CN115219100B

CN115219100B - 一种燃烧加热器总压测量结构

Info

Publication number: CN115219100B
Application number: CN202211147496.6A
Authority: CN
Inventors: 郭明; 晏至辉; 孙晓亮; 何修杰; 王世茂; 袁勐
Original assignee: Institute of Aerospace Technology of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Institute of Aerospace Technology of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2042-09-21
Also published as: CN115219100A

Abstract

本发明涉及空气加热器技术领域，公开了一种燃烧加热器总压测量结构，包括相互密封连接的加热器、测量装置、喷管段，所述加热器包括外壳、与所述外壳连接的气流入口、连接于所述外壳外壁的出口法兰、设于所述外壳内的加热腔，所述喷管段包括与所述出口法兰密封连接的连接法兰、与所述连接法兰连接的气流出口，所述测量装置包括引气腔、与所述引气腔连通的测压计，所述引气腔设于所述出口法兰靠近所述连接法兰一端，所述引气腔从所述出口法兰延伸至所述加热腔内。本发明解决了现有技术存在的破坏加热器的结构、改变内壳和外壳的配合关系、使用过程中容易出现漏水、影响总压测量的精度等问题。

Description

一种燃烧加热器总压测量结构

技术领域

本发明涉及空气加热器技术领域，具体是一种燃烧加热器总压测量结构。

背景技术

高温加热器是一种采用燃料和氧化剂燃烧反应的装置，该装置通过燃料和氧化剂混合燃烧产生高温气流，气流通过喷管流出，用于开展试验研究。通过燃料、氧化剂流量以及喷管喉道大小等工作参数的改变，实现加热器出口气流速度、流量、总温和总压等参数的调节。近二十年来，随着高超声速飞行器研究的开展和深入，作为地面试验设备的空气加热器，在国内外航空航天领域得到广泛的应用。空气加热器是将空气加热使其达到所要模拟的试验状态的装置，按照加热方式不同可分为电弧加热、蓄热式加热、燃烧加热和激波管加热四种类型。其中燃烧加热器是利用燃料和氧化剂在加热器燃烧室内燃烧对空气进行加热，在装置出口生成一定总温、总压和流速需求的高温气流的高温加热器。目前燃烧加热空气加热器是高超声速飞行器地面试验研究应用范围最广的试验装置。

在试验中，通常需要测量气流参数（如压强、速度、温度、流向等）中的一种或几种。目前常用的壁面静压的测量方法是在气流管道的壁面或模型的表面沿法线方向开一个小孔感受当地的静压。这种在物体表面沿法线开小孔测量局部静压的方法，对气流的扰动较小，测量准确度较高，简单方便，在空气动力学试验中得到广泛的应用。但壁面上开了测压孔后，气流流线会向孔内稍稍弯曲，这就引起一个离心力。此外，孔的前缘会引起气流分离，在后缘引起气流滞止。这些因素，均使孔内感受到的压强偏离所测静压的真值。误差的大小主要取决于孔的几何尺寸，也取决于孔附近的附面层特性。

气流的总压指气流速度等熵滞止到零时的压力。在飞机和航空发动机等与气体动力学有关的学科领域的设计和试验中是最重要的参数之一。在空气动力学试验中，测量流场中某一点的总压时，可在该点放置一根总压管。最简单的总压管是正对着气流方向开口的圆管，如图1所示。管的开口端面垂直于气流方向，另一端用导管与总压计相连通。进入开口端的气流不能再流动而被阻滞，故总压管可感受到管端开口处的局部总压。

在地面试验中，通常需要测量加热器高温气流的总压并由数据采集***反馈给控制***，然后通过调节燃料、氧化剂流量以及喷管喉道大小等参数，获得需求的试验压力，因为该压力不直接反应流场品质，仅用于调节燃烧室压力，且动压占总压的比例很低，因此通常采用测量静压的方式来实现。目前常用的高温加热器总压测量方法如图2所示，由入口法兰2、内壳、冷却水槽4、外壳、测压管20和出口法兰8等组成，通过在加热器的壁面沿法线方向开一个小孔，然后安装测压管。这种方法测量准确度较高，简单方便，在各种总压测量场合已得到广泛的应用。

但这种总压测量结构也存在一些严重的问题，在高温加热器表面沿法线方向开一个小孔，一是会破坏加热器的结构，影响加热器的强度；二是会改变内壳和外壳的配合关系；三是测压管与内壳和外壳配合处的密封问题难以解决，使用过程中容易出现漏水的问题。此外冷却水也会影响总压测量的精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种燃烧加热器总压测量结构，解决现有技术存在的破坏加热器的结构、改变内壳和外壳的配合关系、使用过程中容易出现漏水、影响总压测量的精度等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种燃烧加热器总压测量结构，包括相互密封连接的加热器、测量装置、喷管段，所述加热器包括外壳、与所述外壳连接的气流入口、连接于所述外壳外壁的出口法兰、设于所述外壳内的加热腔，所述喷管段包括与所述出口法兰密封连接的连接法兰、与所述连接法兰连接的气流出口，所述测量装置包括引气腔、与所述引气腔连通的测压计，所述引气腔设于所述出口法兰靠近所述连接法兰一端，所述引气腔从所述出口法兰延伸至所述加热腔内。

作为一种优选的技术方案，所述测压计与所述引气腔倾斜设置。

作为一种优选的技术方案，所述测压计与所述引气腔的倾斜角度范围为[10°,80°]。

作为一种优选的技术方案，还包括连接于所述外壳外壁的入口法兰。

作为一种优选的技术方案，还包括内壳，所述外壳套设于所述内壳外。

作为一种优选的技术方案，还包括设于内壳与所述外壳之间的冷却水槽。

作为一种优选的技术方案，气流出口为圆锥体状结构。

作为一种优选的技术方案，所述引气腔的纵截面的形状为圆环状。

作为一种优选的技术方案，所述引气腔的纵截面的外圆半径与内圆半径之差的为30mm~80mm。

作为一种优选的技术方案，所述引气腔的厚度范围为1mm~5mm。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

本发明采用从加热器出口法兰连接处引入压力测量的设计方式，不会破坏加热器冷却结构，有利于加热器整体强度和密封性能，避免冷却液对总压测量的影响，得到精确的压力测量数据；同时该设计方式适用于多种法兰连接管路的压力测量，更换测压计装置便捷，使用操作方便，稳定性高，可靠性强，便于在高温加热器中进行工程化应用。

附图说明

图1为总压管的结构示意图；

图2为现有技术的总压测量结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为某次试验采用本发明测得的压力曲线图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、气流入口，2、入口法兰，3、外壳，4、冷却水槽，5、内壳，6、加热器，7、测压计，8、出口法兰，9、测量装置，10、引气腔，11、连接法兰，12、喷管段，13、气流出口，14、加热腔，20、测压管。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图4所示，本发明在现有总压测量结构的基础上，采用从加热器出口法兰连接处引入压力测量的设计方式，设计了一种不会破坏加热器结构、不影响加热器装配关系和密封性的总压测量结构。该结构适用于所有法兰连接结构的总压测量，该总压测量结构制造简单，使用操作、维护方便，可靠性强，便于在燃烧加热器中进行工程化应用。

本发明针对高温加热器的总压测量问题，采用从加热器出口法兰连接处引入压力测量的设计方式，发明了一种加热器总压测量的结构。该结构在法兰密封部位至管道内壁面之间的圆环形区域留一段缝隙引入加热器气流，在法兰上钻一倾斜小孔安装总压测量装置。该设计方式不影响加热器水冷结构，有利于加热器整体强度和密封性能。同时该设计方式适用于多种法兰连接管路的压力测量，使用操作和维护较为方便。

本发明提供了一种用于高温加热器的总压测量装置，包括加热器6、测量装置9、喷管段12。测量装置结构示意图如图3所示。其中，加热器6由气流入口1、入口法兰2、外壳3、冷却水槽4、内壳5和出口法兰8组成；测量装置9由测压计7和引气腔10组成；喷管段12由连接法兰11和气流出口13组成。

作为一种优选的技术方案，所述引气腔10的纵截面的形状为圆环状。

所述引气腔10为中空的圆筒状结构，将所述外壳3套设于内，环绕所述外壳3一周。这样的结构便于制作。

作为一种优选的技术方案，所述引气腔10的纵截面的外圆半径与内圆半径之差的为30mm~80mm。

作为一种优选的技术方案，所述引气腔10的厚度范围为1mm~5mm。

以上尺寸的设计，便于本发明适用于比较广泛的加热器应用场景。

本发明的总压测量装置不会破坏高温加热器的结构，在出口法兰开小孔用于安装测压计，孔径很小不会影响法兰的强度，同时不会破坏加热器冷却结构和冷却效果；此结构不会涉及到测压计与内壳和外壳的装配，因此密封性能好，不会出现冷却液泄露的问题；在法兰密封结构以内开引气腔将燃烧室气流引入，引气腔与加热器内压强一致，可以保证测量的准确性。

本发明能够适应所有法兰连接的管件，整个总压测量装置结构简单，部件更换便捷，操作调节方便，稳定性高，可靠性强，便于在高温加热器中进行工程化应用。

本发明测得的压力为高温加热器的静压，在相关试验中测得的压力主要用于调节加热器参数，且动压占总压的比例很低，因此可以认为此方法测得的即为加热器总压。以状态Ma7、28Km为例，燃气各组分摩尔含量为水（0.1844）、二氧化碳（0.1229）、氧气（0.21）和氮气（0.4827）。

燃气的摩尔质量：

（1）

燃气密度：

（2）

加热器的面积：

（3）

流速：

（4）

燃气动压：

（5）

由以上条件可得动压占总压的比例：

（6）

可知动压占总压的比例约为3‰，因此可以认为使用此方法测得的压力即为燃气总压。

其中：

——水的摩尔质量，18g/mol；

——二氧化碳的摩尔质量，44g/mol；

——氧气的摩尔质量，32g/mol；

——二氧化碳的摩尔质量，28g/mol；

——燃气总压，2.625MPa；

——通用气体常数，8.314J/(mol*k)；

——燃气温度，2033K；

——加热器的直径，0.16m；

——燃气总流量，5.4689kg/s。

某次试验采用本发明测压装置测得的压力曲线如图4所示。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，包括相互密封连接的加热器（6）、测量装置（9）、喷管段（12），所述加热器（6）包括外壳（3）、与所述外壳（3）连接的气流入口（1）、连接于所述外壳（3）外壁的出口法兰（8）、设于所述外壳（3）内的加热腔（14），所述喷管段（12）包括与所述出口法兰（8）密封连接的连接法兰（11）、与所述连接法兰（11）连接的气流出口（13），所述测量装置（9）包括引气腔（10）、与所述引气腔（10）连通的测压计（7），所述引气腔（10）设于所述出口法兰（8）与所述连接法兰（11）之间,所述引气腔（10）为中空的圆筒状结构,所述引气腔（10）将所述外壳（3）套设于内,所述引气腔（10）环绕所述外壳（3）一周，引气腔（10）的外周通过所述出口法兰（8）与所述连接法兰（11）接触密封，所述引气腔（10）从所述出口法兰（8）延伸至所述加热腔（14）内。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，所述测压计（7）与所述引气腔（10）倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，所述测压计（7）与所述引气腔（10）的倾斜角度范围为[10°,80°]。

4.根据权利要求3所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，还包括连接于所述外壳（3）外壁的入口法兰（2）。

5.根据权利要求4所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，还包括内壳（5），所述外壳（3）套设于所述内壳（5）外。

6.根据权利要求5所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，还包括设于内壳（5）与所述外壳（3）之间的冷却水槽（4）。

7.根据权利要求6所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，气流出口（13）为圆锥体状结构。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，所述引气腔（10）的纵截面的形状为圆环状。

9.根据权利要求8所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，所述引气腔（10）的纵截面的外圆半径与内圆半径之差的范围为30mm~80mm。

10.根据权利要求9所述的一种燃烧加热器总压测量结构，其特征在于，所述引气腔（10）的厚度范围为1mm~5mm。