CN114047286A - 一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置 - Google Patents

一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置，属于固体火箭发动机结构和燃气测试技术领域；燃烧室壳体的入口端安装预混室，预混室外壁面上开有富氧气体进气口和富燃气体进气口，内壁面开有预混出口，将富氧富燃气体经预混室预通入燃烧室壳体内；燃烧室壳体下壁面靠近入口一端开有下侧富燃进气口；燃烧室壳体下壁面阶梯通孔内安装有燃料底座；富燃推进剂通过富燃载体安装于燃烧室壳体上端面的凹槽内；通过增加预混室、并将富燃载体和喉衬进行模块化设计，能够测得在不同压强、不同质量流量、不同富燃推进形状和尺寸下的富氧燃气和富燃推进剂气固耦合燃烧、和富氧富燃燃气同轴预混燃烧、和富氧富燃燃气垂直扩散燃烧的温度、压强、成分及燃烧波结构。

Description

一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置
技术领域
本发明属于固体火箭发动机结构和燃气测试技术领域，具体涉及一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置。
背景技术
固体推进剂是发动机的能量源，也是产生推力的工质源。固体推进剂的燃烧是支持与制约着火箭发动机的关键技术。固体推进剂的燃烧过程是一个以凝聚相、气相的物理和化学反应为基础的多阶段的复杂过程，反应速度快，这个过程主要为气相燃烧反应区进行，燃烧反应区的厚度一般只有几百微米，甚至更小。在整个过程中，固体推进剂的氧化剂和燃料各自独立的分解，然后扩散燃烧。在高温、高压、反应厚度小的条件下，氧化剂和燃料的分解、扩散、混合、燃烧难以分辨，不能深入了解燃烧机理。因此设计一种模块化的富氧富燃燃气测试实验装置研究富氧、富燃燃气的扩散、混合以及燃烧，揭示富氧、富燃燃气耦合燃烧的燃烧机理和燃烧过程。
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。该装置氧化剂只能同轴喷注，喷注方式单一，由于只有一个气体进气口，只能实现单一的气固燃烧，不能实现富氧气体和富燃气体的预混燃烧、富氧气体和富燃气体的扩散燃烧，由于燃烧室壳体厚度有限，使石英玻璃安装在燃烧室壳体中的厚度有限，在燃烧室高温高压下易造成玻璃破碎，由于壳体上没有开烟气测量成分的气孔，不能测量燃烧产物中的烟气成分，由于燃烧室中放置固体燃料的凹槽固定，使固体燃料的形状和尺寸固定，不能实现不同形状和尺寸下的气固燃烧。
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，本发明提出一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置，通过增加预混室、并将富燃载体和喉衬进行模块化设计，能够测得在不同压强、不同质量流量、不同富燃推进形状和尺寸下的富氧燃气和富燃推进剂气固耦合燃烧、和富氧富燃燃气同轴预混燃烧、和富氧富燃燃气垂直扩散燃烧的温度、压强、成分及燃烧波结构。
本发明的技术方案是：一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置，包括燃烧室壳体2、点火装置、测压座10，所述点火装置设置于燃烧室壳体2顶壁靠近入口一端，测压座10设置于燃烧室壳体2顶壁靠近出口一端；燃烧室壳体2内壁设置有绝热层24；其特征在于：所述燃烧室壳体2的入口端安装有预混室5，预混室5为一端设置有法兰结构的封闭腔体；所述法兰结构通过螺钉、垫片与燃烧室的入口端面密封安装，其外端面上开有两个通孔，分别作为富氧气体进气口3、富燃气体进气口4；预混室5位于燃烧室壳体2内的壁面上开有预混出口30，将富氧富燃气体经预混室5预混后通入燃烧室壳体2内；
所述燃烧室壳体2顶壁上、在测压座10和燃烧室壳体2出口之间开有第三通孔，作为烟气成分气孔，与集气箱、烟气分析仪、气相色谱仪连接，能够实现烟气成分原味分析；
所述燃烧室壳体2下壁面靠近入口一端开有第四通孔，作为下侧富燃进气口23，富燃气体经下侧富燃进气口23垂直射流进入燃烧室壳体2内；
所述燃烧室壳体2下壁面开有第一阶梯通孔，用于固定安装燃料底座17，并通过垫片密封；所述燃料底座17位于燃烧室壳体2内的上端面开有凹槽，富燃推进剂通过富燃载体安装于所述凹槽内；所述燃料底座17中心处开有气孔，气孔外端焊接有测温座20，测温压螺18通过螺纹与测温座20连接，两者之间采用聚四氟乙烯锥密封；热电偶金属丝依次穿过富燃载体22、燃料底座17的气孔和聚四氟乙烯锥，实现富燃推进剂的固相温度或气相燃烧温度的测量；
所述燃烧室壳体2的出口壁面中心处开有第二阶梯通孔；所述第二阶梯通孔内通过喉衬压螺12同轴固定有喉衬13，其阶梯面上设置有喉衬垫片14，用于燃烧室壳体2与喉衬压螺的的密封连接。
本发明的进一步技术方案是：所述点火装置包括点火座9、点火压螺7、聚四氟乙烯锥8、点火头和点火药包；所述燃烧室壳体2顶壁上表面靠近入口一端开有第一通孔，所述第一通孔正上方同轴固定有点火座，点火压螺通过螺纹与点火座连接，两者之间采用聚四氟乙烯锥密封，点火药包通过点火头悬置于所述第一通孔内。
本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室壳体2顶壁上表面靠近出口一端开有第二通孔，所述第二通孔正上方同轴固定有测压座；所述测压座与压力传感器相连，能够测量富氧富燃气体耦合燃烧时的压强变化。
本发明的进一步技术方案是：所述下侧富燃进气口23与预混出口30的轴向距离为6毫米，能够保证富氧气体从预混出口30喷出后与富燃气体快速混合，使得垂直扩散耦合燃烧更充分。
本发明的进一步技术方案是：所述预混室5为长方体结构的封闭腔体，其侧壁结构与燃烧室壳体2内壁结构一致，能够同轴安装于燃烧室壳体2的入口处；预混室5的法兰结构位于燃烧室壳体2外侧，沿周向开有多个螺纹孔，通过圆柱头内六角螺钉1、预混处垫片6与燃烧室壳体2的入口端面密封连接；预混处垫片6安装于燃烧室壳体2入口端端面的环形槽内。
本发明的进一步技术方案是：所述预混室5的富氧气体进气口3和富燃气体进气口4位于外侧端面的中部，预混出口30位于内侧端面的中心处。
本发明的进一步技术方案是：所述富燃载体22采用模块化设计，根据实验用药的大小和尺寸设计一系列模块，能够实现富氧气体与富燃推进剂的气固耦合燃烧。
本发明的进一步技术方案是：所述喉衬13采用模块化设计，根据不同燃烧室压力要求设计一系列不同喉径的喉衬13，能够分析不同燃烧室压强对耦合燃烧的影响。
本发明的进一步技术方案是：所述燃烧室壳体2相对两侧壁面上均开有窗口，窗口外侧焊接有透明窗座29，通过螺钉和透明窗端盖26将石英玻璃27固定安装于透明窗座29内，用于实时观察火箭发动机燃烧过程，并采用垫片密封。
本发明的进一步技术方案是：所述透明窗端盖26外设置有高速摄影、高速长焦显微、红外热成像，用于对不同压强、不同进口质量流量、不同富燃推进形状和尺寸的富氧富燃气体同轴预混燃烧、垂直扩散耦合燃烧、富氧气体与富燃推进剂气固耦合燃烧现象进行测量与记录。
有益效果
本发明的有益效果在于：
(1)通过预混室模块化部件设计，可实现不同进口流量的富氧富燃气体同轴预混燃烧，预混室与下侧富燃进气口可实现富氧富燃气体的垂直扩散耦合燃烧，同时预混室与富燃载体的设计，可实现富氧气体与富燃推进剂的气固耦合燃烧，可实现多种燃烧方式。现有技术中只能实现单一的气固耦合燃烧。
(2)模块化设计富燃载体，实现不同形状和尺寸的富燃推进剂对燃烧温度、压强、燃烧的影响和实现富氧富燃最佳配比耦合燃烧；富燃推进剂可直接浇注或者装填在富燃载体上，提高了装置的灵活性和使制药工序简化和实验操作工序简便。
(3)通过模块化设计喉衬，可实现不同压强对耦合燃烧的影响，且喉衬没有扩张段，使制作成本降低。
(4)通过焊接透明窗座在燃烧室壳体上，使石英玻璃的厚度增加，在高温高压下不会造成玻璃的破碎，增加实验的安全性。
(5)通过测温座中热电偶和燃烧室壳体上烟气成分气孔的设计，可测量不同进口流量和不同压强下的富氧富燃气体预混燃烧、垂直扩散燃烧的气象温度和烟气成分，并且测量富氧气体与不同形状和尺寸的富燃推进剂气固耦合燃烧中富燃推进剂的温度和烟气成分。现有技术中只能实现气固耦合燃烧中固体推进剂的温度。
(6)通过预混室、富燃载体、喷管、燃料底座模块化部件设计，使装置可拆卸、可维护、可清理燃烧后的产物、大大提高了装置的使用寿命。
附图说明
图1是一种模块化富氧富燃燃气测试装置的主剖视图；
图2是一种模块化富氧富燃燃气测试装置的俯剖视图；
图3是一种模块化富氧富燃燃气测试装置的左剖视图；
图4是燃烧室壳体的主剖视图、左视图和俯剖视图；
图5是预混室的主剖视图和左视图；
图6是预混处垫片的主视图和左剖视图；
图7是点火压螺的主剖视图和左视图；
图8是聚四氟乙烯锥A的主剖视图和左视图；
图9是点火座的主剖视图和俯视图；
图10是测压座的主剖视图；
图11是喉衬压螺的主剖视图和左视图；
图12是喉衬的主剖视图和左视图；
图13是喉衬垫片的主剖视图；
图14是燃料底座垫片的主视图和左剖视图；
图15是燃料底座的主剖视图、左剖视图和俯视图；
图16是测温压螺的主剖视图和左视图；
图17是聚四氟乙烯锥B的主剖视图和左视图；
图18是测温座的主剖视图和俯视图；
图19是富燃载体的主剖视图和俯视图；
图20是透明座端盖的主视图和俯剖视图；
图21是石英玻璃的主视图和左视图；
图22是透明窗垫片的主视图和左剖视图；
图23是透明窗座的主剖视图、左剖视图和俯视图。
附图标记说明：1圆柱头内六角螺钉，2燃烧室壳体，3富氧气体进气口，4富燃气体进气口，5预混室，6预混处垫片，7点火压螺，8聚四氟乙烯锥，9点火座，10测压座，11烟气成分气孔，12喉衬压螺，13喉衬，14喉衬垫片，15圆柱头内六角螺钉，16燃料底座垫片，17燃料底座，18测温压螺，19聚四氟乙烯锥，20测温座，21富燃推进剂，22富燃载体，23下侧富燃进气口，24绝热层，25圆柱头内六角螺钉，26透明窗端盖，27石英玻璃，28透明窗垫片，29透明窗座，30预混出口。
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。
参照图1-3所示，一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置，包括燃烧室壳体2、点火装置、测压座10，所述点火装置设置于燃烧室壳体2顶壁靠近入口一端，测压座10设置于燃烧室壳体2顶壁靠近出口一端；参照图7-9所示，所述点火装置包括点火座9、点火压螺7、聚四氟乙烯锥8、点火头和点火药包；所述燃烧室壳体2顶壁上表面靠近入口一端开有第一通孔，所述第一通孔正上方同轴固定有点火座，点火压螺通过螺纹与点火座连接，两者之间采用聚四氟乙烯锥密封，点火药包通过点火头悬置于所述第一通孔内。所述燃烧室壳体2顶壁上表面靠近出口一端开有第二通孔，所述第二通孔正上方同轴固定有测压座，参照图10所示，；所述测压座与压力传感器相连，能够测量富氧富燃气体耦合燃烧时的压强变化。
所述燃烧室壳体2的入口端安装有预混室5，参照图5、6所示，预混室5为一端设置有法兰结构的长方体封闭腔体，其侧壁结构与燃烧室壳体2内壁结构一致，能够同轴安装于燃烧室壳体2的入口处；所述法兰结构位于燃烧室壳体2外侧，沿周向开有多个螺纹孔，通过圆柱头内六角螺钉1、预混处垫片6与燃烧室壳体2的入口端面密封连接；预混处垫片6安装于燃烧室壳体2入口端端面的环形槽内；法兰结构外端面上开有两个通孔，分别作为富氧气体进气口3、富燃气体进气口4；预混室5位于燃烧室壳体2内的壁面上开有预混出口30，将富氧富燃气体经预混室5预混后通入燃烧室壳体2内。预混室5的富氧气体进气口3和富燃气体进气口4位于外侧端面的中部，预混出口30位于内侧端面的中心处。
所述燃烧室壳体2顶壁上、在测压座10和燃烧室壳体2出口之间开有第三通孔，作为烟气成分气孔，与集气箱、烟气分析仪、气相色谱仪连接，能够实现烟气成分原味分析；
所述燃烧室壳体2下壁面靠近入口一端开有第四通孔，作为下侧富燃进气口23，富燃气体经下侧富燃进气口23垂直射流进入燃烧室壳体2内；
所述燃烧室壳体2下壁面开有第一阶梯通孔，用于固定安装燃料底座17，并通过垫片密封；参照图14、15所示，所述燃料底座17位于燃烧室壳体2内的上端面开有凹槽，富燃推进剂通过富燃载体安装与所述凹槽内；所述燃料底座17中心处来由气孔，气孔外端焊接有测温座20，参照图18所示，测温压螺18通过螺纹与测温座20连接，两者之间采用聚四氟乙烯锥密封；热电偶金属丝依次穿过富燃载体22、燃料底座17的气孔和聚四氟乙烯锥，实现富燃推进剂的固相温度或气相燃烧温度的测量；参照图19所示，所述富燃载体22采用模块化设计，根据实验用药的大小和尺寸设计一系列模块，能够实现富氧气体与富燃推进剂的气固耦合燃烧。
所述燃烧室壳体2的出口壁面中心处开有第二阶梯通孔；所述第二阶梯通孔内通过喉衬压螺12同轴固定有喉衬13，其阶梯面上设置有喉衬垫片14，用于燃烧室壳体2与喉衬压螺的的密封连接。所述喉衬13采用模块化设计，根据不同燃烧室压力要求设计一系列不同喉径的喉衬13，能够分析不同燃烧室压强对耦合燃烧的影响；参照图11-13所示。
参照图20-23所示，所述燃烧室壳体2相对两侧壁面上均开有窗口，窗口外侧焊接有透明窗座29，通过螺钉和透明窗端盖26将石英玻璃27固定安装于透明窗座29内，用于实时观察火箭发动机燃烧过程，并采用垫片密封。所述透明窗端盖26外设置有高速摄影、高速长焦显微、红外热成像，用于对不同压强、不同进口质量流量、不同富燃推进形状和尺寸的富氧富燃气体同轴预混燃烧、垂直扩散耦合燃烧、富氧气体与富燃推进剂气固耦合燃烧现象进行测量与记录。
本发明用于不通测试的安装方式：
本发明一种模块富氧富燃燃气测试装置，在进行富氧气体与富燃推进剂耦合燃烧测试时，将绝热层24从燃烧室壳体2左侧放入，将热电偶金属丝穿过富燃载体22、燃料底座17和聚四氟乙烯锥B19中，把聚四氟乙烯锥B19放入测温座20然后用测温压螺18固定，将富燃推进剂21放入富燃载体22，并把热电偶放入预留小孔的富燃推进剂21中，将燃料底座垫片16放在燃料底座上17，再将整块燃料底座17放入燃烧室壳体2下侧凹槽中，用圆柱头内六角螺钉15固定，将点火药包导线穿过聚四氟乙烯锥A8中，将聚四氟乙烯锥A8放入点火座9中，并用点火压螺10固定，将透明窗垫片28放入燃烧室壳体2前后两侧透明窗座中，把石英玻璃27放入透明窗垫片28上，在石英玻璃27上方放在透明窗垫片28，将透明窗端盖26压在透明窗垫片28上，然后用圆柱头内六角螺钉25将透明窗端盖26与透明窗座29固定，将压力传感器与测压座10连接，将集气箱和烟气分析仪和气相色谱仪与烟气成分气孔11连接，在燃烧室壳体2右侧出口处放入喉衬垫片14，将喉衬13放在喉衬垫片14上，再用喉衬压螺12固定，将预混处垫片6放入燃烧室壳体2左侧，再通过圆柱头内六角螺钉1将预混室5和燃烧室壳体2的固定。
本发明主要用于一种模块化富氧富燃燃气测试装置，在进行富氧富燃气体同轴预混燃烧、富氧富燃气体垂直扩散燃烧时，将绝热层24从燃烧室壳体2左侧塞入，将热电偶金属丝穿过富燃载体22、燃料底座17和聚四氟乙烯锥B19中，把聚四氟乙烯锥B19放入测温座20然后用测温压螺18固定，将燃料底座垫片16放在燃料底座上17，再将整块燃料底座17放入燃烧室壳体2下侧凹槽中，用圆柱头内六角螺钉15固定，将点火药包导线穿过聚四氟乙烯锥A8，将聚四氟乙烯锥A8放入点火座9，并用点火压螺10固定，将透明窗垫片28放入燃烧室壳体2前后两侧透明窗座，把石英玻璃27放入透明窗垫片28上，在石英玻璃27上方放入透明窗垫片28，将透明窗端盖26压在透明窗垫片28上，然后用圆柱头内六角螺钉25将透明窗端盖26与透明窗座29固定，将压力传感器与测压座10连接，将集气箱和烟气分析仪和气相色谱仪与烟气成分气孔11连接，在燃烧室壳体2右侧出口处放入喉衬垫片14，将喉衬13放在喉衬垫片14上，再用喉衬压螺12固定，将预混处垫片6放入燃烧室壳体2左侧，再通过圆柱头内六角螺钉1将预混室5和燃烧室壳体2的固定。
实施列一富氧气体和富燃推进剂气固耦合燃烧测试：
针对富氧气体和富燃推进剂气固耦合燃烧测试时，将富燃推进剂制定成长×宽×高为20mm×15mm×13mm的药柱，在富燃推进剂中心用0.5mm的麻花钻钻入孔深为7.5mm，在富燃推进剂两侧用玻璃棒涂抹聚乙烯醇缩丁醛溶液，达到平行层燃烧效果，将绝热层从燃烧室壳体左侧塞入，将热电偶金属丝穿过富燃载体直径1.5mm的气孔、燃料底座和聚四氟乙烯锥B，把聚四氟乙烯锥B放入M12的测温座然后用M12测温压螺固定，然后将热电偶放入0.5mm富燃推进剂的孔中，将燃料底座垫片放在燃料底座上，再将整块燃料底座放入燃烧室壳体下侧凹槽中，用6×M6圆柱头内六角螺钉固定，将点火药包导线穿过聚四氟乙烯锥A中，将聚四氟乙烯锥A放入M16的点火座中，并用M16的点火压螺固定，将透明窗垫片放入燃烧室壳体前后两侧透明窗座中，把长×宽×高为52mm×40mm×30mm的石英玻璃放入透明窗垫片上，将透明窗端盖压在透明窗垫片上，然后用8×M5圆柱头内六角螺钉将透明窗端盖与透明窗座固定，将高速摄影、高速长焦显微、红外热成像对准透明窗中心，将压力传感器与M20×1.5的测压座连接，将集气箱和烟气分析仪和气相色谱仪与直径3mm烟气成分气孔连接，在燃烧室壳体右侧出口放入喉衬垫片，将喉径为4mm的喉衬放在喉衬垫片上，再用M27的喉衬压螺固定，将预混处垫片放入燃烧室壳体左侧，通过8×M5圆柱头内六角螺钉将预混室和燃烧室壳体的固定，然后打开氧气和氮气气阀，通过流量计调节质量流量，在预混室富氧进气口通过流量计将质量流量调节为10g/s 30％O2+70％N2，通入30s待燃烧室内流场稳定后打开连接点火药包的电源，压力传感器记录燃烧室的压强变化，最大压强为2.4Mpa，通过更换不同喉径的喉衬和不同形状、尺寸的富燃推进剂的燃烧，分析其对燃烧过程的影响，热电偶记录富燃推进剂的温度变化，烟气分析仪和气相色谱仪原味记录烟气成分的变化，主要成分为CO2，高速摄影、高速长焦显微、红外热成像记录燃烧过程。
实施列二富氧富燃气体同轴预混燃烧：
针对富氧富燃气体同轴预混燃烧测试时将绝热层从燃烧室壳体左侧放入，将热电偶金属丝穿过富燃载体直径1.5mm的气孔、燃料底座和聚四氟乙烯锥B，把聚四氟乙烯锥B放入M12的测温座然后用M12测温压螺固定，将热电偶裸露在燃烧室内，将燃料底座垫片放在燃料底座上，再将整块燃料底座放入燃烧室壳体下侧凹槽中，用6×M6圆柱头内六角螺钉固定，将点火药包导线穿过聚四氟乙烯锥A中，将聚四氟乙烯锥A放入M16的点火座中，并用M16的点火压螺固定，将透明窗垫片放入燃烧室壳体前后两侧透明窗座中，把长×宽×高为52mm×40mm×30mm的石英玻璃放入透明窗垫片上，将透明窗端盖压在透明窗垫片上，然后用8×M5圆柱头内六角螺钉将透明窗端盖与透明窗座固定，将高速摄影、高速长焦显微、红外热成像对准透明窗中心，将压力传感器与M20×1.5的测压座连接，将集气箱和烟气分析仪和气相色谱仪与直径3mm烟气成分气孔连接，在燃烧室壳体右侧出口放入喉衬垫片，将喉径为4mm的喉衬放在喉衬垫片上，再用M27的喉衬压螺固定，将预混处垫片放入燃烧室壳体左侧，通过8×M5圆柱头内六角螺钉将预混室和燃烧室壳体的固定，然后打开氧气、氮气和甲烷、乙烯气阀，通过流量计将富氧气体30％O2+70％N2质量流量为10g/s并且将富燃气体30％CH4+70％C2H4的质量流量调节为2g/s，在预混室通过富氧进气口和富燃进气口进入预混室，通入10s待燃烧室内流场稳定后打开连接点火药包的电源，压力传感器记录燃烧室的压强变化，最大压强为2.83Mpa，通过更换不同喉径的喉衬和质量流量，分析其对燃烧过程的影响，热电偶记录富燃推进剂的温度变化，烟气分析仪和气相色谱仪原味记录烟气成分的变化，主要成分为CO2，高速摄影、高速长焦显微、红外热成像记录燃烧过程。
实施列三富氧富燃气体垂直扩散燃烧：
针对富氧富燃气体垂直扩散燃烧测试时将绝热层从燃烧室壳体左侧放入，将热电偶金属丝穿过富燃载体直径3mm的气孔、燃料底座和聚四氟乙烯锥B，把聚四氟乙烯锥B放入M12的测温座然后用M12测温压螺固定，将热电偶裸露在燃烧室内，将燃料底座垫片放在燃料底座上，再将整块燃料底座放入燃烧室壳体下侧凹槽中，用6×M6圆柱头内六角螺钉固定，将点火药包穿过聚四氟乙烯锥A中，将聚四氟乙烯锥A放入M16的点火座中，并用M16的点火压螺固定，将透明窗垫片放入燃烧室壳体前后两侧透明窗座中，把长×宽×高为52mm×40mm×30mm的石英玻璃放入透明窗垫片上，将透明窗端盖压在透明窗垫片上，然后用8×M5圆柱头内六角螺钉将透明窗端盖与透明窗座固定，将高速摄影、高速长焦显微、红外热成像对准透明窗中心，将压力传感器与M20×1.5的测压座连接，将集气箱和烟气分析仪和气相色谱仪与直径3mm烟气成分气孔连接，在燃烧室壳体右侧出口处放入喉衬垫片，将喉径为4mm的喉衬放在喉衬垫片上，再用M27的喉衬压螺固定，将预混处垫片放入燃烧室壳体左侧，再通过8×M5圆柱头内六角螺钉将预混室和燃烧室壳体的固定，然后打开氧气、氮气和甲烷、乙烯气阀，通过流量计将富氧气体30％O2+70％N2质量流量为10g/s并且将富燃气体30％CH4+70％C2H4的质量流量调节为2g/s，在预混室通过富氧进气口进入预混室排出，富燃气体进燃烧室壳体下侧进入，实现垂直射流扩散燃烧，通入10s待燃烧室内流场稳定后打开连接点火药包的电源，压力传感器记录燃烧室的压强变化，最大压强为2.52Mpa，通过更换不同喉径的喉衬和质量流量，分析其对燃烧过程的影响，热电偶记录富燃推进剂的温度变化，烟气分析仪和气相色谱仪原味记录烟气成分的变化，主要成分为CO2，高速摄影、高速长焦显微、红外热成像记录燃烧过程。
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 (10)

1.一种模块化富氧富燃燃气特性测试装置，包括燃烧室壳体(2)、点火装置、测压座(10)，所述点火装置设置于燃烧室壳体(2)顶壁靠近入口一端，测压座(10)设置于燃烧室壳体(2)顶壁靠近出口一端；燃烧室壳体(2)内壁设置有绝热层(24)；其特征在于：所述燃烧室壳体(2)的入口端安装有预混室(5)，预混室(5)为一端设置有法兰结构的封闭腔体；所述法兰结构通过螺钉、垫片与燃烧室的入口端面密封安装，其外端面上开有两个通孔，分别作为富氧气体进气口(3)、富燃气体进气口(4)；预混室(5)位于燃烧室壳体(2)内的壁面上开有预混出口(30)，将富氧富燃气体经预混室(5)预混后通入燃烧室壳体(2)内；
所述燃烧室壳体(2)顶壁上、在测压座(10)和燃烧室壳体(2)出口之间开有第三通孔，作为烟气成分气孔(11)，与集气箱、烟气分析仪、气相色谱仪连接，能够实现烟气成分原味分析；
所述燃烧室壳体(2)下壁面靠近入口一端开有第四通孔，作为下侧富燃进气口(23)，富燃气体经下侧富燃进气口(23)垂直射流进入燃烧室壳体(2)内；
所述燃烧室壳体(2)下壁面开有第一阶梯通孔，用于固定安装燃料底座(17)，并通过垫片密封；所述燃料底座(17)位于燃烧室壳体(2)内的上端面开有凹槽，富燃推进剂(21)通过富燃载体安装于所述凹槽内；所述燃料底座(17)中心处开有气孔，气孔外端焊接有测温座(20)，测温压螺(18)通过螺纹与测温座(20)连接，两者之间采用聚四氟乙烯锥(19)密封；热电偶金属丝依次穿过富燃载体(22)、燃料底座(17)的气孔和聚四氟乙烯锥，实现富燃推进剂的固相温度或气相燃烧温度的测量；
所述燃烧室壳体(2)的出口壁面中心处开有第二阶梯通孔；所述第二阶梯通孔内通过喉衬压螺(12)同轴固定有喉衬(13)，其阶梯面上设置有喉衬垫片(14)，用于燃烧室壳体(2)与喉衬压螺(12)的密封连接。
2.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述点火装置包括点火座(9)、点火压螺(7)、聚四氟乙烯锥(8)、点火头和点火药包；所述燃烧室壳体(2)顶壁上表面靠近入口一端开有第一通孔，所述第一通孔正上方同轴固定有点火座(9)，点火压螺(7)通过螺纹与点火座(9)连接，两者之间采用聚四氟乙烯锥(8)密封，点火药包通过点火头悬置于所述第一通孔内。
3.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述燃烧室壳体(2)顶壁上表面靠近出口一端开有第二通孔，所述第二通孔正上方同轴固定有测压座(10)；所述测压座(10)与压力传感器相连，能够测量富氧富燃气体耦合燃烧时的压强变化。
4.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述下侧富燃进气口(23)与预混出口(30)的轴向距离为6毫米，能够保证富氧气体从预混出口(30)喷出后与富燃气体快速混合，使得垂直扩散耦合燃烧更充分。
5.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述预混室(5)为长方体结构的封闭腔体，其侧壁结构与燃烧室壳体(2)内壁结构一致，能够同轴安装于燃烧室壳体(2)的入口处；预混室(5)的法兰结构位于燃烧室壳体(2)外侧，沿周向开有多个螺纹孔，通过圆柱头内六角螺钉(1)、预混处垫片(6)与燃烧室壳体(2)的入口端面密封连接；预混处垫片(6)安装于燃烧室壳体(2)入口端端面的环形槽内。
6.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述预混室(5)的富氧气体进气口(3)和富燃气体进气口(4)位于外侧端面的中部，预混出口(30)位于内侧端面的中心处。
7.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述富燃载体(22)采用模块化设计，根据实验用药的大小和尺寸设计一系列模块，能够实现富氧气体与富燃推进剂的气固耦合燃烧。
8.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述喉衬(13)采用模块化设计，根据不同燃烧室压力要求设计一系列不同喉径的喉衬(13)，能够分析不同燃烧室压强对耦合燃烧的影响。
9.根据权利要求1所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述燃烧室壳体(2)相对两侧壁面上均开有窗口，窗口外侧焊接有透明窗座(29)，通过螺钉和透明窗端盖(26)将石英玻璃(27)固定安装于透明窗座(29)内，用于实时观察火箭发动机燃烧过程，并采用垫片密封。
10.根据权利要求9所述模块化富氧富燃燃气特性测试装置，其特征在于：所述透明窗端盖(26)外设置有高速摄影、高速长焦显微、红外热成像，用于对不同压强、不同进口质量流量、不同富燃推进形状和尺寸的富氧富燃气体同轴预混燃烧、垂直扩散耦合燃烧、富氧气体与富燃推进剂气固耦合燃烧现象进行测量与记录。
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