專利名稱:直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域的一種燃氣采集實驗方法,特別是涉及一種在直聯(lián)式超燃試驗臺中用于燃氣采集的取樣探針系統(tǒng)。
背景技術(shù):
發(fā)展高超聲速飛行器是人類長久以來的夢想,這并非是充滿想象力的科學(xué)工作者求新求異的追求,而是速度的提高所能帶來的實際益處所決定的。發(fā)展高超聲速飛行器,首要抓住一點是推進技術(shù),即“動力先行”。因此,超燃沖壓發(fā)動機也成了如今高超聲速推進技術(shù)的代名詞。燃燒室作為超燃沖壓發(fā)動機的核心部件,對燃燒室性能的評估就顯得尤為重要了。燃燒室的性能決定因素很多,評定的方法也不完全一致,常見的燃燒效率評價方法有如下幾種:壓力測量,通過測量燃燒室壓力再經(jīng)過一定的換算最終求得燃燒效率;熱量計法,溫度傳感器測得的燃料燃燒引起的實際溫升與數(shù)值計算得到的理論溫升之間的比值;紅外線法,利用紅外線測量燃燒室出口氣流某種成分在特定波段的紅外線譜,獲得該成分在出口氣流中得分壓和溫度,計算出燃燒效率;取樣探針法,應(yīng)用氣體采集探頭對燃燒室出口的氣體成分進行分析,獲得燃燒室出口截面上的氣體成分分布,從而計算燃燒效率。其中,取樣探針法因為有著結(jié)構(gòu)簡單、材料易尋、價格低廉、可對產(chǎn)物進行分析等特點得到了廣泛的關(guān)注。探針取樣,進而對樣品氣進行成分分析,是進行氣體成分分析時常用的一種分析手段。氣體成分取樣時,最重要的準則就是要保持樣品氣成分不變。在有化學(xué)反應(yīng)進行的情況下,化學(xué)反應(yīng)的凍結(jié)就成為取樣分析中的關(guān)鍵性問題。同時也要避免探針頭部附近復(fù)雜的流場對樣品氣成分帶來影響,這樣才能保證取樣分析的可靠性。如何保證這兩點,盡快對采集氣體進行冷卻,并通過合理時序采集到燃氣產(chǎn)物,成為取樣系統(tǒng)的關(guān)鍵幾個點。為了對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室進行性能評估,設(shè)計了一套直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng)并進行實驗;設(shè)計取樣探針采用膨脹冷卻和對流冷卻相結(jié)合的方法,快速將燃燒室出口尾氣化學(xué)反應(yīng)凍結(jié),并成功收集到采樣針筒中;設(shè)計將取樣探針與探針基座分離,利用間隙配合和涂耐高溫硅膠相結(jié)合方式安裝探針,方便拆裝進行比較實驗;通過選定實驗測試流程時序,保證了取樣系統(tǒng)以及直聯(lián)式超燃臺之間精確的時序控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是,給出一種直聯(lián)式超燃試驗臺的燃氣取樣系統(tǒng),使得直聯(lián)式超燃試驗臺的燃燒室出口尾氣可快速化學(xué)反應(yīng)凍結(jié),通過時序控制收集到取樣針筒中,并由質(zhì)譜儀對采集到的氣體進行分析,得到較為準確的氣體組分情況。根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供一種直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),包括取樣探針、探針基座、水泵、支架、法蘭盤、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、真空泵、取樣針筒,其中:
探針基座通過支架安裝于法蘭盤,探針基座內(nèi)含有冷卻腔,冷卻腔內(nèi)穿有貫穿探針基座前端和后端的冷卻管,水泵出口通過冷卻腔的進口連通至冷卻腔的出口,取樣探針的后端以可拆卸方式連接冷卻管的前端,冷卻管的后端連接第一電磁閥的進口端,第一電磁閥的出口端通過第二電磁閥連接取樣針筒,第一電磁閥的出口端通過第三電磁閥連接真空泵。優(yōu)選地,所述取樣探針的內(nèi)壁從前端向后端方向,孔徑由半徑Rl突變增大為半徑R2,形成階梯狀,取樣探針的頭部為半頂角30°的錐形。優(yōu)選地,探針基座的冷卻腔是前部分為梯形后部分為方形的空腔,冷卻管的前端設(shè)置有臺階孔,臺階孔從前端向后端方向孔徑由直徑Dl突變減小為直徑D2,其中,直徑Dl略大于取樣探針后端的外徑,取樣探針的后部安裝在臺階孔直徑為Dl的空腔中,取樣探針的頭部位于臺階孔之外。優(yōu)選地,取樣探針的后部與臺階孔之間的安裝間隙處填充有耐高溫硅膠。優(yōu)選地,冷卻管由紫銅制成。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面,還提供一種所述直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng)的控制方法,包括如下步驟:步驟1:利用法蘭盤將支架固定于直聯(lián)式超燃試驗臺出口段噴管前端的截面上,探針基座的前端正對直聯(lián)式超燃試驗臺的超聲速燃燒室的出口面;步驟2:氣體采集開始前,調(diào)節(jié)直聯(lián)式超燃試驗臺的氮氣、氧氣、氫氣和空氣的配氣比,調(diào)節(jié)注入的燃油;步驟3:使第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài),打開水泵預(yù)先對取樣探針進行冷卻;步驟4:控制第一電磁閥、第三電磁閥工作tl時間,同時開啟真空泵對氣體管路內(nèi)和取樣針筒內(nèi)進行抽真空;步驟5:在直聯(lián)式超燃試驗臺中點火開始時,開啟第一電磁閥、第三電磁閥,同時通過真空泵抽真空t2時間,然后關(guān)閉第三電磁閥并開啟第二電磁閥t3時間后,關(guān)閉所有電磁閥。本發(fā)明提供了用于對超燃沖壓發(fā)動機燃燒室進行性能評估的直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),主要包括取樣探針的總體系統(tǒng)方案,膨脹冷卻和對流冷卻相結(jié)合的取樣探針設(shè)計方案,取樣探針和探針基座分離的安裝方案和取樣探針試驗測試流程時序。探針基座引出來的采集氣體,通過電磁閥控制,用真空表對氣路進行抽真空,用取樣針筒存儲氣體。取樣針筒采集到的氣體,注入到質(zhì)譜分析儀中。本發(fā)明能夠快速將燃燒室出口尾氣化學(xué)反應(yīng)凍結(jié),冷卻下來進行采集;并且利用間隙配合和涂耐高溫硅膠相結(jié)合方式安裝探針,方便拆裝進行比較實驗;通過選定實驗測試流程時序,保證了取樣系統(tǒng)以及直聯(lián)式超燃臺之間精確的時序控制。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述,本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:圖1直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng)布置方式;
圖2取樣探針系統(tǒng)詳細示意圖;圖3取樣探針剖面示意圖;圖4取樣探針和探針基座安裝完成實物圖;圖5取樣實驗流程時序圖。圖中:I為第一電磁閥;2為第二電磁閥;3為第三電磁閥;4為數(shù)據(jù)分析計算機;5為支架;6為法蘭盤;7為取樣探針;8為手動截止閥;9為真空表。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是,對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明提供的直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng)布置方式如圖1所示,圖中,加熱器、噴管和超聲速燃燒室為直聯(lián)式超燃臺系統(tǒng)。取樣探針系統(tǒng)布置在超聲速燃燒室出口和出口段噴管之間,用法蘭盤和支架固定在出口段噴管前端的截面上。探針基座引出來的采集氣體,通過第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥控制,用真空表對氣路進行抽真空,用取樣針筒存儲氣體。取樣針筒采集到的氣體,注入到質(zhì)譜分析儀中。圖2為取樣探針系統(tǒng)詳細示意圖,其主要由取樣探針,探針基座、法蘭盤、支架、水泵、真空表、取樣針筒、質(zhì)譜分析儀和第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥組成。本發(fā)明中設(shè)計了一種取樣探針,采用膨脹冷卻和對流冷卻相結(jié)合的方法,快速將超聲速燃燒室出口尾氣化學(xué)反應(yīng)凍結(jié),并成功收集到取樣針筒中。取樣探針的頭部是半頂角30°的錐形,保證高速的來流在取樣探針頭部形成吞入激波,減少激波前后溫升造成的化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進行的影響。取樣探針入口段(即前段)是0.8mm直徑針孔管,前段管長2mm,后段管直徑突增變?yōu)?mm,后段管長大于5mm,通過管面積突變形成膨脹冷卻效果,對進入管內(nèi)氣流進行冷卻。2_的管壁外還通有高速高壓的水流對管壁進行冷卻,進一步對采集氣體進行冷卻,保證化學(xué)反應(yīng)快速凍結(jié)。取樣探針剖面示意圖如圖3所示,其中,Rl為取樣探針前段孔壁的半徑,R2為取樣探針后段孔壁的半徑,LI為取樣探針前段孔壁的長度,L2為取樣探針后段孔壁的長度。本發(fā)明采用取樣探針與探針基座分離的方式安裝,便于取樣探針的拆裝,利于下一步更換進行比較實驗。探針基座是2mm厚紫銅板彎曲形成的前部分梯形后部分方形的空腔,上下用帶管的方板焊接密封住。探針基座正對超聲速燃燒室出口面方向打通焊接若干內(nèi)徑2mm,壁厚2mm的紫銅管,紫銅管前段開出一段約5mm長,直徑3mm的臺階孔,與探針后端尺寸配合。取樣探針通過間隙配合放置在紫銅管前端,為保證安裝穩(wěn)定不因高速來流而松動,還使用耐高溫硅膠涂在安裝間隙處。取樣探針和探針基座安裝完成實物圖如圖4所
/Jn ο本發(fā)明確定了取樣實驗的一套流程時序,并與直聯(lián)式超燃臺時序配合,完成對燃氣采集的精確控制。第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥通過單片機編程控制,分為兩個動作,分別為實驗前和實驗中。實驗前,控制第一電磁閥、第三電磁閥工作5s,同時真空泵開啟對氣體管路內(nèi)和取樣針筒內(nèi)進行抽真空。實驗過程中,在直聯(lián)式超燃試驗臺中點火開始時,開啟第一電磁閥、第三電磁閥,同時抽真空2.5s,然后關(guān)閉第三電磁閥并開啟第二電磁閥Is后,關(guān)閉所有電磁閥。具體的閥門工作時間,根據(jù)真空泵抽氣速率、管路內(nèi)氣體體積和取樣針筒體積計算決定。取樣實驗流程時序圖如圖5所示。氣體采集開始前,需調(diào)節(jié)直聯(lián)式超燃試驗臺的氮氣、氧氣、氫氣和空氣的配氣比,調(diào)節(jié)注入的燃油,設(shè)置好超燃臺實驗的流程時序。取樣探針系統(tǒng),需將各設(shè)備安裝到位,線路連接正常并調(diào)試完畢。實驗前,第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥都處于關(guān)閉狀態(tài),打開水泵預(yù)先對取樣耙進行冷卻。打開第二電磁閥、第三電磁閥,真空泵對氣體管路和取樣針筒進行抽真空,以保持比較低的背壓,同時避免取樣針筒中的空氣對測量結(jié)果帶來的影響。當(dāng)取樣針筒內(nèi)壓力達到所需值時,關(guān)閉第二電磁閥、第三電磁閥,取樣針筒處于待取樣狀態(tài)。實驗中,與直聯(lián)式超燃試驗臺實驗時序配合,在直聯(lián)式超燃試驗臺點火后I 2秒,超聲速流場建立,隨后噴入燃料,I 2秒后,整個燃燒流場基本穩(wěn)定;在燃燒流場基本穩(wěn)定前t2時間,開啟取樣針筒的作為上游閥的第一電磁閥,對探針段至第一電磁閥段進行抽真空;關(guān)閉第三電磁閥,關(guān)閉真空泵,后立即開啟第二電磁閥,約t3時間后關(guān)閉第二電磁閥、第一電磁閥。待直聯(lián)式超燃試驗臺實驗結(jié)束后,取樣探針實驗系統(tǒng)冷卻完畢后,將在第二電磁閥之前氣體管路取下,以保證取樣針筒內(nèi)氣體不泄漏。采集到的氣體注入到質(zhì)譜分析儀中,對采集到的氣體進行分析。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改,這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),其特征在于,包括取樣探針、探針基座、水泵、支架、法蘭盤、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、真空泵、取樣針筒,其中: 探針基座通過支架安裝于法蘭盤,探針基座內(nèi)含有冷卻腔,冷卻腔內(nèi)穿有貫穿探針基座前端和后端的冷卻管,水泵出口通過冷卻腔的進口連通至冷卻腔的出口,取樣探針的后端以可拆卸方式連接冷卻管的前端,冷卻管的后端連接第一電磁閥的進口端,第一電磁閥的出口端通過第二電磁閥連接取樣針筒,第一電磁閥的出口端通過第三電磁閥連接真空栗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),其特征在于,所述取樣探針的內(nèi)壁從前端向后端方向,孔徑由半徑Rl突變增大為半徑R2,形成階梯狀,取樣探針的頭部為半頂角30°的錐形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),其特征在于,探針基座的冷卻腔是前部分為梯形后部分為方形的空腔,冷卻管的前端設(shè)置有臺階孔,臺階孔從前端向后端方向孔徑由直徑Dl突變減小為直徑D2,其中,直徑Dl略大于取樣探針后端的外徑,取樣探針的后部安裝在臺階孔直徑為Dl的空腔中,取樣探針的頭部位于臺階孔之外。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),其特征在于,取樣探針的后部與臺階孔之間的安裝間隙處填充有耐高溫硅膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),其特征在于,冷卻管由紫銅制成。
6.一種權(quán)利要求1至5中任一項所述直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟1:利用法蘭盤將支架固定于直聯(lián)式超燃試驗臺出口段噴管前端的截面上,探針基座的前端正對直聯(lián)式超燃試驗臺的超聲速燃燒室的出口面; 步驟2:氣體采集開始前,調(diào)節(jié)直聯(lián)式超燃試驗臺的氮氣、氧氣、氫氣和空氣的配氣比,調(diào)節(jié)注入的燃油; 步驟3:使第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài),打開水泵預(yù)先對取樣探針進行冷卻; 步驟4:控制第一電磁閥、第三電磁閥工作tl時間,同時開啟真空泵對氣體管路內(nèi)和取樣針筒內(nèi)進行抽真空; 步驟5:在直聯(lián)式超燃試驗臺中點火開始時,開啟第一電磁閥、第三電磁閥,同時通過真空泵抽真空t2時間,然后關(guān)閉第三電磁閥并開啟第二電磁閥t3時間后,關(guān)閉所有電磁閥。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種直聯(lián)式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統(tǒng),包括取樣探針、探針基座、水泵、支架、法蘭盤、第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、真空泵、取樣針筒。本發(fā)明還提供相應(yīng)的控制方法。本發(fā)明能夠快速將燃燒室出口尾氣化學(xué)反應(yīng)凍結(jié),冷卻下來進行采集;并且利用間隙配合和涂耐高溫硅膠相結(jié)合方式安裝探針,方便拆裝進行比較實驗;通過選定實驗測試流程時序,保證了取樣系統(tǒng)以及直聯(lián)式超燃臺之間精確的時序控制。
文檔編號G05B19/042GK103162995SQ201310039859
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者張亞, 陳方 申請人:上海交通大學(xué)