CN105758214B - 一种超高温大温差喷水降温装置 - Google Patents

一种超高温大温差喷水降温装置 Download PDF

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Abstract

一种超高温大温差喷水降温装置，涉及飞行器地面防隔热领域；包括燃气入口、第一布水管层、第二布水管层、耐高温筒体和燃气出口；其中燃气入口和燃气出口分别位于耐高温筒体的两端；第一布水层设置在距离燃气入口较近处，第二布水管层设置在距离燃气入口较远处，在国内首次设计了超高温大温差喷水降温装置。该装置能够在温度3600K的极端环境下长时间工作，具备将流量高达每小时38万立方米的高温燃气在40毫秒内降温至700K的能力。超高温大温差喷水降温装置的研制，使建设大规模燃气流试验装置成为可能，为新型航天飞行器的研制提供有效的试验手段。

Description

一种超高温大温差喷水降温装置
技术领域
本发明涉及一种飞行器地面防隔热领域，特别是一种超高温大温差喷水降温装置。
背景技术
随着航天技术的发展，航天器的种类开始逐步多样化。以大气层内飞行的高超音速飞行器(如美国HTV2)、超燃冲压动力飞行器(如美国X-51)、空天飞机(如美国X-37B)为代表的新兴航天器都具有在大气层中高速飞行的特性。这些新型飞行器最高飞行速度有可能超过20倍音速。在大气层中以这样的速度长时间飞行，会造成非常严重的气动加热，因此对热防护技术提出了更高的要求。
在这种背景下，热防护技术有了很大的进步，防热试验技术作为热防护技术的重要方面也开始技术升级。世界各航空航天大国开始着眼于建设大尺寸防热试验设备，更新试验技术。其中燃气流试验设备作为一种能够对大型防热构件进行长时间全要素考核的设备，在防热试验领域占有重要地位。
燃气流试验设备主要由燃气加热器、试验舱段、燃气处理和排导设备等构成。其中燃气排导处理设备用于将高温燃气进行降温，消音等处理，最终排入大气。用于防热试验的燃气温度高达数千K，因此用于对燃气进行降温的降温器是燃气处理和排导的关键设备。
现有的喷水降温装置多见于化工、钢铁等领域，用于处理尾气、烟气等介质。这类装置缺点为：1)介质温度均不超过1000K；2)多为立式结构，高度可以做的很高，因而高度与直径之比基本不受场地因素制约，有足够的空间供介质在其中长时间流动，使喷淋水能够与介质充分混合，但是这种设计不能适应装置必须为卧式且场长有很的场合；3)传统介质流量相对较小，流速较慢，因此在装置中流动时间较长，有充分的时间进行降温。一旦介质流量变大，则传统设计就变难以适应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种超高温大温差喷水降温装置，该发明能够在温度3600K的极端环境下长时间工作，具备将流量高达每小时38万立方米的高温燃气在40毫秒内降温至700K的能力，超高温大温差喷水降温装置的研制，使建设大规模燃气流试验装置成为可能，为新型航天飞行器的研制提供有效的试验手段。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种超高温大温差喷水降温装置，包括燃气入口、第一布水管层、第二布水管层、耐高温筒体和燃气出口；其中燃气入口和燃气出口分别位于耐高温筒体的两端；第一布水层设置在靠近燃气入口处，第二布水管层设置在远离燃气入口处。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，耐高温筒体为轴向水平放置的圆台结构，轴向长度为6.8-7.2m；燃气入口和燃气出口为圆形结构；其中燃气入口半径为3.1-3.3m；燃气出口直径为3.9-4.1m。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，第一布水管层设置在距燃气入口0.6-0.8m的耐高温筒体内壁上；第二布水管层设置在距燃气入口2.3-2.5m的耐高温筒体内壁上。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，第一布水管层包括6根布水管，6根布水管沿周向均布在同一平面内，且沿径向指向所述平面的中心；第二布水管层包括6根布水管，6根布水管沿周向均布在同一平面内，且沿径向指向所述平面的中心。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，耐高温筒体工作温度不小于3700K，工作时负压不小于100kPa。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，高温筒体设置有内壁和外壁，内壁和外壁之间设置有间距100～150mm隔板，隔板将内壁和外壁之间的圆环间隙分割成多个主动热防护冷却通道。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，第一布水管层、第二布水管层中的布水管为多段变直径结构；从喷水管进水口沿布水管方向分为三段变径结构；三段变径结构从喷水管进水口沿布水管方向直径依次为48-52mm、30-34mm、18-22mm；布水管外壁上设置有雾化喷嘴和加长管雾化喷嘴，雾化喷嘴和加长管雾化喷嘴交替对称分布在布水管的两侧，且位于布水管层的平面内。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，所述的雾化喷嘴能够利用常规供水压力，将冷却水充分雾化为直径小于100μm的液滴，并以初速为20m/s的60度实心锥形雾化水流，进入装置内部。
在上述的一种超高温大温差喷水降温装置，所述的喷水降温装置采用短筒体结构，长度与进出口平均直径比小于2.0，燃气在其中的流动时间不大于38ms，出口截面温度能够均匀的下降至400℃以下。
在述的一种超高温大温差喷水降温装置，雾化喷嘴包括喷嘴进水口、旋流板、喷嘴外壳和喷嘴喷口；喷嘴外壳为雾化喷嘴的壳体结构，轴向一端设置有喷嘴进水口；旋流板为X型结构设置在喷嘴外壳内壁靠近喷嘴进水口处；喷嘴喷口设置在喷嘴外壳的另一端，喷嘴喷口直径为4-10mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
可承受不小于3700K的高温，并在不小于3700K的高温下承受不小于100kPa的负压进行长时间工作。
(1)本发明第一布水管层设置在距燃气入口0.6-0.8m的耐高温筒体内壁上；第二布水管层设置在距燃气入口2.3-2.5m的耐高温筒体内壁上，既照顾了供水管路的排布需求，又使布水管尽量处于离燃气入口较近的位置，尽量增加喷淋水在装置内的流动时间；
(2)本发明中高温筒体的内壁和外壁之间设置有隔板，隔板将内壁和外壁之间的圆环间隙分割成多个主动热防护冷却通道，通过控制通道供水压力小于常规供水压力，使冷却水具备在通道中过冷沸腾的条件，从而使对流换热系数较一般强制对流换热增大了一个数量级，实现换热温差小于100℃，有效实现了筒体的热防护；
(3)本发明中第一布水管层、第二布水管层中的布水管为多段变直径结构，三段变径结构从喷水管进水口沿布水管方向直径依次为48-52mm、30-34mm、18-22mm，这种变径设计使管内流速在经过若干雾化喷嘴分流后，仍能维持在1m/s以上，保证了喷淋水与管壁间的换热强度，利用喷淋水的流动实现了布水管的热防护；
(4)本发明雾化喷嘴中旋流板采用了X型结构，喷嘴喷口直径为4-10mm，能够利用有限供水压力，将冷却水充分雾化为直径小于100μm的液滴，并以初速为20m/s的60度实心锥形雾化水流，进入要冷却装置的内部。
附图说明
图1为本发明降温装置外形示意图；
图2为本发明布水管分布示意图；
图3为本发明耐高温筒体主动冷却通道示意图；
图4为本发明耐高温布水管外形图；
图5为本发明雾化喷嘴结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明通过超高温大温差喷水降温装置的研制，满足大型燃气流试验装置处理大流量超高温燃气的需求，耐高温筒体4工作温度不小于3700K，工作时负压不小于100kPa，为新型航天器防热系统研制提供试验手段。
为满足燃气流试验装置的要求，超高温大温差喷水降温装置采用了多点雾化喷水方案，利用多个喷嘴，将流量为346m3/h的水喷入燃气流场中，使雾化水与燃气在短时间内充分混合，并迅速汽化，利用水的汽化潜热降低燃气温度。同时，3600K的高温超过了现有大部分工程材料的承受上限，因此需要对装置自身的热防护做专门设计。
如图1所示为降温装置外形示意图，由图可知，一种超高温大温差喷水降温装置，包括燃气入口1、第一布水管层2、第二布水管层3、耐高温筒体4和燃气出口5；其中燃气入口1和燃气出口5分别位于耐高温筒体4的两端；第一布水层2设置在靠近燃气入口1处，第二布水管层3设置在远离燃气入口1处。
耐高温筒体4为轴向水平放置的圆台结构，轴向长度为6.8-7.2m；燃气入口1和燃气出口5为圆形结构；其中燃气入口1半径为3.1-3.3m；燃气出口5直径为3.9-4.1m。
其中，第一布水管层2设置在距燃气入口1的0.6-0.8m的耐高温筒体4内壁上；第二布水管层3设置在距燃气入口1的2.3-2.5m的耐高温筒体4内壁上。
所述的喷水降温装置采用短筒体结构，长度与进出口平均直径比小于2.0，燃气在其中的流动时间不大于38ms，出口截面温度能够均匀的下降至400℃以下。
如图2所示为布水管分布示意图，由图可知，第一布水管层2包括6根布水管，6根布水管沿周向均布在同一平面内，且沿径向指向所述平面的中心；第二布水管层3包括6根布水管，6根布水管沿周向均布在同一平面内，且沿径向指向所述平面的中心。
如图3所示为耐高温筒体主动冷却通道示意图，由图可知，高温筒体4设置有内壁7和外壁6，内壁7和外壁6之间设置有间距100～150mm隔板15，隔板15将内壁7和外壁6之间的圆环间隙分割成多个主动热防护冷却通道8。
如图4所示为耐高温布水管外形图，由图可知，第一布水管层2、第二布水管层3中的布水管为多段变直径结构；从喷水管进水口9沿布水管方向分为三段变径结构；三段变径结构从喷水管进水口9沿布水管方向直径依次为48-52mm、30-34mm、18-22mm；布水管外壁上设置有雾化喷嘴10和加长管雾化喷嘴16，雾化喷嘴10和加长管雾化喷嘴16交替对称分布在布水管的两侧，且位于布水管层的平面内。
雾化喷嘴分为两种安装形式，一种不带加长管，直接安装于布水管侧面；另一种带有弧形加长管，通过加长管伸到两根布水管之间。通过这种设计，可以使布水点均布在装置的整个截面上，有效优化了布水的均匀程度，降低了装置出口燃气的平均温度。
所述的雾化喷嘴10能够利用常规供水压力，将冷却水充分雾化为直径小于100μm的液滴，并以初速为20m/s的60度实心锥形雾化水流，进入装置内部。
需要采用变直径结构的原因是，喷淋水从布水管入口进入布水管后，每经过一个喷嘴，布水管内的水流量就会被该喷嘴分流，流量减小。这样，越到布水管末端，布水管内的水流速就会越小，冷却条件就会越恶劣，存在烧毁风险。因此喷水管进水口9通径50mm，经过8个雾化喷嘴后变为32mm，流通截面的减小使流速从1～1.5m/s恢复到2.5～3m/s；再经过若8个雾化喷嘴后，水流速度又降为1～1.5m/s，此时将布水管通径变为20mm，使流动速度再次恢复到2.5～3m/s。这种变径设计保证了在布水管末端，水流速度不小于1～1.5m/s从而使布水管各部位均能承受装置中的高温。从而确保了换热强度，使布水管能够在3700K高温燃气流中长期工作，实现将冷却水均匀布置到整体流场中的功能。
如图5所示为雾化喷嘴结构图，由图可知，雾化喷嘴10包括喷嘴进水口11、旋流板12、喷嘴外壳13和喷嘴喷口14；喷嘴外壳13为雾化喷嘴10的壳体结构，轴向一端设置有喷嘴进水口11；旋流板12为X型结构设置在喷嘴外壳13内壁靠近喷嘴进水口11处；喷嘴喷口14设置在喷嘴外壳(13)的另一端，喷嘴喷口14直径为4-10mm。
本项目关键技术包括：
1)超大温差快速降温技术
在有限的流动长度(3.7倍直径)和极短的时间(38ms)内，将超大流量(3.8×105m3/h)，超高温燃气的温度由3600K降至670K以下，实现不低于3000K的温降，是喷水降温装置的主要关键技术。
由于场地的限制，降温装置长度不能超过7m(仅为直径的3.7倍，设备呈短粗柱状)，这一方面导致燃气通过装置的时间仅38ms，喷入装置中的水没有足够的时间与燃气充分换热；另一方面也导致燃气与降温水没有足够的流动长度来充分混合，装置出口温均匀性难于保证，易出现局部高温区。这两点对燃气降温和保护下游设备极为不利。
为解决这一问题，本装置采用高效旋流雾化喷嘴，在供水压力有限的条件下，尽量减小水雾化后的粒径。通过反复修改喷嘴设计并进行雾化效果试验，最终实现了0.8MPa供水压力下粒径小于100μm的雾化效果。同时，通过试验确定了在装置真实工作条件下，每个喷嘴的有效作用范围，并研究了喷嘴作用范围与喷射角度之间的关系。最终确定了设置三排喷水管，每排6根，喷嘴喷水方向与气流方向呈90度角的方案。这种布局能够有效增加水滴在装置中的运动距离，并在装置内制造一定的旋流，促进水气混合。
2)雾化喷嘴分布设计技术
保证雾化水在燃气流中分布的均匀性也是装置设计中的主要关键技术。受供水能力限制，喷入装置中的水余量有限，其汽化率必须达到90％才能够有效降低燃气温度。若雾化后的水在装置内的流场中分布不均匀，会导致在水雾布较多的区域水汽化率不足，同时水雾分布较少的区域燃气温度不能有效降低，从而导致出口温度不均匀。
为解决这一问题，首先通过试验确定了单个喷嘴的雾化特性参数，而后利用这些参数，在大型计算机上建立了仿真模型，应用CFD技术对喷嘴的分布进行了反复计算和修正，最终形成了设计方案。
3)超高温热防护技术
通过喷水降温装置的燃气温度高达3600K以上，这一温度超过绝大多数工程材料的耐受上限。喷水降温装置必须在此环境下连续工作半小时以上，因此必须对其采取热防护措施。
本装置在外壁设计了夹层，通以大流量冷却水，以防护装置本体。同时通过设计喷水管直径，使管内流速在流阻损失不超过上限的条件下尽可能提高，从而对喷水管进行防护。喷水管和设备本体的防热性能均通过试验进行了验证。
效果
超高温大温差喷水降温装置作为大型燃气流防热试验装置的一部分，实现了将流量为3.8×105m3/h，温度为3600K的大流量高温燃气，在有限流动长度内降温至670K的超大温差降温。经过实验验证，降温装置能够实现即定功能。这为燃气流试验装置的正常工作提供了保障。
降温装置由3台电动水泵供水同，降温水总供水流量346m3/h。这些水均匀分配至192个雾化喷嘴，每个喷嘴流量为0.5kg/s。水经过喷嘴后，被雾化为粒径100μm以下的液滴。喷嘴喷出的液滴以60度顶角的锥形分散入燃气流场。通过妥善设计喷嘴的布局，使液滴能够均匀地分布在燃气流场中，与燃气均匀混合，并充分汽化。利用水的汽化潜热，使燃气温度降低2900K，达到下游设备能够接受的水平。喷嘴布置方案的设计通过计运用了计算机仿真手段实现。喷嘴雾化并行果的评估通过试验实现。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种超高温大温差喷水降温装置，其特征在于：包括燃气入口(1)、第一布水管层(2)、第二布水管层(3)、耐高温筒体(4)和燃气出口(5)；其中燃气入口(1)和燃气出口(5)分别位于耐高温筒体(4)的两端；第一布水管层(2)设置在靠近燃气入口(1)处，第二布水管层(3)设置在远离燃气入口(1)处；
耐高温筒体(4)为轴向水平放置的圆台结构，轴向长度为6.8-7.2m；燃气入口(1)和燃气出口(5)为圆形结构；其中燃气入口(1)半径为3.1-3.3m；燃气出口(5)直径为3.9-4.1m；
第一布水管层(2)设置在距燃气入口(1)0.6-0.8m的耐高温筒体(4)内壁上；第二布水管层(3)设置在距燃气入口(1)2.3-2.5m的耐高温筒体(4)内壁上；
第一布水管层(2)包括6根布水管，6根布水管沿周向均布在同一平面内，且沿径向指向所述平面的中心；第二布水管层(3)包括6根布水管，6根布水管沿周向均布在同一平面内，且沿径向指向所述平面的中心；
耐高温筒体(4)工作温度不小于3700K，工作时负压不小于100kPa；
耐高温筒体(4)设置有内壁(7)和外壁(6)，内壁(7)和外壁(6)之间设置有间距100～150mm隔板(15)，隔板(15)将内壁(7)和外壁(6)之间的圆环间隙分割成多个主动热防护冷却通道(8);
第一布水管层(2)、第二布水管层(3)中的布水管为多段变直径结构；从喷水管进水口(9)沿布水管方向分为三段变径结构；三段变径结构从喷水管进水口(9)沿布水管方向直径依次为48-52mm、30-34mm、18-22mm；布水管外壁上设置有雾化喷嘴(10)和加长管雾化喷嘴(16)，雾化喷嘴(10)和加长管雾化喷嘴(16)交替对称分布在布水管的两侧，且位于布水管层的平面内。
2.根据权利要求1所述的一种超高温大温差喷水降温装置，其特征在于：所述的雾化喷嘴(10)能够利用常规供水压力，将冷却水充分雾化为直径小于100μm的液滴，并以初速为20m/s的60度实心锥形雾化水流，进入装置内部。
3.根据权利要求1所述的一种超高温大温差喷水降温装置，其特征在于：所述的喷水降温装置采用短筒体结构，长度与进出口平均直径比小于2.0，燃气在其中的流动时间不大于38ms，出口截面温度能够均匀的下降至400℃以下。
4.根据权利要求1所述的一种超高温大温差喷水降温装置，其特征在于：雾化喷嘴(10)包括喷嘴进水口(11)、旋流板(12)、喷嘴外壳(13)和喷嘴喷口(14)；喷嘴外壳(13)为雾化喷嘴(10)的壳体结构，轴向一端设置有喷嘴进水口(11)；旋流板(12)为X型结构设置在喷嘴外壳(13)内壁靠近喷嘴进水口(11)处；喷嘴喷口(14)设置在喷嘴外壳(13)的另一端，喷嘴喷口(14)直径为4-10mm。
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