CN109781422A - 一种宽范围的模拟来流加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于冲压发动机直连试验领域，提供了一种宽范围的模拟来流加热装置，解决现有燃烧加热装置存在串腔的风险导致***危害，以及单台加热装置量程变比无法满足发动机试验全空域飞行模拟的试验要求技术问题。该装置包括加热装置头部、加热装置身部及加热装置喉部；加热装置头部包括喷注器、点火器、酒精接管嘴、液氧接管嘴、第一空气接管嘴、第二空气接管嘴、第三空气接管嘴、酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴；喷注器为圆盘结构，其由轴心往外依次开有同心设置且不连通的第一空气腔、环形酒精腔、环形液氧腔、第二环形空气腔、第三环形空气腔，喷注器与酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴、空气喷嘴为一体件。

Description

一种宽范围的模拟来流加热装置

技术领域

本发明属于冲压发动机直连试验领域，具体涉及一种宽范围的模拟来流加热装置。

背景技术

飞行试验中所使用的冲压发动机，从大气中吸取空气作为工质，它的内流和外流工作状况由一定飞行高度的大气参数：静压、静温和飞行马赫数决定，它的独立参数是总压、总温和飞行马赫数。在直连试验模拟技术中，利用总压、总温及飞行马赫数之间的独立关系，通过对来流空气加热达到要模拟的总温，这样来模拟发动机进气道入口气流的参数。

来流加热是对发动机进气道入口气流进行加热升温，具体温升值根据发动机飞行环境参数计算，来流加热是整个来流模拟***中最关键的部分，来流加热技术有蓄热式、电加热式及燃烧加热式，蓄热式来流模拟总温低，工作时间短，而直连试验需要模拟长程试验时往往无法进行；电加热式加热装置若流量大，耗费电能往往是惊人的，而且模拟总温低，在试验***设计时往往因电能不足而无法实现发动机全飞行区域的温度模拟，燃烧加热式燃气热流密度大，释热高，起动迅速，可进行短程和长程直连试验模拟，是来流模拟最优的解决方案。

目前使用燃烧加热式的加热装置如图1所示，包括头部喷注器04、身部05，头部喷注器上自下而上设有酒精进口02、来流空气(常温空气)进口03、液氧进口01，采用液氧、酒精同轴离心式喷嘴喷注雾化，空气直流喷嘴喷注，身部的高温燃气口06产生试验所需的高温燃气，整个喷注器各层之间采用钎焊连接07，如图2所示，但是往往因钎焊质量缺陷(或使用一段时间后钎焊质量下降)，整个喷注器各层之间存在串腔的风险，如若液氧和酒精一旦串腔将带来灾难性后果(***)，试验台在使用过程中存在因串腔引起的***性危害。同时因离心喷嘴切向孔加工复杂，一般为0.5～1.2mm的小孔，精度等级高，往往因孔的加工偏差造成流量范围的变化，会造成与设计工况的偏离，同时离心喷嘴与每个腔之间采用钎焊连接，如果单个喷嘴出口端面的局部存在微小烧蚀，那么整台加热装置将报废，试验***使用、维护存在诸多不便。

另外，采用液氧、酒精和空气的三组元环缝喷注、雾化，量程范围较小。压力雾化流量与压降的关系：流量的平方与压降成正比。因此现有加热装置均采用基于压力喷注雾化形式的喷注、雾化结构，量程变比一般为2～3倍，无法满足发动机试验全空域飞行模拟的试验要求，往往需要一定数量的加热装置才能达到试验要求，试验***一次试验只能以某台加热装置流量范围为基础策划和实施发动机试车，如果模拟来流流量调整，可能需要试验台更换加热装置，重新进行冷调、热调后再开展相关试验研究，一次试验无法跨越两台加热装置量程范围。

发明内容

本发明的目的是解决现有燃烧加热装置存在串腔的风险导致***危害，以及单台加热装置量程变比无法满足发动机试验全空域飞行模拟的试验要求的技术问题，提供了一种宽范围的模拟来流加热装置。

本发明的技术方案是：

一种宽范围的模拟来流加热装置，包括加热装置头部、加热装置身部及加热装置喉部；其特殊之处在于：所述加热装置头部包括喷注器、点火器、酒精接管嘴、液氧接管嘴、第一空气接管嘴、第二空气接管嘴、第三空气接管嘴、酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴；所述喷注器为圆盘结构，其由轴心往外依次开有同心设置且不连通的的第一空气腔、环形酒精腔、环形液氧腔、第二环形空气腔、第三环形空气腔；所述酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴均有两个进口、一个出口；所述第一空气腔一端与第一空气接管嘴相通，环形酒精腔一端与酒精接管嘴相通，第一空气腔的另一端和环形酒精腔的另一端与酒精空气雾化喷嘴的两个进口相连通，酒精空气雾化喷嘴的出口朝向加热装置身部；所述环形液氧腔一端与液氧接管嘴相通，第二环形空气腔一端与第二空气接管嘴相通，环形液氧腔的另一端和第二环形空气腔的另一端与液氧空气雾化喷嘴的两个进口相连通，液氧空气雾化喷嘴的出口朝向加热装置身部；所述酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴以喷注器轴心为圆心周向设有多个，优选为为均布；所述第三环形空气腔一端与第三空气接管嘴相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部的空气喷嘴；所述第一空气腔、环形酒精腔、环形液氧腔、第二环形空气腔、第三环形空气腔、酒精空气雾化喷嘴及液氧空气雾化喷嘴为一体件；所述点火器位于第三环形空气腔的外侧，其出口朝向加热装置身部。

进一步地，所述酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴均为“Y”型或者中间混合型喷嘴。

进一步地，所述酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴的出口相对。所述酒精空气雾化喷嘴与第一空气腔连通的进口和酒精空气雾化喷嘴出口为相通直流孔，与喷注器轴线夹角为37度，其另一个进口与喷注器轴线夹角为60度。所述液氧空气雾化喷嘴与第二环形空气腔的进口和酒精空气雾化喷嘴出口为相通直流孔，与喷注器轴线夹角为33度，其另一个进口与喷注器轴线夹角为23度，模拟来流加热效果最好。

进一步地，所述空气喷嘴为空气直流喷嘴，优选为，所述空气直流喷嘴以喷注器轴线为圆心周向分布两圈。

进一步地，所述第一空气腔的截面为圆形。

进一步地，所述酒精空气雾化喷嘴的出口与喷注器轴线夹角大于液氧空气雾化喷嘴的出口与喷注器轴线夹角。

进一步地，所述酒精空气雾化喷嘴的出口与喷注器轴线夹角为37度；

所述液氧空气雾化喷嘴的出口与喷注器轴线夹角为33度。

进一步地，所述点火器为氧气/酒精火炬点火器。

进一步地，所述加热装置头部与加热装置身部之间、加热装置身部与加热装置喉部之间均采用第一法兰和第二法兰连接，所述第一法兰和第二法兰之间设置有石墨缠绕垫片。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的宽范围的模拟来流加热装置能够进行短程和长程的点火试验，整体式加工的喷注器能够采用通用的机加和焊接实现试验台直连试验***，同时能够有效防止串腔风险，大大降低了生产和试验成本，同时具有一定的轻微烧蚀裕度；

以及液相的喷注雾化形式采用空气雾化，气相空气分层直流供应的方式，被雾化液相工质进入流通孔之后，受与之相交的高速空气流冲击、剪切而雾化，在相交点以后的混合孔中形成了气液两相同时存在的情况，因此其流量与压力的关系不是以往压力雾化型的关系：流量的平方与压降成正比，受气相的影响空气雾化喷嘴的流量范围变的更加宽泛，可以达到10～15倍，同时也改善了低压区域的雾化效果，单台加热装置能够满足发动机模拟全部包线范围(来流模拟范围宽)。

2、在喷注器设计时有意设置两相存在夹角，使得两种液相雾化后的小液滴充分的混合，为燃烧室点火燃烧做好准备。

3、加热装置身部与头部采用法兰可靠连接，身部为固定支架安装处，能够保证头部与身部分离，在拆除过程中，可以仅拆除头部或身部即可，为试验台减小了大量的工作量，也提高了试验台工作效率和准备周期。

4、气流通过整个温度模拟设备总压损失小，对燃气流的污染小，温度控制灵活，热惯性小。

附图说明

图1为现有加热装置示意图；

图2为图1中B处放大图。

其中，附图标记如下：

01-液氧进口，02-酒精进口，03-来流空气(常温空气)进口，04-头部喷注器，05-身部，06-高温燃气口，07-钎焊。

图3为本发明宽范围的模拟来流加热装置的结构示意图；

图4为本发明宽范围的模拟来流加热装置中喷注器局部剖视图；

图5为本发明宽范围的模拟来流加热装置中液氧空气雾化喷嘴的结构示意图。

其中，附图标记如下：

1-第一空气接管嘴、2-酒精接管嘴、3-液氧接管嘴、4-第二空气接管嘴、5-第三空气接管嘴、6-点火器、7-螺栓、8-加热装置头部、9-加热装置身部、10-螺母、11-第一法兰、12-第二法兰、13-空气喷嘴、14-液氧空气雾化喷嘴、15-酒精空气雾化喷嘴，16-加热装置喉部；

200-喷注器、20-第一空气腔、21-环形酒精腔、22-环形液氧腔、23-第二环形空气腔、24-第三环形空气腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供了一种宽范围的模拟来流加热装置，其加热装置头部8实现整体式加工，从根本上解决串腔风险的发生，并且在结构上加热装置头部8与加热装置身部9实现分体式安装，解决试验台使用、便于检查和维护方便。同时为了满足冲压发动机全空域(包线)的飞行模拟需求，必须在单台加热装置上完成整体全域性能试验。以往压力雾化形式的加热装置无法满足试验要求，本发明在点火器6工作正常后，供入加热装置所需液氧、酒精、空气三种工质，液氧/酒精/空气在加热装置燃烧室内稳定燃烧，出口产生试验所需的高温燃气，其量程比10～15倍，同时解决燃烧效率的修正与补氧问题，能有效防止加热装置头部8串腔风险，能够满足发动机总温300～2300K，均匀性±30K，准确性±30K，热平衡时间<50s的要求。

本发明的加热装置，如图3所述包括加热装置头部8、加热装置身部9及加热装置喉部16；所述加热装置头部8包括喷注器200、点火器6、酒精接管嘴2、液氧接管嘴3、第一空气接管嘴1、第二空气接管嘴4、第三空气接管嘴5、酒精空气雾化喷嘴15、液氧空气雾化喷嘴14；所述喷注器200为圆盘结构，其由轴心往外依次开有同心设置且不连通的第一空气腔20、环形酒精腔21、环形液氧腔22、第二环形空气腔23、第三环形空气腔24；酒精空气雾化喷嘴15、液氧空气雾化喷嘴14均有两个进口、一个出口；所述第一空气腔20一端与第一空气接管嘴1相通，环形酒精腔21一端与酒精接管嘴2相通，第一空气腔20的另一端和环形酒精腔21的另一端与酒精空气雾化喷嘴15的两个进口相连通，酒精空气雾化喷嘴15的出口朝向加热装置身部9；所述环形液氧腔22一端与液氧接管嘴3相通，第二环形空气腔23一端与第二空气接管嘴4相通，环形液氧腔22的另一端和第二环形空气腔23的另一端与液氧空气雾化喷嘴14的两个进口相连通，液氧空气雾化喷嘴14的出口朝向加热装置身部9；酒精空气雾化喷嘴15、液氧空气雾化喷嘴14以喷注器200轴心为圆心周向设有多个，优选方式为周向均布；第三环形空气腔24一端与第三空气接管嘴5相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部9的空气喷嘴13；所述第一空气腔20、环形酒精腔21、环形液氧腔22、第二环形空气腔23、第三环形空气腔24、酒精空气雾化喷嘴15及液氧空气雾化喷嘴14为一体件；所述点火器6位于第三环形空气腔24的外侧，其出口朝向加热装置身部9；所述加热装置头部8与加热装置身部9之间、加热装置身部9与加热装置喉部16之间均采用第一法兰11和第二法兰12连接，第一法兰11和第二法兰12之间通过螺栓7与螺母10进度固定，为了提高密封性，所述第一法兰11和第二法兰12之间设置有石墨缠绕垫片。

加热装置头部8采用了整体锻造、在头部结构锻造完成后仅需按照要求进行必要的机械加工，无需钎焊，就能够得到加热装置头部喷注器200部分，整体式加工能够保证液氧与酒精从设计时就能够做到两腔有效隔离，而且整体加工费用比钎焊大幅度降低。

加热装置液相的喷注雾化形式采用空气雾化，气相空气分层直流供应的方式，液相空气雾化喷注单元的结构示意图如图5所示，被雾化液相工质进入流通孔之后，受与之相交的高速空气流冲击、剪切而雾化，在相交点以后的混合孔中形成了气液两相同时存在的情况，因此其流量与压力的关系不是以往压力雾化型的关系：流量的平方与压降成正比，受气相的影响空气雾化喷嘴的流量范围变的更加宽泛，可以达到10～15倍，同时也改善了低压区域的雾化效果。

酒精空气雾化喷嘴与第一空气腔连通的进口和酒精空气雾化喷嘴出口为相通直流孔，与喷注器轴线夹角为37度，其另一个进口与喷注器轴线夹角为60度。液氧空气雾化喷嘴与第二环形空气腔的进口和酒精空气雾化喷嘴出口为相通直流孔，与喷注器轴线夹角为33度，其另一个进口与喷注器轴线夹角为23度。喷注器面中心为第一空气腔位置，酒精空气雾化喷嘴的空气进口为直流孔，与轴线夹角为37度，与相邻层(第二层)酒精孔轴线夹角为60度，酒精雾化后喷注角度与轴线夹角为37度，第三层为液氧喷注孔，与轴线夹角23度，第四层液氧雾化空气孔与轴向夹角33度，整个液氧经过空气雾化后喷注孔与轴线夹角为33度，空气喷嘴为空气直流喷嘴。空气直流喷嘴为沿圆周方向平行于喷注器轴线设置的两圈，所有喷注与雾化孔个数根据整个加热装置流量计算而得。

酒精、液氧经过相应的雾化空气喷注进入加热装置身部(燃烧室)，两者之间的夹角为70度，如图4所示，在喷注器200设计时有意设置两相存在夹角，酒精空气雾化喷嘴、液氧空气雾化喷嘴的出口方向相对设置，使得两种液相雾化后的小液滴充分的混合，为燃烧室点火燃烧做好准备。

酒***氧的混合比及氧含量根据试验要求进行调整计算，酒***氧燃烧完成后形成了“气包火”的结构，空气在燃烧室的流速高，与流速较低的燃气形成了天然的剪切作用，增强的燃气混合效果，在收缩段入口处进一步混合，保证燃气的均匀性，同时外层空气对燃烧室壁面进行冷却。

宽范围加热装置中心区域设置为雾化空气进口，第二层、第三层设置为液相层(其中第三层为酒精、第四层为液氧)，第五～七层为空气，整体设置为两侧气相，中间液相，在整体布局形式上具有独创性，而且液相雾化后喷出射流孔，在出口处形成液膜，对喷注器面进行了冷却，结合喷注器面背面为液氧、酒***相同心圆集液槽，能够同时对喷注器面背部整体冷却，使得整个喷注器200前后面得到了良好的冷却。各集液槽之间为整体机加出的隔离板，在隔离板上部焊接盖板，盖板上设置各种工质供应和测量接口，互不干涉。

因加热装置供应、测量***较多，试验完成后需要进行喷注面检查工作，就需要拆除整个供应、测量***，然后整体将加热装置拆除出来进行检查，本发明设计的加热装置身部9与头部采用法兰可靠连接，身部为固定支架安装处，能够保证头部与身部分离，在拆除过程中，可以仅拆除头部或身部即可，为试验台减小了大量的工作量，也提高了试验台工作效率和准备周期。

在该加热装置在热调试过程中，具备以下优点：

单台加热装置能够满足发动机模拟全部包线范围，来流模拟范围宽；

温度准确度较高，偏差小于±30K；

温度控制灵活，热惯性小；

出口气流均匀度小于±30K；

对燃气流的污染小；

气流通过整个温度模拟设备总压损失小。

如果加热装置喷注器面出口端面出现微小烧蚀，可将喷注器面进行拆除，通过简单的铣削加工，将烧蚀层整体铣削切除，再通过液流试验确定喷嘴的状态即可。

通过多次试验的考核，点火器6能够正常工作，点火可靠性高，无烧蚀问题。加热装置能够进行短程和长程的点火试验。整体式加工的喷注器200能够采用通用的机加和焊接实现试验台直连试验***最关键设备的生产，大大降低了生产和试验成本，同时能够有效防止串腔风险。

本发明的工作过程首先是火花塞通电、然后通入点火器6所需点火氧气和点火酒精，在火花塞放电的过程中引燃按照一定比例混合的酒精和空气的混合物，形成点火火炬，最后通入液氧、酒精、空气，由点火火炬引燃加热装置三种工质的混合物，在加热装置喉道出口形成高温燃气。当加热装置稳定工作后，即可关闭点火器6及火花塞。

Claims (10)

1.一种宽范围的模拟来流加热装置，包括加热装置头部(8)、加热装置身部(9)及加热装置喉部(16)；其特征在于：

所述加热装置头部(8)包括喷注器(200)、点火器(6)、酒精接管嘴(2)、液氧接管嘴(3)、第一空气接管嘴(1)、第二空气接管嘴(4)、第三空气接管嘴(5)、酒精空气雾化喷嘴(15)、液氧空气雾化喷嘴(14)；

所述喷注器(200)为圆盘结构，其由轴心往外依次开有同心设置且不连通的第一空气腔(20)、环形酒精腔(21)、环形液氧腔(22)、第二环形空气腔(23)、第三环形空气腔(24)；

所述酒精空气雾化喷嘴(15)、液氧空气雾化喷嘴(14)均有两个进口、一个出口；

所述第一空气腔(20)一端与第一空气接管嘴(1)相通，环形酒精腔(21)一端与酒精接管嘴(2)相通，第一空气腔(20)的另一端和环形酒精腔(21)的另一端与酒精空气雾化喷嘴(15)的两个进口相连通，酒精空气雾化喷嘴(15)的出口朝向加热装置身部(9)；

所述环形液氧腔(22)一端与液氧接管嘴(3)相通，第二环形空气腔(23)一端与第二空气接管嘴(4)相通，环形液氧腔(22)的另一端和第二环形空气腔(23)的另一端与液氧空气雾化喷嘴(14)的两个进口相连通，液氧空气雾化喷嘴(14)的出口朝向加热装置身部(9)；

所述酒精空气雾化喷嘴(15)、液氧空气雾化喷嘴(14)以喷注器(200)轴心为圆心周向设有多个；

所述第三环形空气腔(24)一端与第三空气接管嘴(5)相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部(9)的空气喷嘴(13)；

所述第一空气腔(20)、环形酒精腔(21)、环形液氧腔(22)、第二环形空气腔(23)、第三环形空气腔(24)、酒精空气雾化喷嘴(15)及液氧空气雾化喷嘴(14)为一体件；

所述点火器(6)位于第三环形空气腔(24)的外侧，其出口朝向加热装置身部(9)。

2.根据权利要求1所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述酒精空气雾化喷嘴(15)、液氧空气雾化喷嘴(14)均为“Y”型或者中间混合型喷嘴。

3.根据权利要求2所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述酒精空气雾化喷嘴(15)、液氧空气雾化喷嘴(14)的出口相对。

4.根据权利要求1或2或3所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述酒精空气雾化喷嘴(15)与第一空气腔(20)连通的进口和酒精空气雾化喷嘴(15)出口为相通直流孔，与喷注器(200)轴线夹角为37度，其另一个进口与喷注器(200)轴线夹角为60度。

5.根据权利要求4所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述液氧空气雾化喷嘴(14)与第二环形空气腔(23)的进口和酒精空气雾化喷嘴(15)出口为相通直流孔，与喷注器(200)轴线夹角为33度，其另一个进口与喷注器(200)轴线夹角为23度。

6.根据权利要求5所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述空气喷嘴(13)为空气直流喷嘴，空气直流喷嘴以喷注器(200)轴线为圆心周向分布两圈。

7.根据权利要求6所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述第一空气腔(20)的截面为圆形。

8.根据权利要求1所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述酒精空气雾化喷嘴(15)的出口与喷注器(200)轴线夹角大于液氧空气雾化喷嘴(14)的出口与喷注器(200)轴线夹角。

9.根据权利要求8所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：所述酒精空气雾化喷嘴(15)的出口与喷注器(200)轴线夹角为37度；

所述液氧空气雾化喷嘴(14)的出口与喷注器(200)轴线夹角为33度。

10.根据权利要求1所述的宽范围的模拟来流加热装置，其特征在于：

所述加热装置头部(8)与加热装置身部(9)之间、加热装置身部(9)与加热装置喉部(16)之间均采用第一法兰(11)和第二法兰(12)连接，所述第一法兰(11)和第二法兰(12)之间设置有石墨缠绕垫片。