CN101907043B - 高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统及方法，包括控制系统、燃烧器、换热器、酒精汽化器、燃烧室，控制系统通过参数输入及流调阀对燃烧室中的工况进行调节；燃烧室为真实尺寸的发动机头部，其氧化剂入口和燃料入口分别与换热器和酒精汽化器相通，其氧化剂入口处设置有音速孔板、压力测点和温度测点，其燃料入口处设置有音速孔板、压力测点和温度测点；换热器的冷空气入口处设置有冷空气流调阀，换热器的热源为燃烧器；本发明解决了现有模拟试验采用真实发动机和真实工况所导致的成本高、周期长、安全性能差的技术问题，具有试验费用极低、降低了经济和人力成本。

Description

高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统及方法

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机燃烧室高频燃烧试验工艺技术领域，具体是一种采用全过程的工况自动调节试验系统及方法，在目标燃烧室中激发出高频不稳定燃烧过程。可用于液体火箭发动机的燃烧稳定性研究上。

背景技术

液体火箭发动机高频不稳定燃烧是破坏性最强的不稳定燃烧，是每个发动机都涉及到的问题，是发动机研制中需要解决的关键问题。在液体火箭发动机的研制过程中，它可以用于推力室混合头部的设计方案选择和燃烧稳定性裕度的验证试验，也可以用于发动机故障分析和设计方案改进后的验证试验。由于这种试验可以采用模拟工质在低室压下进行，因此试验费用极低。试验系统采用模块化设计，可以进行多种发动机组合件的热、冷试验。我国的燃烧稳定性研究相对落后，目前国内无专门研究液体火箭发动机燃烧室燃烧不稳定性的设备及技术。对于采用全过程模拟试验进行相关研究的试验工艺技术也没有专利或技术文献的公开。以前多用真实发动机和真实工况进行，但随着发动机推力和室压的不断提高，这种方法不仅成本高，周期长，而且具有很大的危险性。

在我国现有的发动机研究中，极有可能会遇到燃烧室的燃烧不稳定性问题。因此，这种试验工艺可以对发动机燃烧室进行高频燃烧稳定性评估、抽检、试验，验证每一种燃烧室的稳定性裕度，以便设计人员选择稳定性裕度大的方案。通过本发明的实施，将会有效的提高研制进度，降低成本，为发动机的研制提供一种保障条件。

发明内容

本发明目的是提供一种高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统及方法，其解决了现有模拟试验采用真实发动机和真实工况所导致的成本高、周期长、安全性能差的技术问题。

本发明解决问题的技术方案：

高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统，其特征在于：包括控制系统、燃烧器、换热器、酒精汽化器、燃烧室，

所述控制系统通过参数输入及流调阀对燃烧室中的工况进行调节；

所述燃烧室为真实尺寸的发动机头部，其氧化剂入口和燃料入口分别与换热器和酒精汽化器相通，其氧化剂入口处设置有音速孔板DPH4、压力测点P5和温度测点T2，其燃料入口处设置有音速孔板DPH3、压力测点P6和温度测点T3；

所述换热器的冷空气入口处设置有冷空气流调阀DPP3，所述换热器的热源为燃烧器；

所述燃烧器的氧化剂入口处设置有燃烧器空气流调阀DPP2、音速孔板DPH1和压力测点P1，所述燃烧器的燃料入口设置有燃烧器酒精流调阀DPP4、涡轮流量计PM1和PM2、压力测点P2；

所述酒精汽化器的空气入口设置有汽化器空气流调阀DPP1、音速孔板DPH2、压力测点P4和温度测点T1，所述酒精汽化器的酒精入口设置有汽化器酒精流调阀DPP5、涡轮流量计PM3和PM4、压力测点P3。

高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1]输入初始要求值，调整五个流调阀的初始状态：

输入每个流调阀对应的压力、温度、流量初始要求值，控制系统计算出流调阀开度所对应的电压值，执行机构进行调整，达到燃烧器空气流调阀、燃烧器酒精流调阀、汽化器空气流调阀、汽化器酒精流调阀、冷空气流调阀的初始状态；

2]调整参数：

a.选取试验中燃烧室所需热空气流量，调节冷空气流调阀DPP3；

b.根据a条确定的燃烧室所需热空气流量，选取燃烧器的空气流量，调节燃烧器空气流调阀DPP2；

c.根据a条确定的燃烧室所需热空气流量，选取酒精汽化器的空气流量，调节汽化器空气流调阀DPP1；

3]进入模拟试验：

人工反复调整燃烧器酒精流调阀DPP4和汽化器酒精流调阀DPP5，从而调整酒精汽化器的余氧系数和燃烧器余氧系数，直至出现高频振荡，否则重新调整参数；

4]记录发生高频振荡时相关的工况参数，完成燃烧室工况一次有效的调节过程。

上述每个流调阀对应的压力、温度、流量初始要求值按照以下步骤获得：

通过一系列的调试，得到每一个流调阀的当量流通系数μF值和位移传感器电压的关系曲线及其拟合公式；将此拟合公式输入控制系统，手动将流量控制开关拨至某个档位，控制系统根据这个档位所设定的流量值，计算此流量下的μF值。

上述燃烧室工作时其余氧系数范围为0.6～1.1；所述酒精汽化器的余氧系数范围为0.06～0.15；所述燃烧器的余氧系数范围为3～6。

上述空气流量采用音速孔板测量；所述酒精流量采用涡轮流量计测量；所述压力和温度采用压力传感器和温度传感器测量。

本发明与现有技术相比较所具有的优点：

1、由于本发明可以采用模拟工质及模拟工况在低室压下进行，因此试验费用极低。

2、本发明的模块化设计的多系统控制系统形成了5个独立的自动调压单元，3个工况自动控制单元和1个试验过程控制单元。各个单元可以独立运行也可联同工作，降低了系统调试阶段的工艺难度。本发明使得复杂试验系统及试验过程实现了全过程自动化，保证了试验供应系统的参数稳定。试验人工控制环节减少了50％。提高了系统的自动化运行水平和试验效率，降低了大型试验中人工控制带来的不稳定因素，降低了经济和人力成本。

3、本发明创新设计了全过程模拟自动调节方法，针对5个试验参数进行自动调节，通过各种不同的参数配比，在试件燃烧室中激发出高频不稳定燃烧。压力自动调节工艺使系统中贮箱的增压、排气、调节、吹除实现了全时自动化，保证了试验供应系统的参数稳定。

附图说明

图1为本发明的高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统的结构示意图；

图2为本发明的高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法中热空气流量动态稳定示意图；

图3为本发明的高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法中余氧系数动态稳定示意图。

具体实施方式

本发明的技术方案是这样实现的：

高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节系统，包括控制系统、燃烧器、换热器、酒精汽化器、燃烧室。

燃烧室为真实尺寸的发动机头部，其氧化剂入口和燃料入口分别与换热器和酒精汽化器相通，其氧化剂和燃料分别为350～450℃的纯净热空气和温度为400℃左右的酒精蒸汽，工作时其余氧系数范围为0.6～1.1。热空气依靠换热器来提供，冷空气经过换热器的加热后，形成压力为5MPa左右的热空气提供给燃烧室。燃烧室氧化剂入口处设置有音速孔板DPH4、压力测点P5和温度测点T2，燃烧室燃料入口处设置有音速孔板DPH3、压力测点P6和温度测点T3；

换热器的热源为1～2(根据需要选择)台燃烧器，提供2～10kg/s、温度为400～500℃的富氧热燃气，工作时燃烧器的余氧系数范围为3～6。换热器的冷空气入口处设置有冷空气流调阀DPP3，换热器的热源为燃烧器；燃烧器的工作介质为空气和酒精，流量由燃烧器空气流调阀DPP2和燃烧器酒精流调阀DPP4来调节。进入燃烧室的热空气流量由冷空气流调阀DPP3来调节。燃烧器的氧化剂入口处设置有燃烧器空气流调阀DPP2、音速孔板DPH1和压力测点P1，燃烧器的燃料入口设置有燃烧器酒精流调阀DPP4、涡轮流量计PM1和PM2、压力测点P2；

酒精蒸汽依靠酒精汽化器提供，酒精汽化器的工作介质为空气和酒精，酒精和空气在酒精汽化器中燃烧，并将酒精汽化。流量由汽化器空气流调阀DPP1和汽化器酒精流调阀DPP5来调节。工作时，酒精汽化器的余氧系数范围为0.06～0.15。酒精汽化器的空气入口设置有汽化器空气流调阀DPP1、音速孔板DPH2、压力测点P4和温度测点T1，酒精汽化器的酒精入口设置有汽化器酒精流调阀DPP5、涡轮流量计PM3和PM4、压力测点P3。

流调阀的执行机构的工作方式为：通电工作，断电停止。可脉冲工作，也可持续工作，最小有效通电脉冲为20ms。所有的空气流量测量均采用音速孔板测量。酒精流量采用涡轮流量计来测量。管路上安装有压力传感器和温度传感器，参数测量结果进入控制系统参与计算，提供控制系统的调节依据。控制系统通过参数输入及流调阀对燃烧室中的工况进行调节；通过控制系统的控制台上的参数输入及调节装置，对燃烧室中的工况进行调节，在燃烧室中激发出高频不稳定燃烧。

本发明采用计算机和控制软件及算法，由控制系统根据试验过程中不同的工况要求，通过控制台对试验全过程的5个试验参数进行实时调节和自动匹配，以改变试件燃烧室中的实时工况，在某一个特定工况下，燃烧室中将激发出高频不稳定燃烧。空气流量的调节实质是流调阀根据控制系统的指令，调节空气流调阀的开度，将音速孔板前的压力(即流调阀的出口压力)稳定在预先设定的值。而余氧系数的调节，实质是控制系统根据预设的余氧系数和当前燃烧设备的实时空气流量，计算所需要的酒精流量，调整酒精流调阀的开度，使得酒精流量稳定在实时计算值。流调阀的初始开度和系统其它初始参数由控制系统自动定位。

采用本发明，需达到以下技术指标：

a.保证给定的流量和压力值，各参数调节精度小于2％；

b.工作时，其调节时间小于3s，在3s内将参数调节到要求值；

c.进入燃烧室的热空气其流量和温度可以调节；

d.酒精汽化器的余氧系数应在0.06～0.12范围内可调，余氧系数的调节可以采用改变酒精流量的方法，也可以采用改变空气流量的方法。

e.试验时，燃烧器的余氧系数应在2.8～4范围内可调，其最终影响的参数为热空气的温度值。

f.试验中参数的调节最终应保证燃烧室的余氧系数范围为0.6～1.1

本发明的试验工艺方法的工作过程是：

参见图1，一次有效的工况调节应符合以下步骤：

1、输入初始要求值，调整五个流调阀的初始状态：

输入压力、温度、流量等初始要求值，控制系统计算出流调阀开度所对应的电压值，执行机构进行调整，达到流调阀的初始状态；

2、调整参数：

a.选取该次试验中燃烧室所需的热空气流量；调节冷空气流调阀DPP3；

b.根据a条确定的热空气流量，人工选取燃烧器的空气流量；调节燃烧器空气流调阀DPP2；

c.根据a条确定的热空气流量，选取酒精汽化器的空气流量；调节汽化器空气流调阀DPP1；

3进入模拟试验：

人工反复调整燃烧器的余氧系数和酒精汽化器的余氧系数，直至出现高频振荡，否则重新调整参数；

调节燃烧器的余氧系数，调节燃烧器酒精流调阀DPP4；其效果是改变a步骤热空气的温度；调节酒精汽化器的余氧系数，调节汽化器酒精流调阀DPP5；其实质是改变酒精蒸汽的流量和温度；

4、记录发生高频振荡时相关的工况参数。

在步骤3中，热空气流量按照图2保持动态稳定；

在步骤3中，余氧系数按照图3保持动态稳定。

按照以上步骤，就可以完成燃烧室工况一次有效的调节过程。

流调阀的初始开度和系统其它初始参数决定了系统工作最初1～2秒的工况。由输入及调节调节装置的初始档位自动完成。首先，流调阀的特性决定了其每一个开度对应一个位移传感器电压，每一个开度又有其固定的当量流通系数μF。因此，通过一系列的调试，可以得到每一个流调阀的μF值和位移传感器电压的关系曲线及其拟合公式。将此拟合公式输入控制系统，手动将流量控制开关拨至某个档位，控制系统根据这个档位所设定的流量值，计算此流量下的μF值。

此过程可以概括为：输入压力、温度、流量等初始要求值，控制系统计算出流调阀开度所对应的电压值，执行机构进行调整，达到流调阀的初始状态。系统启动后，工艺系统和控制系统开始进行工况自动稳定与调节。

控制流程参看图2。如果在试验中，手动改变参数输入及调节的档位，则相当于改变了输入值流量，此时流调阀的目标值改变为一个新值，重复执行控制流程。控制算法由计算机和控制软件来完成，可以保证经过流调阀的流量稳定在某个档位所预先赋予的流量值。完成参数的自动调节与稳定过程。通过不断的参数匹配，最终可以激发出燃烧室的高频振荡燃烧。

本发明工作原理：本发明将试验中的工况调节分为两类：空气流量调节和余氧系数调节。空气流量的调节实质是流调阀根据控制系统的指令，调节空气流调阀的开度，将音速孔板前的压力(即流调阀的出口压力)稳定在预先设定的值。而余氧系数的调节，实质是控制系统根据预设的余氧系数和当前燃烧设备的实时空气流量，计算所需要的酒精流量，调整酒精流调阀的开度，使得酒精流量稳定在实时计算值。流调阀的初始开度和系统其它初始参数由控制系统自动定位。试验开始后，通过控制台对5个试验参数进行匹配，以改变试件燃烧室中的实时工况，在某一个特定工况下，燃烧室中将激发出高频不稳定燃烧。本发明中，流调阀又称流量调节器。

Claims (4)

1.一种高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1】搭建自动调节系统：

自动调节系统包括控制系统、燃烧器、换热器、酒精汽化器、燃烧室，

所述控制系统通过参数输入及流调阀对燃烧室中的工况进行调节；

所述燃烧室为真实尺寸的发动机头部，其氧化剂入口和燃料入口分别与换热器和酒精汽化器相通，其氧化剂入口处设置有音速孔板（DPH4）、压力测点（P5）和温度测点（T2），其燃料入口处设置有音速孔板（DPH3）、压力测点（P6）和温度测点（T3）；

所述换热器的冷空气入口处设置有冷空气流调阀（DPP3），所述换热器的热源为燃烧器；

所述燃烧器的氧化剂入口处设置有燃烧器空气流调阀（DPP2）、音速孔板（DPH1）和压力测点（P1），所述燃烧器的燃料入口设置有燃烧器酒精流调阀（DPP4）、涡轮流量计（PM1，PM2）、压力测点（P2）；

所述酒精汽化器的空气入口设置有汽化器空气流调阀（DPP1）、音速孔板（DPH2）、压力测点（P4）和温度测点（T1），所述酒精汽化器的酒精入口设置有汽化器酒精流调阀（DPP5）、涡轮流量计（PM3，PM4）、压力测点（P3）；

2]输入初始要求值，调整五个流调阀的初始状态：

输入每个流调阀对应的压力、温度、流量初始要求值，控制系统计算出流调阀开度所对应的电压值，执行机构进行调整，达到燃烧器空气流调阀、燃烧器酒精流调阀、汽化器空气流调阀、汽化器酒精流调阀、冷空气流调阀的初始状态；

3]调整参数：

a.选取试验中燃烧室所需热空气流量，调节冷空气流调阀（DPP3）；

b.根据a条确定的燃烧室所需热空气流量，选取燃烧器的空气流量，调节燃烧器空气流调阀（DPP2）；

c.根据a条确定的燃烧室所需热空气流量，选取酒精汽化器的空气流量，调节汽化器空气流调阀（DPP1）；

4]进入模拟试验：

人工反复调整燃烧器酒精流调阀（DPP4）和汽化器酒精流调阀(DPP5)，从而调整酒精汽化器的余氧系数和燃烧器余氧系数，直至出现高频振荡，否则重新调整参数；

5]记录发生高频振荡时相关的工况参数，完成燃烧室工况一次有效的调节过程。

2.根据权利要求1所述高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法，其特征在于：所述每个流调阀对应的压力、温度、流量初始要求值按照以下步骤获得：

通过一系列的调试，得到每一个流调阀的当量流通系数μF值和位移传感器电压的关系曲线及其拟合公式；将此拟合公式输入控制系统，手动将流量控制开关拨至某个档位，控制系统根据这个档位所设定的流量值，计算此流量下的μF值。

3.根据权利要求1或2所述高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法，其特征在于：

所述燃烧室工作时其余氧系数范围为0.6～1.1；所述酒精汽化器的余氧系数范围为0.06～0.15；所述燃烧器的余氧系数范围为3～6。

4.根据权利要求3所述高频燃烧不稳定性全过程模拟试验自动调节方法，其特征在于：

所述空气流量采用音速孔板测量；所述酒精流量采用涡轮流量计测量；所述压力和温度采用压力传感器和温度传感器测量。

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