CN112664973A - 一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，包括：燃烧室，由依次相连隔离段、凹腔与扩张段组成；内窥镜镜头，内窥镜镜头的镜头端位于隔离段内且朝向凹腔，内窥镜镜头的镜座端位于燃烧室外；导光管，导光管内设有导光通道，内窥镜镜头的镜座端嵌入连接在导光管上对应导光通道一端的位置；相机，相机的镜头嵌入连接在导光管上对应导光通道另一端的位置。通过在隔离段上设置内窥镜镜头，并通过导光管内的导光通道使得相机对超声速燃烧室内流场的横向截面成像，实现对内流场横向截面的光学观测，可以在不设置玻璃观察窗的前提下进行超声速燃烧室内流场横向截面的冷态流场以及燃烧流场的光学观测，同时不会引起较大的流场干扰。

Description

一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置

技术领域

本发明涉及超声速燃烧室内流场观测技术领域，具体是一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置。

背景技术

传统观测矩形截面超声速燃烧室内流场流向截面需要在燃烧室内采用观察窗设计，而观测圆形截面超声速燃烧室内流场即便采用圆形观察窗设计但由于圆形玻璃光学折射畸变而无法清晰成像的问题。如在(Acta Astronautica,152(2018)752–756)论文中，通过在矩形截面超声速燃烧室设置玻璃观察窗，将高速相机与超声速燃烧室摆放成一定角度，再结合图像矫正的方法，实现了超声速燃烧室内流场流向截面的光学观测。但该现有技术不仅在引入观察窗后对超声速燃烧室结构强度、气密性等都带来影响，并且需要从侧面拍摄再用图像矫正的方法获得流向截面，拍摄频率也很低。

发明内容

针对上述现有技术中的技术问题，本发明提供一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，可以在不设置玻璃观察窗的前提下进行超声速燃烧室内流场横向截面的冷态流场以及燃烧流场的光学观测，同时不会引起较大的流场干扰。

为实现上述目的，本发明提供一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，包括：

燃烧室，由依次相连隔离段、凹腔与扩张段组成；

内窥镜镜头，所述内窥镜镜头的镜头端位于隔离段内且朝向凹腔，所述内窥镜镜头的镜座端位于燃烧室外；

导光管，所述导光管内设有导光通道，所述内窥镜镜头的镜座端嵌入连接在导光管上对应导光通道一端的位置；

相机，所述相机的镜头嵌入连接在导光管上对应导光通道另一端的位置。

在其中一个实施例中，所述内窥镜镜头的镜头端位于隔离段内远离凹腔的一端的位置。

在其中一个实施例中，还包括连接套筒，所述隔离段上对应内窥镜镜头的位置设有通孔，所述连接套筒的一端固定连接在通孔上，另一端位于燃烧室外；

所述导光管的端部位于连接套筒内并与内窥镜镜头的镜座端相连，所述连接套筒的内壁与导光管的外壁之间设有防震软连接结构，以用于实现连接、防震与密封。

在其中一个实施例中，所述防震软连接结构为设在连接套筒的内壁与导光管的外壁之间的金属软管。

在其中一个实施例中，所述导光管的侧壁内设有冷却通道，以用于对内窥镜镜头进行降温处理。

在其中一个实施例中，所述内窥镜镜头位于隔离段内部分的高度与隔离段对应高度的比小于或等于0.25。

在其中一个实施例中，所述内窥镜镜头与凹腔前缘之间的距离大于4倍隔离段出口高度。

在其中一个实施例中，还包括照明件，所述照明件设有隔离段内与内窥镜镜头的镜头端相邻的位置。

本发明提供的一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，通过在隔离段上设置内窥镜镜头，并通过导光管内的导光通道使得相机对超声速燃烧室内流场的横向截面成像，实现对内流场横向截面的光学观测，可以在不设置玻璃观察窗的前提下进行超声速燃烧室内流场横向截面的冷态流场以及燃烧流场的光学观测，同时可以通过优化尺寸设计而不会引起较大的流场干扰。

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为本发明实施例中超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置的尺寸与光路示意图。

附图标号：隔离段1-1、凹腔1-2、扩张段1-3、内窥镜镜头2-1、连接套筒2-2、金属软管2-3、导光管3-1、相机的镜头3-2、相机3-3。

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。

高温内窥镜在工业界已经得到了广泛的应用，是一种成熟的成像技术。但是直接应用到超燃冲压发动机中，需要克服超声速燃烧室中高达近3000K的高温并且发动机震动也会降低成像质量，到目前还没有相关的应用报道。基于此，如图1-2所示，本实施例公开了一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，包括燃烧室、内窥镜镜头2-1、导光管3-1与相机3-3。其中，燃烧室由依次相连隔离段1-1、凹腔1-2与扩张段1-3组成，内窥镜镜头2-1的镜头端位于隔离段1-1内且朝向凹腔1-2，内窥镜镜头2-1的镜座端位于燃烧室外；导光管3-1内设有导光通道，内窥镜镜头2-1的镜座端嵌入连接在导光管3-1上对应导光通道一端的位置；相机的镜头3-2嵌入连接在导光管3-1上对应导光通道另一端的位置。通过在隔离段1-1上设置内窥镜镜头2-1，并通过导光管3-1内的导光通道使得相机3-3对超声速燃烧室内流场的横向截面成像，实现对内流场横向截面的光学观测，可以在不设置玻璃观察窗的前提下进行超声速燃烧室内流场横向截面的冷态流场以及燃烧流场的光学观测，同时可以通过优化尺寸设计而不会引起较大的流场干扰。需要注意是，导光管3-1、相机3-3与相机的镜头3-2由光学平台支撑摆放，以避免超燃冲压发动机工作时震动对光学成像的影响。

本实施例中，内窥镜镜头2-1优选NDU HT 004-3型，该型号的内窥镜镜头2-1可以承受1600℃的高温，因此将内窥镜镜头2-1的镜头端位于隔离段1-1内远离凹腔1-2的一端的位置，以避开燃烧室内温度高达3000K的区域，以免内窥镜镜头2-1因所受温度过高而损坏。相机3-3优选高速摄影相机FASTCAM SA-X2型，且相机的镜头3-2优选50mm焦距1.4光圈Nikkor镜头，通过利用高速摄影相机对超声速燃烧室流向截面进行拍摄，拍摄频率可以达到20KHz。

优选地，本实施例光学观测装置还包括连接套筒2-2，隔离段1-1上对应内窥镜镜头2-1的位置设有通孔，连接套筒2-2的一端通过法兰与螺栓固定连接在隔离段1-1的外壁上对应通孔的位置，且该通孔位于连接套筒2-2的端部，连接套筒2-2的另一端位于燃烧室外。导光管3-1的端部位于连接套筒2-2内并与内窥镜镜头2-1的镜座端相连，而内窥镜镜头2-1的镜头端则通过通孔嵌在隔离段1-1内。其中，连接套筒2-2的内壁与导光管3-1的外壁之间设有防震软连接结构，以用于实现连接、防震与密封。本实施例中，防震软连接结构为设在连接套筒2-2的内壁与导光管3-1的外壁之间的金属软管2-3，即金属软管2-3套设在导光管3-1上，而连接套筒2-2套设在金属软管2-3上，在起到连接连接套筒2-2与导光管3-1的同时，还起到隔离燃烧室的震动通过连接套筒2-2传递给内窥镜镜头2-1，以确保清晰成像的作用。

进一步优选地，连接套筒2-2与隔离段1-1的连接法兰面上，以及通孔与内窥镜镜头2-1的连接缝隙处均设有密封结构，以保证燃烧室的气密性，该密封结构可以采用o型圈等。

本实施例中，导光管3-1的侧壁内设有冷却通道，且导光管3-1的外壁上设有与冷却通道连通的进水口与出水口，其中，冷却通道的中间部分为螺旋结构，该螺旋结构位于导管管的端部且环绕上内窥镜镜头2-1上镜座端的周围，以用于对内窥镜镜头2-1进行降温处理。

优选地，内窥镜镜头2-1位于隔离段1-1内部分的凸起高度d0与隔离段1-1对应高度的比小于或等于0.25，即内窥镜镜头2-1对隔离段1-1内流场的堵塞比例范围要小于或等于0.25，该隔离段1-1对应高度指的是隔离段1-1内对应内窥镜镜头2-1的截面上沿内窥镜镜头2-1凸起方向的长度，即图2中的d1。本实施例中，内窥镜镜头2-1位于隔离段1-1内部分的凸起高度5mm≤d0≤10mm，优选7mm。

优选地，内窥镜镜头2-1与凹腔1-2前缘之间的距离大于4倍隔离段1-1出口高度，即，即l1>4d2，以确保凸起的内窥镜镜头2-1对流场造成的扰动在传播至凹腔1-2前缘壁面时已经恢复。在高温水冷内窥镜调试阶段，镜头成像对焦位置优选取凹腔1-2前壁面作为参照物。

本实施例中，内窥镜内表面凸起直径l0取38mm，连接套筒2-2的直径优选取50mm，连接套筒2-2的高度优选取30mm，金属软管2-3内径取40mm。

需要注意的是，利用本实施例光学观测装置进行燃烧流场横向截面观测时，燃烧的火焰亮度可以照亮整个流场从而利于对流场进行拍摄。优选地，可以采用在内窥镜镜头2-1旁加设一路照明灯作为照明件的方式照亮流场从而利于对流场的拍摄。

需要注意的是，本实施例光学观测装置适用于对喷注液态碳氢燃料的冷态及燃烧流场进行拍摄，也用于对喷注气态碳氢燃料的燃烧流场进行拍摄。

需要注意的是，本实施例光学观测装置适用于模拟飞行马赫数6及以下的超声速燃烧室。

需要注意的是，图2中的虚线部分为内窥镜镜头的视场。

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 (8)

1.一种超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，包括：

燃烧室，由依次相连隔离段、凹腔与扩张段组成；

内窥镜镜头，所述内窥镜镜头的镜头端位于隔离段内且朝向凹腔，所述内窥镜镜头的镜座端位于燃烧室外；

导光管，所述导光管内设有导光通道，所述内窥镜镜头的镜座端嵌入连接在导光管上对应导光通道一端的位置；

相机，所述相机的镜头嵌入连接在导光管上对应导光通道另一端的位置。

2.根据权利要求1所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，所述内窥镜镜头的镜头端位于隔离段内远离凹腔的一端的位置。

3.根据权利要求1所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，还包括连接套筒，所述隔离段上对应内窥镜镜头的位置设有通孔，所述连接套筒的一端固定连接在通孔上，另一端位于燃烧室外；

所述导光管的端部位于连接套筒内并与内窥镜镜头的镜座端相连，所述连接套筒的内壁与导光管的外壁之间设有防震软连接结构，以用于实现连接、防震与密封。

4.根据权利要求3所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，所述防震软连接结构为设在连接套筒的内壁与导光管的外壁之间的金属软管。

5.根据权利要求1或2或3或4所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，所述导光管的侧壁内设有冷却通道，以用于对内窥镜镜头进行降温处理。

6.根据权利要求1或2或3或4所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，所述内窥镜镜头位于隔离段内部分的高度与隔离段对应高度的比小于或等于0.25。

7.根据权利要求1或2或3或4所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，所述内窥镜镜头与凹腔前缘之间的距离大于4倍隔离段出口高度。

8.根据权利要求1或2或3或4所述超声速燃烧室内流场流向截面光学观测装置，其特征在于，还包括照明件，所述照明件设有隔离段内与内窥镜镜头的镜头端相邻的位置。

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