用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器的制作方法

本发明属于只用固体燃料的燃烧方法或设备领域，涉及一种具有推动燃料通过燃烧室的驱动装置的燃烧设备，特别涉及一种带有可移动的燃料支撑面，具有可移动组件的燃料支撑面的燃烧设备。

背景技术：

固体燃烧是燃烧学、化学、能源与动力科学及上述科学技术的技术应用所涉及的重要研究领域之一。煤是当前固体燃烧研究方向最常见的的固体燃料之一，除此之外还有木材、油页岩等天然固体燃料及木炭、固体酒精、固体火箭燃料等加工而成的固体燃料。其中，固体火箭燃料是重要的前沿研究课题之一。

火箭燃料分为固体燃料和液体燃料两类。火箭固体燃料具有准备时间短、化学性质稳定、储存周期长、易于搬迁等优势。对于火箭固体燃料，氧化剂和燃料预先混合并加工成柱状固体，发射时直接点燃柱状固体即可。目前，我国已有部分型号火箭开始使用固体燃料进行推进。

固体燃料燃烧是一个相对比较复杂的过程，伴随着燃料的燃烧过程，燃料发生气化、升华等物理现象(如六次甲基四胺，燃烧过程中发生升华)，同时发生热解、氧化等复杂的化学变化，燃烧体系从单一均相体系转化为复杂的非均相反应，气-液反应，气-固反应混杂。这导致针对固体燃料燃烧和火焰的研究面临较大的困难，尤其是设计低重力、离心力、弱浮力等特殊状态下的固体火焰。针对上述问题，现阶段的研究已经提出了部分效果较好的实验装置，随研究重点的不同，实验装备的侧重点也有所不同。火焰形态(包括火焰亮度、形状等等)是燃烧研究最重要的研究重点之一，侧重于火焰形态观测的反应器需要考虑到火焰形态的稳定，避免外界因素的影响。

目前，用于固体燃料火焰形态观测的反应器基本是自设计的，我国科研机构自主设计的低重力下典型固体燃料火焰特征观测用反应舱和用于火焰特征观测和烟气成分测定的立方反应室以及用于微重力和弱浮力环境下火焰传播探测的圆柱实验舱是比较具有代表性的反应器。上述两种反应舱均指向于火箭、载人航天器等低重力条件下的固体燃料燃烧研究。

但是，针对离心力场影响、离心旋转状态下的固体燃料燃烧，目前还缺少行之有效的观测设备，而心力场和离心旋转影响下的固体燃料燃烧是火箭、载人航天器动力研究不可规避的问题。

技术实现要素：

就当前固体燃烧和火焰研究的需要，有必要设计一套新实验装置，这套装置需要能够快速有效的模拟出离心旋转的运动状态，同时需要实现封闭化，避免外界环境的影响，尽量减少对流，有稳定的点火燃烧系统，能够有效观测火焰形态和特点。针对现有技术，本发明提出一种用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器，包括反应器和观测系统。它能够有效模拟出不同转速的离心旋转的运动状态，并实现封闭化的实验环境，有效观测固体燃烧火焰，丰富离心转动状态下火焰形态的数据。本装置安全可靠，便于拆装检修。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器，包括外反应器和内反应器；

所述外反应器包括外反应器底座和外反应器盖，所述外反应器底座与外反应器盖之间设有环形钢化玻璃，所述外反应器盖、环形钢化玻璃和外反应器底座围成的空间为外反应器的内部空间；所述外反应器底座的内壁为圆柱内表面；所述外反应器底座的上部侧壁上设有2个同轴的外反应器侧孔，所述外反应器底座的底板设有中心螺纹孔，所述中心螺纹孔内装配有转轴，所述转轴外接电动机；所述外反应器的内部空间中焊接有装配平台支架，所述装配平台支架的高度低于所述外反应器侧孔的位置，所述装配平台支架上固定有装配平台，所述装配平台上设有多个方形装配孔，多个方形装配孔的定位点按照等距分布在两条十字相交线上，十字相交线的交点与装配平台的中心点重合；所述方形装配孔用于安装内反应器；

所述内反应器的顶部为半球状壳体、下部为与半球状壳体连通的圆柱壳体，由贯通的半球状壳体和圆柱壳体构成了内反应器的内部空间；所述内反应器的底部为与所述方形装配孔配合的四棱柱；所述圆柱壳体的侧壁上设有4个内反应器侧孔，4个内反应器侧孔按照周向上均布；

一个外反应器侧孔中插装有侧孔热电偶和引燃剂喷管，用于检测内反应器附近温度和喷射引燃气体，另一个外反应器侧孔中插装有另一个侧孔热电偶和电热丝点火器，所述引燃剂喷管和电热丝点火器通过内反应器侧孔插入内反应器的内部空间；

所述外反应器底座的底板上在同一圆周上均匀的设有4个底板通孔，其中2个底板通孔分别插装有底孔热电偶，用于内反应器附近的空气温度；

与所述外反应器底板上的中心螺纹孔配合的转轴在电动机的带动下转动，所述转轴带动外反应器转动，所述内反应器随装配平台转动，所述内反应器离心运动的角速度和角加速度由所述转轴控制，所述内反应器的回转半径由内反应器在装配平台上的装配位置决定。

进一步讲，本发明所述的用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器，其中，所述外反应器底座的上端和反应器盖的下端均设有卡槽，所述环形钢化玻璃卡在卡槽中，所述环形钢化玻璃与卡槽之间设有密封垫。

所述外反应器底座的底板上的另两个底面通孔用于检测烟气成分。

所述侧孔热电偶、底孔热电偶、电热丝点火器和引燃剂喷管的尾部均装有螺塞，螺塞套装有橡胶管，以确保装配侧孔热电偶、底孔热电偶、电热丝点火器和引燃剂喷管后整体不漏气。

所述侧孔热电偶和底孔热电偶所涉及的电路和所述外反应器一起转动，且不会产生线路相绞。

所述外反应器盖和外反应器底座采用钢材制成。

所述内反应器采用钢化玻璃制成。

所述外反应器盖的顶面为上隆的球面。

所述内反应器的回转轴线与所述外反应器底板上的中心螺纹孔的轴线平行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所设计的用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器，可通过外反应器转速和内反应器位置相配合的手段相对便利地实现不同转速和不同回转半径的离心旋转状态模拟，丰富不同离心运动状态下的照片数据；本发明采用环形钢化玻璃观测窗、钢化玻璃制内反应器以实现360°视角的火焰形态观测，可根据实验需要设置高速摄像机机位和数量；本发明所设计的封闭式结构结合侧孔点火系统，有利于避免外部环境因素的影响，同时减少内部流场的影响，避免点火过程中的对流；本发明采用侧孔、底孔配合热电偶排布，可实现火焰温度的准确测量；本发明整体易于维修维护，可以有效实现离心旋转状态下固体燃料燃烧火焰形态观测和火焰温度测量的整体流程。

附图说明

图1是本发明固体燃烧反应器整体结构的剖视图；

图2是图1中a处的局部放大图；

图3是本发明固体燃烧反应器整体结构外形的立体图；

图4是本发明固体燃烧反应器整体结构的主视图；

图5是图4所示固体燃烧反应器整体结构的俯视图，该图中未画出电热丝点火器12和引燃剂喷管16；

图6是图1中所示内反应器的立体图。

图中：

1-外反应器盖2-环形钢化玻璃3-外反应器侧孔

4-外反应器底座5-装配平台支架6-装配平台

7-外反应器的内部空间8-中心螺纹孔9-底板通孔

10-底孔热电偶11-侧孔热电偶12-电热丝点火器

13-内反应器14-内反应器侧孔15-方形装配孔

16-引燃剂喷管17-内反应器的底部。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提出的一种用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器，包括外反应器和内反应器。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，所述外反应器包括外反应器底座4和外反应器盖1，所述外反应器盖1和外反应器底座4采用钢材制成，所述外反应器盖1的顶面为上隆的球面；所述外反应器底座4与外反应器盖1之间设有环形钢化玻璃2，所述外反应器底座4的上端和反应器盖1的下端均设有卡槽，所述环形钢化玻璃2卡在卡槽中，所述环形钢化玻璃2与卡槽之间设有密封垫。所述外反应器盖1、环形钢化玻璃2和外反应器底座4围成的空间为外反应器的内部空间7；所述外反应器底座4的内壁为圆柱内表面；所述外反应器底座4的上部侧壁上设有2个同轴的外反应器侧孔3，所述外反应器底座4的底板设有中心螺纹孔8，所述中心螺纹孔8内装配有转轴，所述转轴外接电动机；所述外反应器的内部空间7中焊接有6个呈放射状布置的装配平台支架5，所述装配平台支架5的高度低于所述外反应器侧孔3的位置，所述装配平台支架5上固定有装配平台6，所述装配平台6上设有呈十字形等距排列的多个方形装配孔15，多个方形装配孔15的定位点按照等距分布在两条十字相交线上，十字相交线的交点与装配平台6的中心点重合；所述方形装配孔15用于安装内反应器13。

如图6所示，所述内反应器13采用钢化玻璃制成，所述内反应器13的顶部为半球状壳体、下部为与半球状壳体连通的圆柱壳体，由贯通的半球状壳体和圆柱壳体构成了内反应器的内部空间；所述内反应器13的底部为与所述方形装配孔15配合的四棱柱，并磨砂处理，该四棱柱与装配平台上的方形装配孔15可以采取间隙配合的方式插于装配平台6上，配合深度需保证内反应器13的尾部能够稳定地装配于方形装配孔15中，以确保在工作状态下不被甩出。所述圆柱壳体的侧壁上设有4个内反应器侧孔14，4个内反应器侧孔按照周向上均布。

如图1、图2和图6所示，外反应器中，一个外反应器侧孔3中插装有侧孔热电偶11和引燃剂喷管16，用于检测内反应器13附近温度和喷射引燃气体，另一个外反应器侧孔3中插装有另一个侧孔热电偶和电热丝点火器12，所述引燃剂喷管16和电热丝点火器12通过内反应器侧孔14插入内反应器13的内部空间。如图1和图4所示，所述外反应器底座4的底板上在同一圆周上均匀的设有4个底板通孔9，其中2个底板通孔9分别插装有底孔热电偶10，用于检测内反应器13附近的空气温度；另两个底面通孔9可以用于检测烟气成分。所述侧孔热电偶11、底孔热电偶10、电热丝点火器12和引燃剂喷管16的尾部均装有螺塞，螺塞套装有橡胶管，以确保装配侧孔热电偶11、底孔热电偶10、电热丝点火器12和引燃剂喷管16后整体不漏气。所述侧孔热电偶11和底孔热电偶10所涉及的电路和所述外反应器一起转动，且不会产生线路相绞。

参考图1、图4,、图5和图6，所述内反应器13的回转轴线与所述外反应器底板上的中心螺纹孔8的轴线平行。与所述外反应器底板上的中心螺纹孔配合的转轴8在电动机的带动下转动，所述转轴带动外反应器转动，所述内反应器13随装配平台6转动，所述内反应器13离心运动的角速度和角加速度由所述转轴8控制，所述内反应器13的回转半径由内反应器13在装配平台6上的装配位置决定。

本发明设计的固体燃烧反应器的核心是内反应器和外反应器分离，利用外反应器转动和内反应器摆放位置相配合，实现不同离心转动状态的模拟的设计。所述外反应器通过底板上的中心螺纹孔与地面转动轴相连，可实现不同转速；所述外反应器内部设有一个以多个横梁(装配平台支架)固定于内壁，并按十字排列的具有多个方孔的装配平台；所述内反应器底部的四棱柱插于装配平台的方形装配孔内，不同方孔装配孔对应不同的回转半径，进而对应不同的离心转动状态。本发明的固体燃烧反应器使用两个反应器配合的技术方案实现了复杂离心运动状态的模拟，操作简单，控制方便，状态快速可调，技术成熟，易于电控、拆卸和维修。

本发明中，内反应器由钢化玻璃制成，并设有多个侧孔，不但便于火焰形态的观测，而且便于设置热电偶、点火装置和引燃气体的通路。

本发明中，外反应器设有环形钢化玻璃观测窗，便于火焰形态的360°视角观测，可以根据实际需要设置观测高速摄像机的机位和数量。

本发明中，所述内反应器、外反应器中涉及的支架、平台和通孔等结构采取均匀排布，减少了应力和加工难度。

本发明中的外反应器的内部空间是封闭式，并采取侧孔点火。一方面，有利于避免外部环境因素的影响，维持稳定的燃烧过程，减少对流影响。另一方面，可实现一侧通入易燃气体一侧电热点火，点火过程不用开放封闭环境，有利于减少对流，优化点火过程。

所述外反应器的底座、环形钢化玻璃和顶盖三部分之间采用卡槽配合，易于拆卸维修和设备结构紧凑。

所述外反应器的底板开有四个沿圆周均匀排布的底板通孔，分别安设惰性气体进气、排气和两个热电偶安插孔。所述外反应器和内反应器的两个侧孔分别安设两个热电偶，与底孔热电偶配合检测燃烧温度，可实现燃烧温度的准确检测。

使用本发明进行固体燃料燃烧实验和燃烧火焰观测过程：

首先，将反应试样(固体燃料)通过内反应器侧孔14放于内反应器13的内部空间，打开钢制的外反应器盖1，根据实验需要，将多个装有固体燃料的内反应器13插入装配平台6上的方形装配孔15中；盖上钢制的外反应器盖1并确保其和环形钢化玻璃2配合良好，并在外反应器侧孔3内插入侧孔热电偶11、电热丝点火器12和引燃剂喷管16，在2个底板通孔9内插入一对底孔热电偶10，确保上述装置(侧孔热电偶11、电热丝点火器12、引燃剂喷管16和底孔热电偶10)的尾部柱塞封闭孔隙，电热丝点火器12和引燃剂喷管16需通过内反应器侧孔14插入内反应器13的内部空间，此时保持引燃剂喷管16关闭；开启气瓶向外反应器内部空间7通入空气，进排气稳定后，观测底板通孔9外接流量计的流量值，进排气流量数值接近即证明容器不漏气，可以进行实验；如漏气，按实验室规章检漏；按照实验要求通过进气的底板通孔9向外反应器内部空间7内通入气体(空气、氧气或惰性气体)，进气稳定后，如固体燃料需要引燃剂，封闭排气管，打开引燃剂喷管16，喷入适量引燃剂之后立刻关闭，再通过电热丝点火器12点燃试样；如不需要引燃剂，则直接用电热丝点火器12点燃试样；此后，撤回电热丝点火器12和引燃剂喷管16至外反应器侧孔3处，注意不移动上述装置(电热丝点火器12和引燃剂喷管16)尾部柱塞，并立刻打开与转轴8连接的电动机，带动整个外反应器转动；此后，通过提前设置好的高速摄像机拍摄所有内反应器13的360°的火焰照片；燃烧基本完成后，终止实验进气，打开排气管，泵入高压惰性气体，将烟气泵入排气管，如有烟气分析需要，将上述烟气导入后处理装置或检测、分析装置；最后，终止向检测、分析装置中的进气，将尾气通入后处理装置，等待装置完全冷却，有害气体基本排空，打开钢制的反应器盖1，收集燃烧灰渣。以上全过程的压力由进排气的底板通孔9监测，全过程试样的温度由底孔热电偶10和侧孔热电偶11监测。固体燃料燃烧各方位的火焰形态、火焰亮度由高速摄像机拍摄的照片分析。

综上用于离心旋转状态下火焰观测的固体燃烧反应器主要通过在多个离心运动可控、可知的内反应器中点燃固体燃料试样，多角度拍摄火焰照片，同时得到不同离心转动状态下的火焰参数和多角度的火焰状态照片；其中，固体燃烧对应的离心转动状态由内反应器的位置和外反应器的转动(包括角速度、角加速度)同时控制；同时，上述装置还具备分析烟气成分的功能。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。