[发明专利]一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置

说明书

技术领域

本发明属于燃烧诊断技术领域，特别针对高氧燃比条件下煤油的跨临界雾化及燃烧实验。

背景技术

目前，高性能大推力先进航空航天发动机研发正处于快速跨越式发展时期，提高火箭发动机的推进能力是航天研究的重要方向。

火箭发动机是航天推进系统中的核心部件。火箭发动机通常通过推进剂燃烧产生高温高压燃气，基于动量定理，向反方向喷射物质而产生向前的推力。大幅提高燃烧压力可以获得更好的推进性能，已成为先进空天发动机的发展趋势。

燃烧室是火箭发动机的核心部件。液体火箭发动机燃料及氧化剂，通过喷注器注入燃烧室混合燃烧，生成高温高压燃气。不同种类的燃料和氧化剂在燃烧室内的混合性能及燃烧特性，对火箭发动机的工作效能及安全性有重要影响，是目前液体火箭发动机研究的重点方向。

由于煤油具有易储存性、流动性良好、环保和低成本等优点，成为先进空天发动机的主要燃料。煤油在先进空天发动机极端燃烧环境中，燃烧室压力和火焰温度均超过煤油热力学临界值，但煤油初始喷注温度常低于其临界值，燃烧需跨越亚临界-超临界状态，属于跨临界燃烧过程。煤油高氧燃比跨临界湍流燃烧时，物性的跃变性、燃烧混合的极不均匀性以及煤油碳氢大分子低温燃烧机理的复杂性使得燃烧稳定控制机制变得极其复杂，煤油射流跨临界雾化、蒸发、混合以及火焰结构特性等一系列基础问题亟待深入探索。

由于火箭发动机燃烧室内部高温高压的工作环境，目前的火箭发动机试验通常通过在发动机内壁布置采样点，采集温度及压力信号，并结合计算机模拟结果估计发动机内部的工况，缺少对煤油雾化、混合等现象的直观研究方式。

发明内容

为解决现有火箭发动机试验过程无法直观研究的问题，本发明提供一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置。

特别地，本发明提供一种可视化煤油跨临界雾化及燃烧实验装置，包括依次连接的

催化段，用于将注入的过氧化氢分解成氧气和水蒸汽的混合气体，以形成火箭发动机使用的氧化剂；

喷注段，用于接收所述催化段的氧化剂和外部的煤油以形成相应的射流喷出；

观察段，接收所述喷注段喷出的射流，包括燃烧室，和设置在所述燃烧室侧壁处的透明观察窗；

喷管段，用于接收并释放所述观察段排出的气流。

在本发明的一个实施方式中，所述观察窗有三个，包括设置在所述燃烧室一个侧面的主观察窗，和两个分别设置在所述主观察窗相邻两个侧面的副观察窗，两个所述副观察窗之间实现通视且与所述主观察窗的光路垂直。

在本发明的一个实施方式中，所述观察窗位于所述燃烧室内的一侧设置有冷却板，所述冷却板的中部带有供所述观察窗的光路通过的开口，所述冷却板与所述观察窗贴合的一面上设置有冷却通道，在所述燃烧室的侧壁上设置有连接所述冷却通道的冷却剂注入口。

在本发明的一个实施方式中，每个所述观察窗处的所述冷却剂注入口设置有两个，且分别由所述冷却板的相对两端位置对应。

在本发明的一个实施方式中，所述燃烧室上与所述观察窗对应的位置设置有供所述观察窗安装的观察窗框，在所述观察窗框的内侧边设置有向内部凸出的挡边，所述冷却板的内侧边被所述挡边挡住。

在本发明的一个实施方式中，所述观察窗与所述观察窗框接触的位置安装有石墨垫片。

在本发明的一个实施方式中，在与所述主观察窗相对的侧面上设置有测量所述燃烧室内压力的测压孔。

在本发明的一个实施方式中，所述测压孔有多个且沿所述燃烧室的长度方向排成一列。

在本发明的一个实施方式中，所述观察窗采用石英玻璃。

在本发明的一个实施方式中，所述燃烧室的截面为矩形。

本发明针对工作压力在7MPa、燃气温度1000K的煤油/过氧化氢火箭发动机，利用观察窗的方式可以直观对燃烧室内的燃烧过程进行观察，实现煤油雾化过程及燃烧特性的紫外及可见光波段的光学测量，并具备了使用激光粒子示踪法(PIV)和激光诱导荧光方法(PLIF)测量的能力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的实验装置结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的催化段结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的喷注段结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的观察段结构示意图；

图5是本发明一个实施方式的喷管段结构示意图；

图6是本发明一个实施方式的观察段剖面结构示意图。

具体实施方式