CN102229360B - 一种航空煤油高温燃气流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空煤油高温燃气流发生装置，在燃烧室入口以高效不锈钢电加热器阵列取代传统一级预燃烧方式，对燃气发生的两个火焰筒采用两台变频泵分别独立供油方式，高温管道采用水冷内保温结构形式。该航空煤油高温燃气流发生装置产生的燃气流温度高达2100K，温度均匀度3K/mm，可满足飞行器气动热结构试验需求。

Description

一种航空煤油高温燃气流发生装置

技术领域

本发明涉及一种航空煤油的常压高温燃气流发生装置，其燃气流温度高达2100K，温度均匀度3K/mm，可满足飞行器气动热结构试验需求。

背景技术

航空煤油常压燃烧产生高温燃气流可以用于加热试件，满足飞行器气动热结构试验需求。试件区燃气流温度是热模拟试验的一个重要性能指标，其值越高，可以模拟气动热及其对应飞行速度越高。

理论上，常压、不加氧情况，航空煤油与空气按照最佳化学当量混合比燃烧产生最高燃气流温度为2300K。目前，受燃烧室冷却和设计技术限制，我国有文献公开报道常压、不加氧情况下航空煤油与空气燃烧产生燃气流实测最高温度为1973K(约1700℃)。其基本流程如图5所示，空气流经一级燃烧室51预燃烧后达到200℃左右，然后经过一级稳定段52稳定整流后进入主燃烧室54。主燃烧室54所用的燃油由单管路供油系统53提供。

主燃烧室54采用是常压双级环管蒸发式结构。图6所示的是一种典型的现有常压双级环管蒸发式结构，它包括进口扩张段61、中心注油器62、环形注油器63、中心火焰筒64、环形火焰筒65、出口水冷收敛段66、点火器67和燃烧室外筒体68、。其中，中心火焰筒63位于主燃烧室54的前段中心，而环形火焰筒65位于主燃烧室54的中后段。进入主燃烧室54的空气同时为两个火焰筒所用，即一部分为中心火焰筒63所用；另一部分为环形火焰筒65所用。一定质量流量的空气进入主燃烧室54，两个火焰筒空气流量分配由燃烧室结构和火焰筒上每一排进气口结构决定。

两个火焰筒均有自己的注油器，即中心火焰筒64由中心注油器62注油，环形火焰筒65由中心注油器63注油。两个火焰筒采用一路供油方式，一定质量流量燃油进入燃烧室，两个火焰筒燃油流量分配由各自的结构决定。

这样，两个火焰筒实际油气比往往受燃烧室结构设计和加工精度的影响很大，偏离了最佳设计状态点，进而严重影响燃烧室实际性能及出口燃气流温度。另外，燃气流热模拟试验系统中，燃烧室出口燃气流一般须经过一段稳定和整流高温管道55后才能作用到被试件。这段高温管道55长约2m左右，且需要采用水冷方式，进而给燃气流造成较大的温度损失。为此，如何进一步提高和保障试件区燃气流温度是关系到燃气流热模拟试验范围的关键问题。

发明内容

本发明目的是在上述双环蒸发管燃烧室基础上，进一步提高试件区燃气流温度，扩展燃气流热模拟试验适用范围。

本发明解决其技术问题所采用的主要技术方案包括：

1)在燃烧室入口以高效不锈钢电加热器阵列取代上述一级预燃烧方式，避免了一级预燃烧方式降低空气流中氧含量的问题，同时可以将燃烧室入口气流温度提高到500℃，进而在进一步提高了主燃烧室燃烧效率和进出口燃气流温升的同时，可以大大提高燃烧室出口燃气流温度。

2)取代原一路供油方式，两个火焰筒采用两台变频泵分别独立供油方式，并在调试过程中，对两个火焰筒燃油分配比例值进行修正，以弥补燃烧室设计和加工误差做成的影响，保障燃烧室性能及燃气流出口温度。

3)燃烧室出口高温管道采用单纯水冷套结构造成燃气流温度损失很大，同时水冷管壁处气流温度低，喷口截面燃气流温度分布均匀性差。为此，燃烧室出口至试验段入口高温管道采用水冷内保温结构形式，即在水冷不锈钢管道内衬以氮化硅结合碳化硅的耐高温陶瓷材料，以提高壁面处燃气流温度及喷口截面温度分布均匀性。同时，在陶瓷内衬与水冷管道间填充一种主要成分是氧化锆的耐2000K高温粉状材料，填充后其硬度类似硬泡沫塑料，进而既能对陶瓷内衬起到一定的固支作用，又能避免陶瓷内衬热胀冷缩时与不锈钢管道间发生硬接触，最大程度保证了高温陶瓷内胆的安全。

附图说明

图1示意显示了根据本发明的一个实施例的航空煤油高温燃气流发生系统工艺流程图。

图2示意显示了根据本发明的一个实施例的航空煤油高温燃气流发生系统之供气子系统及电加热器设置。

图3示意显示了根据本发明的一个实施例的航空煤油高温燃气流发生系统之供油子系统工艺流程图。

图4示意显示了根据本发明的一个实施例的航空煤油高温燃气流发生系统之高温管道水冷内保温结构示意图。

图5示意显示了现有技术的某航空煤油燃烧系统流程图。

图6示意显示了现有技术的双环蒸发管燃烧室结构图。

附图标记：11-供气系统，12-供油系统，13-燃气发生器，

14-高温管道，101-电加热器，102-一级扩压段，

103-一级稳定段，104-一级收缩段，105-调功器，

106-气动调节阀，107-流量计，21-油箱，

22-加油子系统，23-供油子系统，201、211-变频器，

202、212-电机，203、213-泵，204、214-伺服阀，

205、215-过滤器，206、216-压力计，

207、217-流量计，208、218-电磁阀，301-中心火焰筒，

302-环形火焰筒，303、304-注油器，41-陶瓷内衬，

42-高温粉状材料，43-水冷不锈钢管道，401-二级扩压段，

402-二级稳定段，403-二级收缩段，404-旁通管道，

51-一级燃烧室，52-一级稳定段，53-单管路供油系统，

54-主燃烧室，55-高温管道，61-进口扩张段，

62-中心注油器，63-环形注油器，64-中心火焰筒，

65-环形火焰筒，66-出口水冷收敛段，67-点火器，

68燃烧室外筒体，A、B-油路。

具体实施方案

如图1所示，根据本发明的一个实施例的航空煤油高温燃气流发生装置包括供气系统11、供油系统12、燃气发生器13和高温管道14，其工艺流程如图1所示。其中，高温管道14包括二级扩张段401、二级稳定段402、二级收缩段403以及一个旁通管道404。调试结果显示燃气流出口实测温度达到并超过1827℃(即2100K)。

根据本发明的一个实施例的燃气发生器13前设置了一级稳定段103，提高入口气流的稳定性和均匀性，为高效燃烧创造条件，同时在其后设置二级稳定段402，提高出口气流的稳定性，从而全面保障燃气发生器内气流压力稳定，实现稳定、高效地燃烧。

根据本发明的一个实施例的供气系统11负责将干燥气源(如1MPa)通过电加热器101提高到800K，并完成燃气发生器13所需空气流量的调节，其流程如图2所示。气源进入供气系统11，经过流量计107，被电加热器101加热，后经气动调节阀106调节流量，再经过一级扩压段102、一级稳定段103、一级收缩段104，进入燃气发生器13。电加热器101的功率由调功器105调节。

根据本发明的一个实施例，在燃气发生器13入口设置了一个包括高效不锈钢电加热器阵列101的预加热装置，以取代常规的一级预燃烧方式，从而避免了一级预燃烧方式降低空气流中氧含量的问题，同时可以将燃气发生器13入口气流温度提高到500℃，进而在进一步提高了燃气发生器13的燃烧效率和进出口燃气流温升的同时，可以大大提高燃气发生器13出口燃气流温度。

在本发明的一个具体实施例中，该电加热器101采用不锈钢电加热器，该电加热器101的效率达85％以上，其具有如下突出优越性：

-发热体为不锈钢合金材料，所以在高压空气流的冲击下，它比任何发热体的机械性能和强度都好，发热体不容易损坏；

-空气在一级收缩段104出口的温度可达900K，而一级收缩段104的壳体温度保持330K以下；

-空气洁净，体积小；

-热容小、热延迟小，更利于系统控制品质的提高，升温和降温速率高，调节快而稳定。

根据本发明的一个实施例的供油系统12采用两路独立供油形式，其流程如图3所示。该供油系统包括油箱21、加油子系统22、供油子系统23。其中，加油子系统22负责给油箱加油，供油子系统23负责将油箱21中的燃油供给燃气发生系统13。在本发明的一个具体实施例中，由变频器201控制的电机202驱动泵203将油送入输油管路A，经过伺服阀204、过滤器205、压力计206、流量计207、电磁阀208进入燃气发生器13的注油器303，供中心火焰筒301使用；由变频器211控制的电机212驱动泵213将油送入输油管路B，经过伺服阀214、过滤器215、压力计216、流量计217、电磁阀218进入燃气发生器13的注油器304，供环形火焰筒302使用。

根据本发明的一个具体实施例之燃气发生器采用双环蒸发管结构形式，设计空气流量为2.5kg/s，圆形喷口直径φ250mm。燃气发生器主燃区余气系数根据航空煤油和空气最佳化学当量混合比确定为1.37。燃气发生器两个火焰筒分别设置自己的注油器和蒸发管，前者为中心6针注油器和中心蒸发管，后者为环管式30针注油器和环形蒸发管。燃气发生器两个火焰筒采用两台变频泵分别独立供油方式，取代原一路供油方式。根据两个火焰筒注油器阻力特性确定其供油流量之比为5∶1。调试过程中，根据燃气发生器出口截面核心区温度和外环区温度分布情况，将两个火焰筒供油流量之比修正为6∶1，以弥补燃烧室设计和加工误差做成的影响，保障燃烧室性能及燃气流出口温度。

根据本发明的一个实施例的高温管道14采用水冷内保温结构，其结构如图4所示。管道内层为陶瓷内衬41，管道中层为高温粉状材料42，管道外层为水冷不锈钢管道43。该高温粉状材料主要成分是氧化锆，可耐2000K高温，填充后其硬度类似硬泡沫塑料，进而既能对陶瓷内衬41起到一定的固支作用，又能避免陶瓷内衬41热胀冷缩时与水冷不锈钢管道43间发生硬接触，最大程度保证了高温陶瓷内衬41的安全。

Claims (8)

1.一种航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于包括：

供气系统(11)，

供油系统(12)，

燃气发生器(13)，

高温管道(14)，

其中，供气系统(11)包括

电加热器(101)，用于将干燥气源通过提高到预定温度，并完成燃气发生器(13)所需空气流量的调节；

调功器(105)，用于调节电加热器(101)的功率；

气动调节阀(106)，用于调节经过电加热器(101)加热的气源的流量。

2.根据权利要求1所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于进一步包括：

燃气发生器(13)前设置的一级稳定段(103)，用于提高入口气流的稳定性和均匀性，

在一级稳定段(103)后设置的二级稳定段(402)，用于提高出口气流的稳定性。

3.根据权利要求1所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于，所述供油系统采用两路独立供油形式。

4.根据权利要求3所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于所述供油系统包括

油箱(21)，

加油子系统(22)，用于给油箱(21)加油，

供油子系统(23)，用于将油箱(21)中的燃油供给燃气发生器(13)。

5.根据权利要求4所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于所述供油系统进一步包括：

由一个第一变频器(201)控制的第一电机(202)，用于驱动一个第一泵(203)，

所述第一泵(203)，用于将油送入第一输油管路(A)，使油经过第一伺服阀(204)、第一过滤器(205)、第一压力计(206)、第一流量计(207)、第一电磁阀(208)进入燃气发生器(13)的第一注油器(303)，供中心火焰筒(301)使用，

所述第一伺服阀(204)，

所述第一过滤器(205)，

所述第一压力计(206)，

所述第一流量计(207)，

所述第一电磁阀(208)，

所述第一注油器(303)，

所述中心火焰筒(301)，

由一个第二变频器(211)控制的第二电机(212)，用于驱动一个第二泵(213)，

所述第二泵(213)，用于将油送入第二输油管路(B)，经过第二伺服阀(214)、第二过滤器(215)、第二压力计(216)、第二流量计(217)、第二电磁阀(218)进入燃气发生器(13)的第二注油器(304)，供环形火焰筒(302)使用，

所述第二伺服阀(214)，

所述第二过滤器(215)，

所述第二压力计(216)，

所述第二流量计(217)，

所述第二电磁阀(218)，

所述第二注油器(304)，

所述环形火焰筒(302)。

6.根据权利要求1所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于，所述高温管道采用水冷内保温结构。

7.根据权利要求6所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于所述高温管道包括：

陶瓷内衬构成的内层(41)，

高温粉状材料制成的中层(42)，

水冷不锈钢管道构成的外层(43)。

8.根据权利要求7所述的航空煤油高温燃气流发生装置，其特征在于

所述高温粉状材料主要成分是氧化锆，可耐2000K高温，填充后其硬度类似硬泡沫塑料，进而既能对陶瓷内衬(41)起到一定的固支作用，又能避免陶瓷内衬(41)热胀冷缩时与水冷不锈钢管道(43)间发生硬接触，从而最大程度保证了高温陶瓷内衬(41)的安全。

Images