。

燃烧室上顶盖9和燃烧室下顶盖10周向均开有14个相同直径的通孔，位置与燃烧室基体7竖向壁面螺纹孔一一对应，所述两个顶盖底部均设有装药凹槽且装药凹槽的一端为开口端，另一端为封闭端。为保证高压密封性，燃烧室基体7竖直方向两侧壁面均设计有环形密封槽，用以放置O型圈4。内六角缩紧螺钉通过所述燃烧室顶盖9、燃烧室顶盖10和燃烧室基体7周向设计的通孔将三者连接固定并安装O型圈4实现密封效果。将固体燃料14粘接在所述装药凹槽后，整体从开口端插入所述燃烧室基体7中，顶盖插入端与燃烧室基体7间的配合公差不大于0.05mm。所述固体燃料14靠近整流段5且朝向燃烧室基体7内壁一侧设计有倒角，倒角前缘为30°，以获得良好的扩散火焰稳定性。

为减少固体燃料14尾端的后台阶效应对流场观测造成的影响，所述燃烧室上顶盖9和燃烧室下顶盖10的装药凹槽靠近燃烧室后端盖15一侧的水平轴向封闭端长度较小，使固体燃料14尾端接近所述燃烧室基体7的窗口边缘，同时设计增加了燃烧室基体7的整体有效长度。

燃烧室下顶盖10的装药凹槽底面沿发动机轴向均布有N个通孔，N≥3；N个带有螺纹孔的热电偶座分别固定于所述燃烧室下顶盖10底部N个通孔的正下方，N个热电偶压螺分别通过螺纹与N个热电偶座连接，用于测试固体燃料燃烧过程的温度变化。

燃烧室基体7水平轴向开有矩形贯通孔且轴向两侧壁面均设计有环形密封槽；轴向通孔即为燃烧内流道，为减少燃烧过程的3D效应，燃烧室内流道截面尺寸设计为与固体燃料截面尺寸一致且内流道径向尺寸即石英玻璃间距离相对较窄。实验中应避免缩小内流道截面径向尺寸以及出口为圆形通道造成的燃气出口回流严重的问题，但采用方转圆的过渡方式并不适用于本例中较小的方形截面尺寸，因此本发明独特地在内流道尾段出口处即朝向燃烧室后端盖15一侧设计有渐扩段，并通过燃烧实验验证及优化流场环境后确定扩张角度为18°，能够保证高质量的燃烧流场结构。

燃烧室后端盖15为方体式结构，中心轴处设计有阶梯通孔，前端即靠近燃烧室基体7的是等径通孔且直径相对较小；所述等径通孔与燃烧室后端盖15连通的一端为螺纹通孔，与喷管压螺17通过螺纹配合安装，并通过石墨垫片21实现轴向密封；燃烧室后端盖15开有10个相同直径的通孔与燃烧室基体7轴向壁面螺纹孔一一对应，通过所述等径通孔所在壁面与燃烧室基体7通过螺钉连接固定，并采用O型圈4密封。

喷管压螺17中心轴处开有阶梯通孔，用于将所述喷管16同轴安装于所述阶梯孔并通过燃烧室后端盖15和喷管压螺17间的阶梯面限制喷管16的轴向位移，三者之间采用石墨垫片21密封。喷管16的配合方式为间隙配合，配合间隙不大于0.05mm。为便于装配，喷管压螺17外端切削有扳手面。

喷管16外形为三段式圆柱状，其中心轴处开有通孔，位于中段的等径通孔为喉段，两端分别为收敛孔和扩张孔；所述收敛孔向燃烧室内部扩张；所述扩张孔从所述喉段向所述喷管压螺头部扩张。专利CN201910609601.5公开的技术中，燃气出口处的通孔均为金属裸露状态，而根据实验相关结果，高温富氧的燃气流在出口处造成的金属壳体烧蚀是最为严重的，因此本发明采用外形为三段式的阶梯石墨喷管同轴装配于燃烧室后端盖15与喷管压螺17之间，改善了燃气出口处通孔易烧蚀的问题，提高了装置的可重复使用性。

所述燃烧室基体7顶部壁面靠近所述燃烧室后端盖15一侧开有圆形通孔，为防止干扰流场环境，通孔位于阶梯窗口后方一段距离处。通孔正上方同轴接细管焊接有测压座13。为给测压座13留出焊接宽度，所述燃烧室上顶盖9开有与圆形通孔同轴的键形孔。

具体实施例：本发明的原理即氧化剂经储罐进入进气腔，再从进气腔经由喷注板、整流段喷入燃烧室。燃烧室内装有带前向倾角的固体燃料药柱，药柱侧面涂抹有包覆层，保证燃料端面燃烧，双侧开有透明窗口。在燃烧过程中，通过非接触光学诊断研究固体燃料扩散燃烧过程，因其非侵入特性，光学仪器对燃烧室内弹道性能参数无干涉作用能最大程度保证数据采集的准确性。同时实验过程通过热电偶接触式诊断，分析固体燃料的燃烧波结构，故能较准确的研究固体燃料扩散燃烧情况。

实施例1：将燃料切成端面尺寸为20mm×20mm，长度为150mm的长条形药条若干根，并将药柱精细修剪为带30°的前倾角。按照质量分数92％和8％称好无水乙醇和聚乙烯醇缩丁醛配置包覆液，将聚乙烯醇缩丁醛缓慢加入无水乙醇中，置于50℃的水浴中，用玻璃棒不断搅拌直至聚乙烯醇缩丁醛完全溶解，使用配置好的包覆液对固体燃料14侧面均匀涂抹，保证装药平行层燃烧。使用直径为0.5mm的麻花钻头在其中一个固体燃料14药条，燃料内孔深为燃料高度的2/3，钻孔位置与燃烧室下顶盖10底部通孔同轴。按照质量比为5:3称好环氧树脂(A胶)和固化剂(B胶)，常温下用玻璃棒搅拌均匀，均匀涂抹在固体燃料14底面，常温下固化4小时，使固体燃料14与燃烧室顶盖之间粘结紧密，再整体插入燃烧室基体7中，通过内六角螺钉连接燃烧室上顶盖9、燃烧室下顶盖10和燃烧室基体7。将热电偶丝用20％(质量分数)氢氧化钠清洗，再用蒸馏水洗净碱液，然后用酒精擦净表面，烘干。将热电偶丝正负极一端用氩弧焊焊接成检测端，通过热电偶座20插入到固体燃料14药柱内孔，旋紧热电偶压螺19。将压力传感器旋接在测压座13上，将喷管16放置在喷管压螺17的阶梯型内孔，旋转喷管压螺17连接在燃烧室后端盖15右侧壁面。通过内六角锁紧螺钉将玻璃盖板12、石英玻璃11和燃烧室基体7连接固定。将同轴式点火炬6旋接在点火座20上，并将特种耐高温火花塞连接在同轴式点火炬6。顺次连接氧化剂进气腔2，喷注板3、整流段5。燃烧开始前，火花塞放电引燃半预混的氧化剂和燃料，从而瞬时全面引燃固体燃料14。

将氧气瓶及汇流排进气阀的阀门逐渐开至最大，使氧气充满汇流排。逐渐调节减压阀，根据测试系统的监测数据，将孔板上游压强调至上游压强7MPa。连接压强、温度数据采集测试系统，将Z型纹影成像系统放在燃烧器两侧，调整好焦距，使刀口可以遮挡部分焦点，采用高速相机记录纹影数据，连接好测温系统，记录固体燃料的燃烧波曲线。喷管喉径采用D＝3.5mm。接通点火电源，点燃固体燃料14，记录并保存数据。实验测试燃烧室压强P_c＝3MPa，流场环境质量及清晰度较高，可实际用于燃料机理的研究工作。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：包括进气组件、整流段、燃烧室和同轴式点火炬，所述整流段同轴安装于进气组件和燃烧室之间，所述同轴式点火炬沿整流段径向安装于整流段的外周面；

所述整流段为沿轴向开有矩形通孔的柱状结构，其两端分别设置有圆形法兰盘和方形法兰盘，通过圆形法兰盘与进气组件同轴密封连接，通过方形法兰盘与燃烧室入口端同轴密封连接；其周壁上开有圆孔，圆孔的外端口处同轴固定有点火座，用于与所述同轴式点火炬连通；

所述燃烧室包括燃烧室基体、燃烧室上顶盖、燃烧室下顶盖、观察窗、测压座、固体燃料、燃烧室后端盖、喷管、喷管压螺、热电偶座、热电偶压螺；所述燃烧室基体为轴向水平设置的长方体结构、并沿轴向开有矩形通孔作为燃烧内流道，其平行于轴向的相对两侧壁相对设置有观察窗，两个所述观察窗的内壁面作为燃烧内流道的两侧壁，燃烧内流道的宽度与所述整流段的矩形通孔的宽度相同；所述燃烧室上顶盖和燃烧室下顶盖分别通过密封圈密封安装于燃烧室基体在上、下壁面设置的截面为T形的阶梯通孔内，在燃烧室上顶盖和燃烧室下顶盖的内表面均开有装药凹槽，将所述固体燃料粘接于装药凹槽内，固体燃料的宽度等于燃烧内流道的宽度；所述燃烧室基体的出口端通过密封圈与燃烧室后端盖同轴密封固定连接，所述喷管通过喷管压螺同轴安装于燃烧室后端盖的中心孔内，并在喷管与燃烧室后端盖的安装面之间安装有石墨垫片；多个所述热电偶压螺分别通过热电偶座安装于燃烧室下顶盖的通孔处，用于测试固体燃料燃烧过程的温度变化；所述测压座设置于燃烧室靠近出口端的侧壁上；

所述同轴式点火炬包括燃料进气连接管、第一燃料腔、第二燃料腔、氧化剂腔、连接环、氧化剂进气连接管、点火炬燃烧室、点火炬喷管、点火炬测压座和火花塞座；其中，燃料进气连接管、第一燃料腔、第二燃料腔、氧化剂腔、点火炬燃烧室和点火炬喷管依次同轴连接，所述点火炬喷管与所述点火座通过螺纹连接；所述氧化剂进气连接管通过连接环安装于氧化剂腔的外周面；所述点火炬测压座和火花塞座分别安装于点火炬燃烧室外周面设置的通孔内；

所述氧化剂腔为阶梯型圆柱体结构，其内沿轴向开有阶梯通孔，小径端外周面设置有外螺纹，与所述点火炬燃烧室通过螺纹连接；其大径端内周面设置有内螺纹，与所述燃料进气连接管通过螺纹连接；氧化剂腔外壁沿周向开有环形凹槽，所述环形凹槽的底面上沿周向均布有四个切向通孔，所述切向通孔与氧化剂腔内阶梯通孔的内壁相切，作为氧化剂旋流进气喷嘴；所述连接环焊接于环形凹槽的槽口，将环形凹槽封闭，并在连接环的环壁上开有通孔，与所述氧化剂进气连接管连接，将氧化剂经环形凹槽和切向通孔进入氧化剂腔内，并保证氧化剂流动方向为顺时针方向；氧化剂腔阶梯通孔的大径端为氧化剂流动区域，小径端为氧化剂及燃料的掺混区域，中部靠近小径端一侧为扩张孔，从小径端向大径端扩张，能够加速气流流动速度；

所述第一燃料腔为一端开有的圆筒结构，其开口端的外周面设置有限位法兰盘，其侧壁靠近封闭端的位置然周向均布四个切向通孔，作为燃料旋流进气喷嘴，所述燃料旋流进气喷嘴与所述第一燃料腔的内孔相切并连通，保证燃料气体流动方向为逆时针方向；所述第二燃料腔一端为圆盘结构，另一端为同轴的圆柱结构，圆盘的中心轴处开有收敛孔，所述收敛孔的收敛口朝向圆柱内的中心孔；所述第一燃料腔的限位法兰盘和第二燃料腔的圆盘端安装于所述氧化剂腔的内台阶面，第一燃料腔的封闭端位于所述燃料进气连接管内，第二燃料腔的圆柱端位于氧化剂腔的小径端内。

2.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述进气组件沿轴向依次包括进气道、氧化剂进气腔和喷注板；所述进气道为开有轴向通孔的圆柱结构；所述氧化剂进气腔为开有轴向阶梯孔的圆柱结构，阶梯孔作为进气道安装孔的一端和中段为等径通孔，另一端为锥形孔，所述锥形孔的大径端于朝向喷注板；所述喷注板为圆盘状，其两端面分别通过O型圈与氧化剂进气腔、整流段密封连接，圆盘状的中间位置呈矩形阵列有若干进气孔，矩形阵列的通孔均与整流段的内流道相对。

3.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述固体燃料靠近所述整流段、且朝向燃烧室基体内壁一侧设计有倒角，倒角前缘为30°。

4.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述整流段与燃烧室的轴向长度比为1：2。

5.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述观察窗包括燃烧室基体两侧壁上开有矩形阶梯窗口、玻璃盖板和石英玻璃，通过螺钉和玻璃盖板将石英玻璃安装于矩形阶梯窗口内，并通过硅胶平垫和O型圈实现石英玻璃的密封安装；两个所述石英玻璃的相对面的距离与所述整流段的矩形通孔的宽度相同。

6.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述燃烧室的燃烧内流道出口端为渐扩段，扩张角度为18°。

7.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述整流段的内流道截面与燃烧室的燃烧内流道截面尺寸一致。

8.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述燃烧室下顶盖的装药凹槽槽底面沿发动机轴向均布有N个通孔，N≥3；N个带有螺纹孔的热电偶座分别固定于所述燃烧室下顶盖底部N个通孔的正下方，N个热电偶压螺分别通过螺纹与N个热电偶座连接，用于测试固体燃料燃烧过程的温度变化。

9.根据权利要求1所述混合燃烧可视化燃烧器，其特征在于：所述燃料进气连接管、第一燃料腔、第二燃料腔和氧化剂腔的安装面之间均设置有聚四氟乙烯垫片。

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