[發明專利]一種評估涂層燃燒室壁面對液膜冷卻影響的測試系統及方法

有效

• 申請號: 201711155422.6
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107966529B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 張榛;毛曉芳;汪鳳山;蔡坤;沈巖;陳君;王平;高晨光;汪旭東;孫超;周磊;宋新河;冉鵬;姜鵬;李建軍
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01N21/85
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 任林沖

本發明公開了一種評估涂層燃燒室壁面對液膜冷卻影響的測試系統及方法，基于實驗室測量的液滴速度、粒徑和可加熱控溫的真實燃燒室涂層試片，模擬液滴撞壁的真實過程，通過高速攝影捕捉液滴撞壁后的發展情況，判斷液滴破碎的臨界韋伯數，并通過改變液滴入射韋伯數和試片溫度，找到液滴發展情況隨著入射韋伯數和試片溫度變化的劃分機制和數學模型，以指導離心式噴嘴設計，使液滴群在撞壁燃燒過程中落入到理想的機制范圍內。

技術領域

本發明涉及一種評估涂層燃燒室壁面對液膜冷卻影響的測試系統及方法，屬于航天推進技術領域。

背景技術

離心式液體火箭發動機是空間雙組元姿軌控發動機的一個重要類別，因其采用離心式噴注器作為推進劑霧化及混合的裝置而得名。這種發動機具有較好的火焰維持能力，在較寬的混合比范圍內都可以穩定點火，其天然的噴射均勻性使發動機具有非常好的點火安全性和工作可靠性。

離心式發動機借助離心式噴嘴的旋流作用使氧化劑和燃燒劑分別形成中空的霧化液錐，進入燃燒室內蒸發、摻混和燃燒。在燃燒室內，由噴嘴噴射出來的大部分液滴來不及蒸發便直接撞擊到燃燒室壁面，與壁面作用產生反彈、飛濺、懸浮、鋪展等一系列的行為，之后才會進一步的進行燃燒。燃燒的越充分，則發動機性能越高，但是也會導致材料承受溫度過高的問題。所以，燃燒和冷卻之間的平衡問題，是發動機設計需要解決的主要矛盾。

對于離心式發動機，其燃燒和冷卻是相互關聯耦合的。旋流霧化的液滴噴射出來以后，一部分液滴撞擊壁面后，會附壁發展形成冷卻液膜，而另一部分液滴在撞壁后將會進入燃燒室內快速的蒸發摻混并燃燒。所以，推進劑噴霧撞壁的情況一方面關系到發動機的冷卻特性，另一方面決定了兩種推進劑蒸氣分布及摻混的狀態，除了影響發動機性能之外，如果摻混不均容易在擴散燃燒過程中形成局部高溫，反過來破壞液膜導致發動機工作溫度升高，可靠性下降。

因此，首先需要合理量化冷卻，液滴附壁量過多導致過量冷卻，雖然可以有效降低壁面溫度，但同時因為邊區低氧混合而帶來無效燃燒問題從而降低發動機性能；其次，需要實現高效摻混，通過壁面有效作用，能夠使更多的燃料可以反彈、飛濺進入富氧中心區參與燃燒，可以有效提高發動機比沖。

目前，離心式發動機的研制，尤其是對于冷卻效果的評估，主要是通過大量的試車試驗進行測試，尤其對于液膜冷卻缺乏機理基礎研究的支撐，對影響冷卻的各項因素考慮不夠全面，難以建立起霧化參數、壁面狀態與最終點火溫度之間的相互關系，且驗證成本很高，通常對如液滴撞壁后的速度、粒徑和形態以及形成液膜的厚度、長度等信息數據無法獲取，對于發動機進一步的優化缺乏明確的指導作用。

發明內容

本發明的技術解決問題是：為克服現有技術的不足，提出一種評估涂層燃燒室壁面對液膜冷卻影響的測試系統及方法，通過改變液滴入射韋伯數和試片溫度，找到液滴發展情況隨著入射韋伯數和試片溫度變化的劃分機制和數學模型。

本發明的技術解決方案是：

一種評估涂層燃燒室壁面對液膜冷卻影響的測試系統，包括液滴發生器、燃燒室涂層試驗樣件、電加熱底板、熱電偶、溫度控制器、上位機、高速攝影機、長焦顯微鏡頭、同步信號裝置以及頻閃光源，溫度控制器與電加熱底板及熱電偶連接，電加熱底板放置于燃燒室涂層試驗樣件底部，對燃燒室涂層試驗樣件按照發動機點火實際狀態進行加熱，在燃燒室涂層試驗樣件側面粘貼熱電偶，對燃燒室涂層試驗樣件實時溫度進行測量，溫度控制器實時采集熱電偶數據，并與系列目標溫度進行比對，以控制電加熱底板的通斷電，使燃燒室涂層試驗樣件的溫度與系列目標溫度一致；

長焦顯微鏡頭裝入4000幀/秒以上的高速攝影機上，通過上位機對高速攝影機進行開關、視場選取以及對焦，并對最終生成的圖像進行存儲及處理；

同步頻閃光源與高速攝影機通過同步信號裝置進行連接，通過對同步信號裝置的控制實現頻閃光源和高速攝影設備的同步觸發；