一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置及方法与流程

1.本发明涉及超燃冲压发动机地面试验技术领域，更具体地说，它涉及一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置及方法。


背景技术：

2.在超燃冲压发动机的研究工作中，燃烧效率作为一种重要的性能判别指标，其测量最常用的方法是使用燃烧后的气体对其燃烧产物组分进行分析，而燃烧后的气体往往是高温高压高速的气体，高速气体在滞止过程会进一步升温升压，因此，在采集过程中高温高压气体会进一步反应生成其他产物，给气体采集和测量带来了极大挑战。为了保证测量的精确，需要解决燃烧后的高温气体的采集问题，采集过程需要将超燃冲压发动机尾喷管中的超声速高温气体迅速冷却，以防止其产生进一步化学反应。
3.本发明欲解决的问题是收集超燃冲压发动机燃烧后的超声速高温高压气体，并且在此过程中防止其因滞止进一步升温升压导致影响测量结果的其他化学反应，例如滞止过程中co进一步反应成co2，h2和o2进一步反应生成h2o等，这些都是导致燃烧产物中的co、o2和h2o等组分测量不准导致燃烧效率计算不精确的典型情况，也是燃烧效率测量中需要解决的普遍问题。
4.因此，本发明旨在设计提供一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置及方法，以解决上述问题。
5.本发明采用高温合金探头吸入超声速的高温高压气体，采用紫铜密封圈保证密封和导热效果，通过导气管将气体引入收集装置并且在此过程中迅速将滞止后的超声速高温高压气体冷却，冻结其各组分的比例，保证其燃烧产物的稳定性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对解决上述问题，提供一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，以及超声速高温气体组分冻结的方法。
7.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，包括主体外壳，所述主体外壳的内部为空腔；所述主体外壳的迎风面间隔设有两个带有内螺纹的孔；所述孔内连接有高温合金探头；所述孔的尾部处焊接有位于主体外壳内部的导气管，且所述孔内设有用于密封及连接高温合金探头与导气管的密封垫片；所述导气管的出口端与所述主体外壳的侧部焊接；所述主体外壳上与导气管出口同侧的侧部设有两路水冷循环水管，所述水冷循环水管的其中一端为入口，所述水冷循环水管的另一端为出口，且两路所述水冷循环水管的安装位置可互换。
8.本发明进一步设置为：所述高温合金探头的尾部设有外螺纹，所述高温合金探头通过旋拧方式与所述主体外壳上带有内螺纹的孔螺纹连接。
9.本发明进一步设置为：所述高温合金探头采用高合3128为材料。
10.本发明进一步设置为：所述密封垫片为紫铜垫片，用于高温合金探头与导气管之
间的密封连接；所述导气管采用紫铜为材料。
11.本发明还提供一种超声速高温气体组分冻结采集方法，由本发明中所述的水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置进行采集，采集方法为：采用所述装置的结构，主体外壳空腔内管路以及配合高温合金探头的安装方式，将所需冷却高温气体和冷却循环水隔离开，迅速将气体热量与冷却水交换，确保采集气体的组分不会在被收集过程中因滞止而升温进而产生其他的化学反应。
12.本发明进一步设置为：在采集燃烧产物的超声速高温气体时，安装于超燃超压发动机的流道内其阻塞比低于20％，迎风面投影的长宽比高于8。
13.在本方案中，主体外壳的迎风面积根据流道大小设计，阻塞比应低于20％，迎风面的长宽比应高于8；高温合探头材质也可以结合来流的马赫数、总温以及总压等因素综合评定，根据使用要求和成本等综合考虑，更换耐热性更低或者更高的其他高温合金材料。
14.本发明采用高温合金探头吸入超声速的高温高压气体，采用紫铜密封圈保证密封和导热效果，通过导气管将气体引入收集装置并且在此过程中迅速将滞止后的超声速高温高压冷却，冻结其各组分的比例，保证其燃烧产物的稳定性。
15.综上所述，本发明具有以下有益效果：
16.1、通过本发明的装置，便于采集超燃冲压发动机燃烧室内燃烧后的产物，并可保证其组分的稳定性，从而将其用于燃烧效率的精确计算；
17.2、本发明的装置结构简单，实用性强，耐用且重复利用率高；
18.3、本发明装置能够使得采集高温气体无需使用高温电磁阀和高温储气装置，便于节约测量和收集成本。
附图说明
19.图1是本发明实施例中水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置的剖面示意图；
20.图2是本发明实施例中水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置的剖面示意图；
21.图3是本发明实施例中水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置的安装示意图；
22.图4是本发明实施例中采用本发明装置采集获得的气体组分数据图。
23.图中：1、主体外壳；2、高温合金探头；3、导气管；4、水冷循环水管；5、密封垫片；6、孔；7、内螺纹；8、外螺纹。
具体实施方式
24.以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
25.本发明的方案中，提供一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，包括主体外壳1，主体外壳1的内部为空腔；主体外壳1的迎风面间隔设置有两个带有内螺纹7的孔6；孔6内连接有高温合金探头2；孔6的尾部处焊接有位于主体外壳1内部的导气管3，且孔6内安装有用于密封及连接高温合金探头2与导气管3的密封垫片5；导气管3的出口端与主体外壳1的侧部焊接；主体外壳1上与导气管3出口同侧的侧部安装有两路水冷循环水管4，水冷循环水管4的其中一端为入口，水冷循环水管4的另一端为出口，且两路水冷循环水管4的安装位置可互换。
26.高温合金探头2的尾部为外螺纹8，高温合金探头2通过旋拧方式与主体外壳1上带
有内螺纹7的孔6螺纹连接。
27.高温合金探头2采用高合3128(高温合金牌号)作为其材料，可以有效避免在高温气流的作用下被烧蚀或者发生变形。同时高温合金探头2与导气管3间通过密封垫片5密封连接，密封垫片5采用紫铜垫片，可以有效将热量导至冷却循环水可接触的位置，使得高温合金探头2可以与冷却循环水进行热交换，进一步避免高温合金探头2的烧蚀或者变形。导气管3同样采用紫铜作为材料，因其导热性能良好，可以迅速将高温气体热量与冷却循环水进行交换，达到了所采集气体的组分不会在被收集过程中因滞止而升温进而产生其他的化学反应的目的。
28.本发明还提供一种超声速高温气体组分冻结采集方法，由本发明中的水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置进行采集，采集方法为：采用装置的结构，主体外壳1空腔内管路以及配合高温合金探头2的安装方式，将所需冷却高温气体和冷却循环水隔离开，迅速将气体热量与冷却水交换，确保采集气体的组分不会在被收集过程中因滞止而升温进而产生其他的化学反应。
29.在采集燃烧产物的超声速高温气体时，安装于超燃超压发动机的流道内其阻塞比低于20％，迎风面投影的长宽比高于8，由此可以保证超燃冲压发动机工作时总压损失较小，不影响其燃烧性能。
30.实施例：
31.本实施例如图3所示，图示为根据本发明的方案设计出的水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，并将其搭载安装于某型号的超燃冲压发动机尾喷管处的剖面示意图，配套的其他部件组成如下：采用型号代号为：xjr6bl1-200的φ6mm金属软管作为导气管3和冷却循环水管的连接管路，采用g2/2dcf10-0的高压直角式二位二通电磁阀作为控制采集端口开闭的控制装置，储气装置为7075铝合金圆柱形储气罐，容积为0.5l。
32.该装置应用于某型号超声速燃烧室地面试验中，根据试验需求，试验的来流条件为马赫数ma＝3.0，总温1650k，总压1.8mpa，采用航空煤油(china-rp3)作为燃料，燃料喷注时长为200ms，燃料输入压力为2.0mpa。
33.试验中，通过本发明的方案设计出的水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，采集获得了燃烧室下游尾喷管内燃烧产物气体，并通过色谱仪分析获得了如图4所示的气体组分数据图。经数据处理分析获得：燃烧产物中主要成分为氮气、氧气和二氧化碳(色谱仪无法测得水的含量)以及极少量的氢气和一氧化碳。co2含量为6.62％，n2为76.57％，虽然色谱仪无法测得水的含量，但不影响氮气和二氧化碳的百分比比值，因此，测量获得该车次试验的燃烧效率为75％。
34.在该实例中，采用本装置进行试验时，以航空煤油作为燃料，燃料入口输入的喷注压力为2.0mpa，搭载于来流为马赫数ma＝3.0，总温1650k，总压1.8mpa的超燃冲压发动机地面试验模型上。试验过程中，发动机点火和后续火焰发展正常，同以往试验结果相比较重复性良好，其结果测量获得燃烧效率为75％，符合该条件下超燃冲压发动机燃烧效率范围，证明本次试验结果良好可靠。
35.以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的
效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，其特征是：包括主体外壳(1)，所述主体外壳(1)的内部为空腔；所述主体外壳(1)的迎风面间隔设有两个带有内螺纹(7)的孔(6)；所述孔(6)内连接有高温合金探头(2)；所述孔(6)的尾部处焊接有位于主体外壳(1)内部的导气管(3)，且所述孔(6)内设有用于密封及连接高温合金探头(2)与导气管(3)的密封垫片(5)；所述导气管(3)的出口端与所述主体外壳(1)的侧部焊接；所述主体外壳(1)上与导气管(3)出口同侧的侧部设有两路水冷循环水管(4)，所述水冷循环水管(4)的其中一端为入口，所述水冷循环水管(4)的另一端为出口，且两路所述水冷循环水管(4)的安装位置可互换。2.根据权利要求1所述的一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，其特征是：所述高温合金探头(2)的尾部设有外螺纹(8)，所述高温合金探头(2)通过旋拧方式与所述主体外壳(1)上带有内螺纹(7)的孔(6)螺纹连接。3.根据权利要求1所述的一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，其特征是：所述高温合金探头(2)采用高合3128为材料。4.根据权利要求1所述的一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置，其特征是：所述密封垫片(5)为紫铜垫片，用于高温合金探头(2)与导气管(3)之间的密封连接；所述导气管(3)采用紫铜为材料。5.一种超声速高温气体组分冻结采集方法，其特征是：由权利要求1至4中任意一项所述的水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置进行采集，采集方法为：采用所述装置的结构，主体外壳(1)空腔内管路以及配合高温合金探头(2)的安装方式，将所需冷却高温气体和冷却循环水隔离开，迅速将气体热量与冷却水交换，确保采集气体的组分不会在被收集过程中因滞止而升温进而产生其他的化学反应。6.根据权利要求5所述的一种超声速高温气体组分冻结采集方法，其特征是：在采集燃烧产物的超声速高温气体时，安装于超燃超压发动机的流道内其阻塞比低于20％，迎风面投影的长宽比高于8。

技术总结
本发明公开了一种水冷型超声速高温气体组分冻结采集装置及方法，涉及超燃冲压发动机地面试验技术领域，其技术方案要点是：包括主体外壳；主体外壳的迎风面间隔设有两个带有内螺纹的孔；孔内连接有高温合金探头；孔的尾部处焊接有导气管，且孔内设有密封垫片；主体外壳上与导气管出口同侧的侧部设有两路水冷循环水管，水冷循环水管的其中一端为入口，水冷循环水管的另一端为出口，且两路水冷循环水管的安装位置可互换。本发明采用高温合金探头吸入超声速的高温高压气体，采用密封垫片保证密封和导热效果，通过导气管将气体引入收集装置并且在此过程中迅速将滞止后的超声速高温高压气体冷却，冻结其各组分的比例，保证其燃烧产物的稳定性。产物的稳定性。产物的稳定性。


技术研发人员：田野 钟富宇 何赞 刘源 胡悦 欧阳浩 冉伟 张娜
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2022/3/7