[發明專利]直聯式超燃試驗臺燃氣取樣探針系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201310039859.9
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103162995A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 張亞;陳方
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N1/24
• 分類號: G01N1/24;G05B19/042
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

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R1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D1突變減小為直徑D2，其中，直徑D1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D1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t1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。