專利名稱：直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及航空航天領域的一種燃氣采集實驗方法，特別是涉及一種在直聯式超燃試驗臺中用于燃氣采集的取樣探針系統。
背景技術：
發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。發展高超聲速飛行器，首要抓住一點是推進技術，即“動力先行”。因此，超燃沖壓發動機也成了如今高超聲速推進技術的代名詞。燃燒室作為超燃沖壓發動機的核心部件，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構簡單、材料易尋、價格低廉、可對產物進行分析等特點得到了廣泛的關注。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。在有化學反應進行的情況下，化學反應的凍結就成為取樣分析中的關鍵性問題。同時也要避免探針頭部附近復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物，成為取樣系統的關鍵幾個點。為了對超燃沖壓發動機燃燒室進行性能評估，設計了一套直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統并進行實驗；設計取樣探針采用膨脹冷卻和對流冷卻相結合的方法，快速將燃燒室出口尾氣化學反應凍結，并成功收集到采樣針筒中；設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，保證了取樣系統以及直聯式超燃臺之間精確的時序控制。
發明內容
本發明的目的是，給出一種直聯式超燃試驗臺的燃氣取樣系統，使得直聯式超燃試驗臺的燃燒室出口尾氣可快速化學反應凍結，通過時序控制收集到取樣針筒中，并由質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。根據本發明的一個方面，提供一種直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，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，探針基座內含有冷卻腔，冷卻腔內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。優選地，所述取樣探針的內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。優選地，冷卻管由紫銅制成。根據本發明的另一個方面，還提供一種所述直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統的控制方法，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，調節直聯式超燃試驗臺的氮氣、氧氣、氫氣和空氣的配氣比，調節注入的燃油；步驟3:使第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥處于關閉狀態，打開水泵預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和取樣針筒內進行抽真空；步驟5:在直聯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，然后關閉第三電磁閥并開啟第二電磁閥t3時間后，關閉所有電磁閥。本發明提供了用于對超燃沖壓發動機燃燒室進行性能評估的直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，主要包括取樣探針的總體系統方案，膨脹冷卻和對流冷卻相結合的取樣探針設計方案，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，注入到質譜分析儀中。本發明能夠快速將燃燒室出口尾氣化學反應凍結，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，保證了取樣系統以及直聯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，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:圖1直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統布置方式；
圖2取樣探針系統詳細示意圖；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為數據分析計算機；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合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。本發明提供的直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統布置方式如圖1所示，圖中，加熱器、噴管和超聲速燃燒室為直聯式超燃臺系統。取樣探針系統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，注入到質譜分析儀中。圖2為取樣探針系統詳細示意圖，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、質譜分析儀和第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥組成。本發明中設計了一種取樣探針，采用膨脹冷卻和對流冷卻相結合的方法，快速將超聲速燃燒室出口尾氣化學反應凍結，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反應繼續進行的影響。取樣探針入口段(即前段)是0.8mm直徑針孔管，前段管長2mm，后段管直徑突增變為2mm，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，保證化學反應快速凍結。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本發明確定了取樣實驗的一套流程時序，并與直聯式超燃臺時序配合，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和取樣針筒內進行抽真空。實驗過程中，在直聯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,然后關閉第三電磁閥并開啟第二電磁閥Is后，關閉所有電磁閥。具體的閥門工作時間，根據真空泵抽氣速率、管路內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，需調節直聯式超燃試驗臺的氮氣、氧氣、氫氣和空氣的配氣比，調節注入的燃油，設置好超燃臺實驗的流程時序。取樣探針系統，需將各設備安裝到位，線路連接正常并調試完畢。實驗前，第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥都處于關閉狀態，打開水泵預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果帶來的影響。當取樣針筒內壓力達到所需值時，關閉第二電磁閥、第三電磁閥，取樣針筒處于待取樣狀態。實驗中，與直聯式超燃試驗臺實驗時序配合，在直聯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定；在燃燒流場基本穩定前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；關閉第三電磁閥，關閉真空泵，后立即開啟第二電磁閥，約t3時間后關閉第二電磁閥、第一電磁閥。待直聯式超燃試驗臺實驗結束后，取樣探針實驗系統冷卻完畢后，將在第二電磁閥之前氣體管路取下，以保證取樣針筒內氣體不泄漏。采集到的氣體注入到質譜分析儀中，對采集到的氣體進行分析。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，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，探針基座內含有冷卻腔，冷卻腔內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.根據權利要求1所述的直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，其特征在于，所述取樣探針的內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.根據權利要求2所述的直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，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.根據權利要求3所述的直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，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.根據權利要求1所述的直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，其特征在于，冷卻管由紫銅制成。
6.一種權利要求1至5中任一項所述直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統的控制方法，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，調節直聯式超燃試驗臺的氮氣、氧氣、氫氣和空氣的配氣比，調節注入的燃油； 步驟3:使第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥處于關閉狀態，打開水泵預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和取樣針筒內進行抽真空； 步驟5:在直聯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，然后關閉第三電磁閥并開啟第二電磁閥t3時間后，關閉所有電磁閥。
全文摘要
本發明提供了一種直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統，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。本發明還提供相應的控制方法。本發明能夠快速將燃燒室出口尾氣化學反應凍結，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，保證了取樣系統以及直聯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 優先權日2013年2月1日
發明者張亞, 陳方 申請人:上海交通大學