基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置

1.本发明涉及一种检验装置，特别是一种基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置。


背景技术：

2.高温高压燃烧室的设计制造一直是公认的难题，其具有功率密度大、空间尺寸小、高温高压等特点，并且多数此类燃烧室(例如航空发动机、燃气轮机、空气加热器、火箭发动机等)易发生不稳定燃烧，对发动机产生巨大危害(例如发动机性能下降、振动、烧蚀等)。对燃烧室内燃烧特性的研究是优化设计、提高性能的重要方法。但受限于燃烧室内的压力和温度，难以进行大面积光学开窗，更难以观测燃烧室的燃烧特性，目前仅采用压力测量的方式研究燃烧室中的动态特性，严重限制了此类燃烧室的发展。
3.在研究燃烧室的燃烧特性时，通常采用光学开窗的方法，虽然能够实现大面积燃烧室内火焰特性的研究，但其更适用于压力和温度较低的燃烧室。当压力过高时，光学开窗方法存在着如下不足，有待进行改进：
4.1.采用光学开窗耐压程度较低，在压力和温度较高时会产生玻璃破碎或密封漏气等问题。
5.2.光学开窗对燃烧室结构破坏大，在高压条件下极易破坏燃烧室整体强度，引起燃烧室应力集中，甚至引发爆炸等，也即对高压燃烧室带来了很大的结构强度的挑战。
6.目前也有通过光纤探头测量燃烧室的发光特性，但针对的基本都是常压燃烧室或者低压燃烧室。而这种在常压和低压条件下的研究结果为亚临界结论，压力较高达到超临界后其物性发生巨大变化，与亚临界条件下有明显差异，使得在低压条件下的研究结论很难推广到实际工程实践中。
7.碳氢燃料燃烧时，其最主要的发光源来自于oh*、ch*、c2*等基团，而其自发辐射会产生特定波长(oh*310nm、ch*430nm、c2*470～550nm)的光，而其余的基团则不会产生此波长的光。因此，通过特种光纤探头将燃烧室的自发辐射发光导出，结合特定波长的带通滤光片就能分析燃烧室特定位置的化学反应特性、释热特性等。进而，能够实现高温高压(高达20mpa、3000k)燃烧室中的化学反应的监测，为工程实践中高温高压燃烧室的设计提供指导。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，该基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置能实时分析燃烧室(特别是高温高压燃烧室)中的化学反应发光特性，特别适合监测燃烧过程中产生的oh*、ch*、c2*等基团的自发辐射特性，从而确定反应区域、反应释热等。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
10.一种基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，包括光纤探头、导光光纤、发光特性分析装置和冷却液泵。
11.高温高压燃烧室的其中一个燃烧室壁面中心设置有贯通的探头安装孔。
12.光纤探头包括高透光学玻璃、金属冷却套和光学法兰。
13.高透光学玻璃能使波长为100～760nm的紫外-可见光通过。
14.金属冷却套包括一体设置的圆筒套和连接帽。
15.圆筒套同轴密封套设在高透光学玻璃外周，且圆筒套密封安装在探头安装孔内。
16.连接帽的直径大于圆筒套的直径，连接帽内设置有所述光学法兰。
17.导光光纤的一端安装在光学法兰中，且位于高透光学玻璃的轴线上，能采集从高透光学玻璃透过的紫外-可见光；导光光纤的另一端与发光特性分析装置相连接。
18.圆筒套和连接帽中均设置有冷却通道，冷却通道通过冷却管道与冷却液泵相连接。
19.高透光学玻璃包括一体设置的大圆柱光学玻璃和小圆柱光学玻璃；小圆柱光学玻璃的直径不超过大圆柱光学玻璃直径的二分之一，且大圆柱光学玻璃直径不小于1mm，大圆柱光学玻璃的轴向长度等于设有探头安装孔的燃烧室壁面厚度。
20.圆筒套密封焊接在探头安装孔内。
21.圆筒套外壁面设置有外螺纹，圆筒套与连接帽的交接处设置有密封环槽，密封环槽内放置有密封垫片；圆筒套通过密封垫片和外螺纹实现与探头安装孔的螺纹密封连接。
22.密封垫片为耐高温石墨垫片。
23.连接帽与燃烧室壁面的接触面外缘同轴设置有环形的避让槽，位于避让槽内部的连接帽接触面形成为限位阻挡面。
24.连接帽内设置有标准光纤法兰接口，光学法兰螺纹安装在标准光纤法兰接口外周。
25.高透光学玻璃能耐3000k的高温和耐20mpa的高压。
26.高温高压燃烧室燃烧所使用的推进剂为甲烷和氧气；发光特性分析装置为光电倍增管，光电倍增管连接导光光纤的一端设置有430nm的带通滤光片。
27.本发明具有如下有益效果：
28.(1)采用紧凑型设计，整个特种光纤探头尺寸小，能够实现便捷安装，对燃烧室结构破坏小，能够最大限度保护燃烧室原有结构强度。
29.(2)采用耐高温水冷设计，能够实现短时间耐高温3000k。通过长螺纹或者焊接与燃烧室连接，具有耐高压特性，可达20mpa。采用长螺纹连接时结合耐高温石墨垫片，可实现可靠密封。
30.(3)适应性强，也可用于低压条件下的使用，在温度较低时也可不采用冷却。
31.(4)采用常见材料，相比光学开窗，加工工艺较为简单，实现方式更为方便快捷，能够实现燃烧室发光特性的快速诊断。
附图说明
32.图1显示了本发明基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置的结构图。
33.图2显示了本发明中光纤探头的放大结构图。
34.图3显示了本发明中光纤探头的立体图。
35.图4显示了本实施例中光电倍增管测试电压信号图。
36.其中有：
37.10.光纤探头；
38.11.金属冷却套；
39.111.圆筒套；111a.密封环槽；
40.112.连接帽；112a.限位阻挡面；112b.避让槽；112c.法兰槽；
41.113.冷却通道；114.冷却液进口；115.冷却液出口；
42.12.螺栓；13.光学法兰；14.高透光学玻璃；
43.20.燃烧室壁面；30.导光光纤；40.发光特性分析装置；50.冷却液泵；60.冷却管道。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
46.如图1所示，一种基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，包括光纤探头10、导光光纤30、发光特性分析装置40和冷却液泵50。
47.高温高压燃烧室的其中一个燃烧室壁面中心设置有贯通的探头安装孔。探头安装孔直径最小8mm即可，对燃烧室结构破坏小，基本能够维持燃烧室原本结构强度。
48.如图2和图3所示，光纤探头包括高透光学玻璃14、金属冷却套11和光学法兰13。
49.高透光学玻璃能使波长为100～760nm的紫外-可见光通过，从而能够捕捉燃烧室中多个波段的化学反应发光(100～760nm)。
50.上述高透光学玻璃包括一体设置的大圆柱光学玻璃141和小圆柱光学玻璃142；小圆柱光学玻璃的直径不超过大圆柱光学玻璃直径的二分之一，且大圆柱光学玻璃直径不小于1mm，大圆柱光学玻璃的轴向长度等于设有探头安装孔的燃烧室壁面厚度。大圆柱光学玻璃的内端面能直接与燃烧室火焰相接触，测量更准确。
51.金属冷却套包括一体设置的圆筒套111和连接帽112，优选采用耐高温合金3d打印制造。
52.圆筒套同轴密封套设在高透光学玻璃外周，且圆筒套密封安装在探头安装孔内。
53.圆筒套与高透光学玻璃之间优选采用耐高温(1520℃)的无机胶粘接，结合冷却，能充分保证光纤探头的正常工作。
54.圆筒套与探头安装孔的安装方式，优选具有如下两种：
55.1、密封焊接，焊接牢固，能耐20mpa的高压。
56.2、螺纹连接：圆筒套外壁面设置有外螺纹，圆筒套与连接帽的交接处设置有密封
环槽111a，密封环槽内放置有密封垫片(优选为耐高温石墨垫片)；圆筒套通过密封垫片和外螺纹实现与探头安装孔的螺纹密封连接。另外，外螺纹的轴向长度基本等于燃烧室壁面厚度，属于长螺纹，故而螺纹连接牢固，能耐20mpa的高压。
57.上述连接帽的直径大于圆筒套的直径，连接帽内设置有法兰槽112c，法兰槽内设置有标准光纤法兰接口(例如fc、sma等)，光学法兰优选采用螺栓12螺纹安装在标准光纤法兰接口外周。
58.导光光纤的一端安装在光学法兰中，且位于高透光学玻璃的轴线上，能采集从高透光学玻璃透过的紫外-可见光；导光光纤的另一端与发光特性分析装置相连接。
59.圆筒套和连接帽中均设置有冷却通道113，冷却通道分别具有冷却液进口114和冷却液出口115，冷却液进口114和冷却液出口115分别通过冷却管道与冷却液泵形成循环冷却系统。其中，冷却液优选为防沸液，但也可以为水。冷却工作时，冷却液通过冷却液通道流经金属冷却套11，实现光纤探头的冷却，使得高透光学玻璃能够实现短时间耐高温3000k。
60.连接帽与燃烧室壁面的接触面外缘同轴设置有环形的避让槽112b，位于避让槽内部的连接帽接触面形成为限位阻挡面112a。限位阻挡面能对圆筒套的插入深度进行阻挡限位，且进一步密封。避让槽的设置，能减小连接帽与燃烧室壁面的接触面积，快速降温。
61.本实施例中，在模型火箭发动机中进行了测试，采用甲烷/氧气推进剂组合进行了实验，温度高达3000k。在实验中发光特性分析装置采用光电倍增管，前置430nm带通滤光片，成功捕捉了燃烧室中ch*自发辐射特性，实现了模型火箭发动机中释热特性的分析。采集频率高达100000hz成功捕捉了燃烧室中的脉动释热特性，如图4所示。
62.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：包括光纤探头、导光光纤、发光特性分析装置和冷却液泵；高温高压燃烧室的其中一个燃烧室壁面中心设置有贯通的探头安装孔；光纤探头包括高透光学玻璃、金属冷却套和光学法兰；高透光学玻璃能使波长为100～760nm的紫外-可见光通过；金属冷却套包括一体设置的圆筒套和连接帽；圆筒套同轴密封套设在高透光学玻璃外周，且圆筒套密封安装在探头安装孔内；连接帽的直径大于圆筒套的直径，连接帽内设置有所述光学法兰；导光光纤的一端安装在光学法兰中，且位于高透光学玻璃的轴线上，能采集从高透光学玻璃透过的紫外-可见光；导光光纤的另一端与发光特性分析装置相连接；圆筒套和连接帽中均设置有冷却通道，冷却通道通过冷却管道与冷却液泵相连接。2.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：高透光学玻璃包括一体设置的大圆柱光学玻璃和小圆柱光学玻璃；小圆柱光学玻璃的直径不超过大圆柱光学玻璃直径的二分之一，且大圆柱光学玻璃直径不小于1mm，大圆柱光学玻璃的轴向长度等于设有探头安装孔的燃烧室壁面厚度。3.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：圆筒套密封焊接在探头安装孔内。4.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：圆筒套外壁面设置有外螺纹，圆筒套与连接帽的交接处设置有密封环槽，密封环槽内放置有密封垫片；圆筒套通过密封垫片和外螺纹实现与探头安装孔的螺纹密封连接。5.根据权利要求4所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：密封垫片为耐高温石墨垫片。6.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：连接帽与燃烧室壁面的接触面外缘同轴设置有环形的避让槽，位于避让槽内部的连接帽接触面形成为限位阻挡面。7.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：连接帽内设置有标准光纤法兰接口，光学法兰螺纹安装在标准光纤法兰接口外周。8.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：高透光学玻璃能耐3000k的高温和耐20mpa的高压。9.根据权利要求1所述的基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，其特征在于：高温高压燃烧室燃烧所使用的推进剂为甲烷和氧气；发光特性分析装置为光电倍增管，光电倍增管连接导光光纤的一端设置有430nm的带通滤光片。

技术总结
本发明公开了基于特种光纤探头的高温高压燃烧室光谱特性传导装置，包括光纤探头、导光光纤、发光特性分析装置和冷却液泵；光纤探头包括高透光学玻璃、金属冷却套和光学法兰；高透光学玻璃能使波长为100～760nm的紫外-可见光通过；金属冷却套包括圆筒套和连接帽；圆筒套同轴密封套设在高透光学玻璃外周，且圆筒套密封安装在探头安装孔内；导光光纤能采集从高透光学玻璃透过的紫外-可见光，且与发光特性分析装置相连接；圆筒套和连接帽中均设有与冷却液泵相连的冷却通道。本发明能实时分析高温高压燃烧室中的化学反应发光特性，特别适合监测燃烧过程中产生的OH*、CH*、C2*等基团的自发辐射特性，从而确定反应区域、反应释热等。反应释热等。反应释热等。


技术研发人员：任永杰 郭康康 聂万胜 徐伯起 楚威 仝毅恒 曹炜 苏凌宇 陈朋 林伟
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/12