CN114458479B - 一种脉动气体发生装置及不稳定燃烧实验设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种脉动气体发生装置及不稳定燃烧实验设备，涉及航空航天设备技术领域。脉动气体发生装置包括控制模组及脉动气流发生模组；脉动气流发生模组包括基座及两个振动器，两个振动器相对设置于基座的两侧，两个振动器均与控制模组连接，两个振动器与基座之间形成有相对密封的振动腔，基座上还设有与振动腔连通的进气口和出气口，进气口外接提供辅助气流的辅助气路连接，出气口与火箭发动机模型燃烧室中的喷注装置连接。本申请提供的脉动气体发生装置为辅助脉动气流扰动对燃烧不稳定机理提供实验条件，实验效果好，并且整体结构简单、安装方便、成本低。

Description

一种脉动气体发生装置及不稳定燃烧实验设备

技术领域

本申请涉及航空航天设备技术领域，尤其涉及一种脉动气体发生装置及不稳定燃烧实验设备。

背景技术

不稳定燃烧是航空发动机和液体火箭发动机研制过程中面临的重大科学和技术难题之一。在液体火箭发动机工作过程中，燃烧室内极易发生燃烧不稳定问题。燃烧不稳定是指压力周期性脉动且脉动幅值超过燃烧室压力的5％。当燃烧室中发生不稳定燃烧室，燃烧室的压力、流速和热释放率等参数急剧振荡，造成发动机部件损伤，发动机寿命缩短，严重时甚至引起爆炸，进而限制了当前大推力液体火箭发动机的研制进程。

现有的对于不稳定燃烧进行机理研究的方式通常是直接通过声场扰动或控制当量比脉动对燃烧过程施加影响作用，但是研究效果都不是很理想。

发明内容

本申请的目的在于提供一种脉动气体发生装置及不稳定燃烧实验设备，用以解决现有技术中存在的不足。

为达上述目的，第一方面，本申请提供的一种脉动气体发生装置，应用于不稳定燃烧实验设备，所述不稳定燃烧实验设备包括火箭发动机模型燃烧室，所述脉动气体发生装置包括控制模组及脉动气流发生模组；

所述脉动气流发生模组包括基座及两个振动器，两个所述振动器相对设置于所述基座的两侧，两个所述振动器均与所述控制模组连接，两个所述振动器与所述基座之间形成有相对密封的振动腔，所述基座上还设有与所述振动腔连通的进气口和出气口，其中，所述进气口用于外接提供辅助气流的辅助气路连接，所述出气口与所述火箭发动机模型燃烧室中的喷注装置连接；

所述控制模组能够向所述振动器发出控制信号，以使两个所述振动器能够将进入所述振动腔的所述辅助气流转换为脉动气流输出。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述振动腔的宽度由中心向四周逐渐缩小，两个所述振动器分别位于所述振动腔沿宽度方向的两侧。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述进气口至所述振动腔设有渐扩段，所述振动腔至所述出气口设有渐缩段。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述振动器与所述基座之间的配合处设有密封件和/或密封胶。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述振动器为扬声器，所述扬声器的振动膜片朝向所述振动腔。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述振动器与所述基座为可拆卸连接。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述基座包括座体、两个安装板以及多个调节组件；

所述座体上设置有所述进气口和所述出气口；

两个所述安装板别设置于所述座体的两侧，且所述安装板与所述座体之间通过可伸缩的波纹管密封连接，两个所述安装板远离所述座体的一侧设置有所述振动器；

所述调节组件设置于所述安装板与所述座体之间，所述调节组件能够调节所述安装板与所述座体之间的间距。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述控制信号包括幅值控制信号、频率控制信号或相位控制信号中的至少一种。

结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述控制模组包括依次连接的控制单元、信号发生器及功率放大器，所述功率放大器分别与两个所述振动器连接。

第二方面，本申请还提供了一种不稳定燃烧实验设备，包括火箭发动机模型燃烧室及如上述第一方面提供的所述脉动气体发生装置。

相比于现有技术，本申请的有益效果：

本申请提供了一种脉动气体发生装置及不稳定燃烧实验设备，其中，脉动气体发生装置包括控制模组及脉动气流发生模组；脉动气流发生模组包括基座及两个振动器，两个振动器相对设置于基座的两侧，两个振动器均与控制模组连接，两个振动器与基座之间形成有相对密封的振动腔，基座上还设有与振动腔连通的进气口和出气口。在本申请中，进气口外接提供辅助气流的辅助气路连接，出气口与火箭发动机模型燃烧室中的喷注装置连接；再通过控制模组能够向振动器发出控制信号，以使两个振动器将进入振动腔的辅助气流转换为脉动气流通过出气口输出给喷注装置，进而对火箭发动机模型燃烧室中燃烧器的燃烧进行扰动，并且在使用过程中，扰动的幅值及频率可由控制模组控制调节，因此可以准确地控制燃烧器内的气流流场，进而为辅助脉动气流扰动对燃烧不稳定机理提供实验条件，实验效果好。并且本申请提供的脉动气体发生装置还具有结构简单、安装方便、成本低等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种应用了脉动气体发生装置的不稳定燃烧实验设备的系统模块示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种脉动气体发生装置的立体结构示意图；

图3示出了图2所示脉动气体发生装置中的一种脉动气流发生模组的立体结构示意图；

图4示出了图3所示脉动气流发生模组的分解示意图；

图5示出了图3所示脉动气流发生模组的俯视图；

图6示出了图5中A-A向的剖视图；

图7示出了通过纹影法对燃烧器内未通入辅助气流扰动(a)和利用本实施例提供的脉动气体发生装置提供脉动气流(氦气)扰动(b)时的流程拍摄图；

图8示出了通过纹影法拍摄的本实施例提供的脉动气体发生装置提供脉动气流(燃气)扰动时燃烧器中预混气燃烧时火焰面的拍摄图；

图9示出了本申请实施例提供的另一种脉动气体发生装置的结构示意图。

主要元件符号说明：

100-控制模组；110-控制单元；120-信号发生器；130-功率放大器；200-脉动气流发生模组；201-振动腔；210-基座；210a-座体；210b-安装板；210c-波纹管；210d-调节组件；211-进气口；211a-渐扩段；212-腔孔；213-出气口；213a-渐缩段；220-振动器；221-振动膜片；230-固定支架；240-密封垫；250-密封圈；300-辅助气路；400-燃烧器；500-预混腔。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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；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。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

目前对于大推力液体火箭发动机可以选择的循环方式主要包括燃气发生器循环和补燃循环，其中补燃循环包括：富氧补燃循环、富燃补燃循环和全流量补燃循环等。其中，燃气发生器循环即首先通过一部分燃料和氧化剂燃烧产生高温燃气用于推动涡轮泵，这部分高温燃气随后直接排放至外界环境中，而补燃循环即将这部分用于推动涡轮泵的高温燃气进一步导入到燃烧室中进行燃烧。整体来说，燃气发生器循环研制难度低，成本低，但比冲低，补燃循环比燃气发生器循环比冲高10％以上，可以将运载火箭的发射能力提高20％左右，鉴于这一优点，目前普遍认为补燃循环技术先进，代表着液体火箭发动机的未来发展方向。相较于燃气发生器循环，补燃循环存在预燃室出现不稳定燃烧现象，造成预燃室喷注的高温燃气供应振荡，进而引发主燃烧室中出现燃气供应波动现象，造成严重后果。

不稳定燃烧的机理可以归纳为：非定常燃烧引起气体体积膨胀，进而产生声波(直接燃烧噪声)和熵波(间接燃烧噪声)。这两种波在燃烧室内传播，声波在边界发生反射，而熵波在喷管或涡轮区随平均流加速至声速，进而产生间接燃烧噪声。这些噪声返回燃烧区，引起流动扰动或当量比扰动，从而产生更多的燃烧热释放脉动。噪声、流动扰动和热释放率扰动满足某些相位关系时会形成反馈环，使得燃烧室中的压力振荡逐渐增大，进而引起不稳定燃烧。不稳定燃烧现象的机理极为复杂，由此，通过本实施例提供的脉动气体发生装置可以为研究不稳定燃烧的机理提供实验条件。

实施例一

请参阅图1、图2及图3，本实施例提供了一种脉动气体发生装置，应用于不稳定燃烧实验设备，用于不稳定燃烧实验的研究。其中，不稳定燃烧实验设备包括火箭发动机模型燃烧室，火箭发动机模型燃烧室具有预混腔500和燃烧器400。

在本实施中，脉动气体发生装置包括控制模组100及脉动气流发生模组200，控制模组100与脉动气流发生模组200为电性连接，用以控制脉动气流发生模组200动作。

请一并参阅图6，具体的，控制模组100包括依次电性连接的控制单元110、信号发生器120及功率放大器130。脉动气流发生模组200包括基座210及两个振动器220，两个振动器220相对设置于基座210的两侧，两个振动器220均与控制模组100中的功率放大器130电性连接。其中，两个振动器220与基座210之间形成有相对密封的振动腔201，基座210上还设有与振动腔201连通的进气口211和出气口213。

在本实施例中，进气口211用于外接提供辅助气流的辅助气路300连接。辅助气路300可通过进气口211向振动腔201中提供辅助气流。出气口213与火箭发动机模型燃烧室中的喷注装置连接。由此，其中，控制单元110控制信号发生器120产生控制信号，经功率放大器130放大后分别输入给两个振动器220，以使两个振动器220将进入振动腔201的辅助气流转换为脉动气流，再经出气口213和喷注装置输入至燃烧器400中，以对燃烧器400中的燃烧施加脉动气流扰动。

其中，辅助气路300连接供气装置，供气装置用于输出辅助气流。

可选地，供气装置为空压机或气瓶。

可选地，辅助气流为氮气、氦气、氧气、燃气或空气等其它气流。

可选地，控制单元110为计算机、PLC或单片机等。

应当理解的，上述仅是举例说明，不作为本申请保护范围的限制。

进一步的，在本实施例中，控制模组100发出的控制信号包括幅值控制信号、频率控制信号、相位控制信号或波形控制信号中的至少一种，进而使脉动气流发生模组200以预设的幅值、频率、相位或波形输出脉动气体。由此，本实施例提供的脉动气体发生装置，在使用过程中，扰动的脉动气流的幅值、频率、相位或波形可由控制模组100控制调节，因此通过脉动气体发生装置可以准确地控制燃烧器400内的气流流场，进而为辅助脉动气流扰动对燃烧不稳定机理提供实验条件。

请参阅图3、图4、图5及图6，进一步的，振动器220与基座210为可拆卸连接，例如螺钉连接或卡扣连接，以便根据实验需求更换不同功率的振动器220。

振动器220与基座210之间的配合处设有密封件或密封胶，以形成相对密封的所述振动腔201，避免振动腔201发生气体泄露。可选地，密封件包括密封垫240、密封圈250中的至少一种。

在本实施例中为了确保振动腔201的密封性能，在振动器220与基座210之间的配合处设有密封垫240和密封圈250的同时通过密封胶进行再次密封。

两个振动器220分别位于振动腔201沿宽度方向的两侧，振动腔201的宽度由中心向四周逐渐缩小，由此，在本实施例中，振动腔201呈扁平形状。

可以理解的，振动腔201设计为扁平形状的目的：因为脉动气流是振动器220产生的能量传递到振动腔201内的气体产生的，其中，振动腔201中的气体量越少，每单位体积分到的能量就越多，所以为了保证能量的传递，振动腔201的体积就要尽可能小。另外，一方面压力的传递也与受力面积有关，为了使得能量尽可能完全传递，振动腔201的直径与振动器220产生振动的振动膜片221的直径相同；另一方面，如果振动腔201是个高长的柱腔体，那么振动器220产生的能量和振动腔201侧壁造成的反射波会互相耦合，进而导致振动腔201内声学环境复杂，无法按照预设的需求产生脉动气流。

进一步的，在本实施中，可通过更换不同厚度的密封垫240来微调振动腔201的大小，以调控振动腔201所产生脉动气流的幅频特性。

基座210上的进气口211和出气口213通钻孔工艺加工出螺纹，即进气口211和出气口213为螺纹孔，由此可使用气动插头进行气路搭建。

如图6所示，进气口211至振动腔201设有渐扩段211a，振动腔201至出气口213设有渐缩段213a，避免截面突变，以使气流进出振动腔201时为均匀变化，进而使获得的脉动气流更稳定。

具体的，基座210中部设有形成振动腔201的腔孔212，且腔孔212的直径与振动器220产生振动的膜片的直径相同。其中，渐扩段211a和渐缩段213a与腔孔212的内壁为光滑过渡。

进一步的，基座210上还设有固定支架230，固定支架230与基座210通过螺栓连接，由此可通过调节固定支架230以满足不同的安装需求。

在一些实施例中，振动器220为扬声器，扬声器的振动膜片221朝向振动腔201，并形成振动腔201的侧壁，以使振动膜片221产生的能量能够全部位于振动腔201中。可以理解的，脉动气流的最大强度取决于扬声器功率和尺寸。

可选地，扬声器采用动圈式扬声器，结构简单，成本低。

请参阅图1，进一步的，本实施例还一并提供了一种不稳定燃烧实验设备，尤其涉及一种研究二次脉动气流喷注对火箭发动机中不稳定燃烧影响的装置，即用于不稳定燃烧实验的研究。其中，不稳定燃烧实验设备包括火箭发动机模型燃烧室及上述第一方面提供的脉动气体发生装置。由于，脉动气体发生装置在上述已经详细说明，因此在本实施例中不再赘述。

请参阅图1、图7及图8进一步的，为了更清楚的呈现本实施例的技术方案，如图7所示，通过纹影法对燃烧器400内未通入辅助气流扰动(a)和利用本实施例提供的脉动气体发生装置提供脉动气流(氦气)扰动(b)时的流程拍摄图。通过对比，可以明显看出，本实施例提供的脉动气体发生装置产生了有效的气体脉动，且明显改变了气流流场。

如图8所示，通过纹影法拍摄的本实施例提供的脉动气体发生装置提供脉动气流(燃气)扰动时燃烧器400中预混气燃烧时火焰面的拍摄图，可以看出火焰面被显著改变。由于预混气燃烧时燃烧过程发生在火焰面上，近似可认为火焰面的面积体现了燃烧过程的热释放量，因此，从图7中可以明显看出，辅助气流扰动影响了预混气的燃烧过程，进而说明脉动气体发生装置达到了预期目标，为揭示辅助脉动气流扰动对燃烧不稳定机理的研究提供实验条件。

还需要说明的，图7和图8中本本实施例的对振动器220所施加的振动频率为240Hz，测试到的预混气以及火焰面的波动同样为240Hz。并且本实例中还证实了0-500Hz的辅助脉动气流扰动的产生与测量，由此可实现高频率和幅值的当量比扰动，这一点远胜于目前所使用的轮盘等机械振动方案。

本实施例提供的脉动气体发生装置，应用于不稳定燃烧实验设备中，通过控制单元110控制信号发生器120产生控制信号，经功率放大器130放大后分别输入给两个振动器220，以使两个振动器220将进入振动腔201的辅助气流转换为脉动气流，再经出气口213和喷注装置输入至燃烧器400中，以对燃烧器400中的燃烧进行扰动。由于产生的脉动气流的幅值及频率可由控制模组100控制调节，因此可以准确地控制燃烧器400内的气流流场，进而为辅助脉动气流扰动对燃烧不稳定机理提供实验条件。脉动气体发生装置结构可靠，能够按照需求产生实验所需频率气体脉动，且产生的脉动气流稳定，从而使实验效果更好。

另外，脉动气体发生装置整体结构简单，操作方便，各零部件易加工和更换、适用范围广。

实施例二

请参阅图6及图9，本实施例提供了一种脉动气体发生装置，应用于不稳定燃烧实验设备，用于不稳定燃烧的研究。

在本实施例中，基座210包括座体210a、两个安装板210b以及多个调节组件210d。其中，座体210a内设有腔孔212，座体210a上设置有与腔孔212连通的进气口211和出气口213，其中，腔孔212与进气口211和出气口213的设计方案继续沿用上述实施一中的方案，在本实施例中不再详细赘述。

进一步的，两个安装板210b别设置于座体210a的两侧，且安装板210b与座体210a之间通过可伸缩的波纹管210c密封连接，两个安装板210b远离座体210a的一侧设置有振动器220，其中，振动器220与安装板210b通过密封垫240进行密封配合。

调节组件210d设置于安装板210b与座体210a之间，且多个调节组件210d沿周向均匀分布。由于，波纹管210c具有伸缩的性能，通过调节组件210d能够调节安装板210b与座体210a之间的间距时，波纹管210c会适应性的拉伸或压缩，进而对振动腔201的大小进行微调。

在本实施例中，调节组件210d包括螺钉及与螺钉螺纹配合的螺母，其中，安装板210b上设有供螺钉穿过的通孔，螺钉远离螺帽的一端穿过安装板210b上的通孔与座体210a上的螺纹孔螺纹副配合。螺母套设在螺钉上及位于安装板210b与座体210a之间，且螺母与螺帽配合能够夹持安装板210b，以限制安装板210b相对座体210a运动。由此，调节后安装板210b与座体210a之间的间距相对固定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种脉动气体发生装置，应用于不稳定燃烧实验设备，所述不稳定燃烧实验设备包括火箭发动机模型燃烧室，其特征在于，所述脉动气体发生装置包括控制模组及脉动气流发生模组；

所述脉动气流发生模组包括基座及两个振动器，所述基座包括座体、两个安装板以及多个调节组件；两个所述安装板分别设置于所述座体的两侧，且所述安装板与所述座体之间通过可伸缩的波纹管密封连接，所述调节组件设置于所述安装板与所述座体之间，所述调节组件能够调节所述安装板与所述座体之间的间距；两个所述安装板远离所述座体的一侧设置有所述振动器，所述振动器与所述安装板通过密封垫进行密封配合；两个所述振动器均与所述控制模组连接，两个所述振动器与所述座体之间形成有相对密封的振动腔，所述座体上还设有与所述振动腔连通的进气口和出气口，其中，所述进气口用于外接提供辅助气流的辅助气路连接，所述出气口与所述火箭发动机模型燃烧室中的喷注装置连接；

所述控制模组能够向所述振动器发出控制信号，以使两个所述振动器能够将进入所述振动腔的所述辅助气流转换为脉动气流输出。

2.根据权利要求1所述的脉动气体发生装置，其特征在于，所述振动腔的宽度由中心向四周逐渐缩小，两个所述振动器分别位于所述振动腔沿宽度方向的两侧。

3.根据权利要求1所述的脉动气体发生装置，其特征在于，所述进气口至所述振动腔设有渐扩段，所述振动腔至所述出气口设有渐缩段。

4.根据权利要求1所述的脉动气体发生装置，其特征在于，所述振动器为扬声器，所述扬声器的振动膜片朝向所述振动腔。

5.根据权利要求1所述的脉动气体发生装置，其特征在于，所述振动器与所述基座为可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的脉动气体发生装置，其特征在于，所述控制信号包括幅值控制信号、频率控制信号或相位控制信号中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的脉动气体发生装置，其特征在于，所述控制模组包括依次连接的控制单元、信号发生器及功率放大器，所述功率放大器分别与两个所述振动器连接。

8.一种不稳定燃烧实验设备，其特征在于，包括火箭发动机模型燃烧室及如权利要求1-7中任一项所述的脉动气体发生装置。

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