[发明专利]超声速燃气采样探针

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气采样探针，特别涉及一种超声速燃气采样探针，适用于超声速燃烧室燃烧试验的燃气采集，并用以分析燃气成分和评估燃烧效率。 

背景技术

燃烧效率是表征燃料燃烧过程完全程度的指标，能够部分反映出燃烧室性能的优劣，是燃烧室性能评价的重要指标之一。经过多年的研究，燃烧效率的评估方法不断得到发展，目前，各国研究中常用的方法有氢燃料特征原子团光谱辐射强度测量换算氢燃料燃烧效率的方法、探针取样组份分析方法、一维流动参数评估方法、温升法等。 

气体取样法是应用气体取样探针对燃烧室出口的气体成分进行分析，获得燃烧室出口截面上的气体成分分布，从而测量获得燃烧室出口截面上未发生化学反应的燃料量，根据剩余燃料与总燃料流量之比获得燃烧室内的燃烧效率，并已经在超燃发动机试验中得到了应用。采用该方法进行燃烧效率测量首先保证的是探头怎样才能获得真实的气体，从而使进入探头的气体成分不发生改变，因此就必须考虑探头内部气体的化学反应抑制能力。 

对超声速流场的进行探针取样分析的困难主要来自于被测流场的高温和高速。高温的影响不仅仅表现在对探针冷却难度的加大上，还表现在对探针内部取样气体的冷却以冻结其成分反应难度的加大上。高速的影响主要是激波对取样的影响。激波前后会有温度的突升，这不利于冻结气体的成分，会促使反应的进行并改变气体的成分。探针的设计要使探针诱发良好的激波，不能在探针前方形成脱体弓形波。 

综上所述，气体取样法整个系统结构比较紧凑，操作简单，而且整个系统造价也比较低廉。解决好探针中的反应冻结和探针冷却问题就能较好进行超声速流场的燃气取样分析。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，采用二维矩形入口的探针流道，通过膨胀冷却及对流换热，冻结进入探针的采样燃气。在对探针有良好冷却效果的同时，保证采样耙整体强度。在工程实践中可降低对加工误差的敏感性。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种超声速燃气采样探针，包括采样耙上壳、采样耙下壳、探针流道、采样耙左板、采样耙右板、采样管、探针间水冷通道和附属采样系 统；所述采样耙上壳和采样耙下壳外观构型相同，采样耙上壳和采样耙下壳焊接后，两端再焊接采样耙左板和采样耙右板；所述探针流道均布在采样耙上壳内，探针流道之间均布探针间水冷通道；所述探针流道沿轴向分为三个部分：扩张一段、扩张二段和平直段；所述采样管一端焊接在探针流道出口，另一端与附属采样系统螺纹连接；燃气从探针流道入口处被抽入，沿探针流道在其中的扩张一段和扩张二段膨胀冷却，从而使静温急剧降低至燃气反应温度之下；冷却水由采样耙左板上的水冷入口流入，流经下壳水冷通道，探针间水冷通道，上壳水冷通道，并从位于另一端的采样耙右板上的水冷出口流出；燃气在平直段中与探针间水冷通道进一步充分换热，从而降低了总温，并在探针尾部与采样管连接处突扩，速度降至亚音速，防止发生堵塞；燃气从采样管流出被送至后端附属采样系统；采样管在离开采样耙后合为一个管路，管路上装有给样气保温的电加热带和一号电磁阀，管路在一号电磁阀之后分为两路，一路上装有二号电磁阀、真空泵和二号手动阀，另一路上装有一号手动阀，在一号手动阀和二号手动阀之间的集气瓶用于收集从超声速燃烧室尾部采到的样气；集气瓶的外表面装有保温的电加热器；一个可移动的密封活塞位于集气瓶中，从集气瓶收集到的样气将送至燃气分析仪用于分析样气成分。 

探针流道的个数为1～30，沿轴向分为三个部分：扩张一段为矩形入口，边长为0.3～10mm，轴向长度为1～30mm，朝上有第一扩张角，范围为0°～30°；扩张二段，轴向长度为1～30mm，有三侧扩张，矩形截面，朝上第二扩张角范围为30°～80°，两侧扩张角角度相同，范围为30°～80°；平直段流道无角度变化，轴向长度为20～100mm，出口为矩形截面，边长为2～10mm。 

所述的采样耙，采样耙上壳和采样耙下壳前端有楔形角，夹角范围为30°～80°，采样耙轴向长度由探针流道轴向长度决定，采样耙宽度由探针数目和应用需求决定；采样耙总体高度为20～80mm。 

探针流道完全在采样耙上壳上加工而成，采样耙上壳再和采样耙下壳对齐焊接，降低了焊接误差对探针流道的影响。