CN106525434A - 用于新型冲压发动机直连试验的引射装置和环境模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引射装置和采用该引射装置的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，以解决现有试验环境模拟系统无法满足模拟空气来流，不具备引射能力需求、引射效率较低及投资规模较大的问题。其中，引射装置包括设置在模拟系统的集气管道上的多个蒸汽引射单元；每个蒸汽引射单元包括一台大流量蒸汽发生器和一组由第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵串连组成的两级蒸汽喷射泵；大流量蒸汽发生器的输出端分别与第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵相连；第一蒸汽喷射泵通过蒸汽引射管道与集气管道相连通；在第一蒸汽喷射泵和集气管道之间设置有第一蒸汽引射隔离阀；在第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵之间设置有第二蒸汽引射隔离阀。

Description

用于新型冲压发动机直连试验的引射装置和环境模拟系统

技术领域

本发明属于冲压发动机直连试验领域，涉及一种冲压发动机地面试验环境模拟系统，具体涉及一种引射装置及一种新型冲压发动机直连试验环境模拟系统。

背景技术

直连试验是冲压发动机研制过程中地面试验中最基本、最重要和最有效的一种试验方式。冲压发动机研制中的大部分技术问题可在直连试验中发现与解决。冲压发动机直连试验最重要的是模拟发动机进口来流的总温、总压、马赫数，同时需满足发动机喷管出口环境压力，使喷管工作在设计状态。即系统需实现对发动机燃烧室入口来流及出口边界条件的环境模拟，为发动机设计和性能评估提供依据。

目前，模拟空气来流国内外普遍采用的加热方式主要有燃烧加热和蓄热式加热两种方式。蓄热式加热装置会产生杂质微粒，不满足要求。燃料燃烧加热方式无杂质微粒，主要有气氧/煤油、气氧/酒精等方式，其缺点为高压气氧安全性差，同时为了进行长程试验，需要具备大量的高压气瓶储备，投资较大。

针对发动机喷管出口环境压力模拟要求，首先根据不同工况需调整不同引射能力，同时需具备大流量、高真空的引射需求。目前主要采用空气引射，效率较低，同时为了满足大流量、高真空要求，庞大的气瓶数量和供应能力是其制约因素；蒸汽和燃气引射效率高，能减少规模，但大流量燃气和蒸汽的生成是最大的困难，目前无论蒸汽还是燃气引射能力，都无法满足其要求。

发明内容

基于上述背景技术，本发明提供了一种引射装置和一种新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，以解决现有试验环境模拟系统无法满足模拟空气来流，不具备引射能力需求、引射效率较低以及投资规模较大的问题。

本发明的技术方案是：

一种引射装置，应用于新型冲压发动机直连试验环境模拟系统；所述直连试验环境模拟系统包括集气管道；其特殊之处在于：

所述引射装置包括设置在集气管道上的多个蒸汽引射单元；

每个蒸汽引射单元包括一台大流量蒸汽发生器和一组两级蒸汽喷射泵；所述两级蒸汽喷射泵由第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵串连组成；

所述大流量蒸汽发生器的输出端分别与第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵相连；

所述第一蒸汽喷射泵通过蒸汽引射管道与集气管道相连通；

在第一蒸汽喷射泵和集气管道之间设置有第一蒸汽引射隔离阀；在第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵之间设置有第二蒸汽引射隔离阀。

基于上述基本方案，本发明还作出如下优化限定：

上述单台大流量蒸汽发生器的工作流量为90～120kg/s，工作蒸汽温度为160～210℃。

上述蒸汽引射单元共有8个，可根据不同工况点的引射需求，采用单个或多个引射单元组合来满足冲压发动机在不同工况的长/短程模拟试验的排气要求。

上述引射装置还包括空气引射单元；所述空气引射单元包括空气引射管道和并联安装在空气引射管道上的两组两级空气喷射泵；所述空气引射管道设置在集气管道上，与集气管道相连通；每组两级空气喷射泵由第一空气喷射泵和第二空气喷射泵组成；第一空气喷射泵的两端分别通过第一管道和第二管道与空气引射管道相连通，第二空气喷射泵的一端通过第三管道与空气引射管道相连通；所述第三管道位于空气引射管道的端部；在空气引射管道上设置有第一空气引射隔离阀，且第一空气引射隔离阀位于第一空气喷射泵的两个端部之间；在第三管道上设置有第二空气引射隔离阀，且第二空气引射隔离阀位于空气引射管道和第二空气喷射泵之间。空气引射单元的引射介质采用干燥空气，单组两级空气喷射泵的工作空气流量为110kg/s，空气引射管道位于两组两级空气喷射泵的中心，为中心引射方式；通过打开或关闭第一空气引射隔离阀和第二空气引射隔离阀便可实现单组两级引射、单独一个第二级引射、单独两个第二级引射和两组两级引射方式，通过匹配计算最优化满足冲压发动机不同工况的引射需求。

上述两组两级空气喷射泵关于空气引射管道对称设置。

采用上述的引射装置的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，其特殊之处在于：

所述模拟系统包括依次连接的等离子点火器、三组元空气加热装置、混合器、滑动密封段、测量段、试验舱、二次喉道扩压器、降温器和集气管道；在降温器和集气管道之间设置有隔离阀；

待试验冲压发动机安装在试验舱内，发动机的喷管出口与所述二次喉道扩压器相连，发动机的进气道入口与所述测量段相连；

所述等离子点火器用于向三组元空气加热装置提供点火能量；

所述三组元空气加热装置用于产生高焓高压燃气；

在所述混合器处通入冷空气，并利用混合器使冷空气与高焓高压燃气快速均匀混合；

所述滑动密封段对环境模拟系统进行高温热补偿，同时保证环境模拟系统的密封性；

所述测量段用于测量待试验冲压发动机进气道入口处的来流总温和总压场；

所述二次喉道扩压器用于对试验冲压发动机喷管出口的高温、高速燃气流进行升压、降速，同时用于提高试验舱的真空度；

所述降温器用于降低从二次喉道扩压器中输出的高压、低速燃气流的温度；

从降温器输出的燃气流进入集气管道，通过引射装置升压后排出。

为保证待试验冲压发动机模拟来流的速度场、温度场和压力场的均匀性和流场品质，上述冲压发动机直连试验环境模拟系统还包括整流器，该整流器设置在混合器和滑动密封段之间。

上述整流器由进口旋流器、扩散段、平直段和收敛段依次连接组成；进口旋流器为叶片结构；扩散段中依次安装有中心导流锥和边区引流环，其中中心导流锥通过支撑肋板固定在扩散段中部；平直段中安装有两道蜂窝式多孔整流板；收敛段将整理和均流后的气流收敛后导入后端。

上述降温器为喷水降温器，为一种直接接触式喷淋降温，依靠雾状水滴与燃气之间的显热交换冷却燃气，将燃气温度降低至573K以下，以满足后端设备和管路的承热要求。

上述三组元为液氧、酒精和空气，它们在三组元空气加热装置的头部组织燃烧，产生高焓高压燃气。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用试验舱(真空舱)、二次喉道扩压器、降温器及模块化的引射装置(蒸汽引射)，首次解决了冲压发动机直连试验中待试验冲压发动机喷管出口大流量、高真空长程试验的引射能力；由于大流量蒸汽发生器采用液氧和酒精燃烧，然后喷入软化水与产生的高温燃气掺混蒸发形成所需要的工作蒸汽；相对于空气、燃气及锅炉生成蒸汽方式，本发明的建设规模极小，投资低，可靠性更高；

2、针对发动机各工况要求，采用模块化的蒸汽引射单元和空气引射单元，实现试验所需宽范围匹配解决方案和试验方法：通过关闭/打开第一空气引射隔离阀或第一蒸汽引射隔离阀等，系统可在空气引射单元和新型大流量蒸汽引射单元之间进行任意切换；根据短程和长程试验需求，可合理选择发动机试验引射方式，扩展了试验能力，同时可达到最大化经济效益和成本控制；

3、通过综合设计一套新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，在满足发动机试验需求的同时，解决了目前冲压发动机长程试验效率、可靠性、试验时间、投资规模大等问题；

4、通过采用新型液氧+酒精+空气燃烧加热方式，并通过掺混、整流满足发动机进口来流空气的总温、含氧量以及温度场和压力场的均匀性要求，同时减小了投资规模，节省成本，可靠性高；

附图说明

图1是本发明的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统的示意图；

图中：1.等离子点火器；2.三组元空气加热装置；3.混合器；4.整流器；5.滑动密封段；6.测量段；7.待试验冲压发动机；8.试验舱；9.二次喉道扩压器；10.喷水降温器；11.隔离阀；12.集气管道；13.第一空气喷射泵；14.第二空气喷射泵；15.第一空气引射隔离阀；16.第二空气引射隔离阀；17.第一蒸汽喷射泵；18.第二蒸汽喷射泵；19.第一蒸汽引射隔离阀；20.第二蒸汽引射隔离阀；21.大流量蒸汽发生器；22.空气引射管道。

图2是本发明的整流器示意图；

图中：41.扩散段；42.平直段；43.收敛段；44.进口旋流器；45.中心导流锥；46.支撑肋板；47.边区引流环；48.第一道蜂窝式多孔整流板；49.第二道蜂窝式多孔整流板。

图3进口旋流器的侧视图。

图4是本发明的大流量蒸汽发生器的示意图。

图中：211-点火器；212.液氧进口；213.酒精进口；214.燃烧头部；215-Ⅰ段身部；216-Ⅱ段身部；217-Ⅰ段进水口；218-Ⅱ段进水口；219-蒸汽出口。

具体实施方式

本发明所提供的引射装置，应用于新型冲压发动机直连试验环境模拟系统中，其结构组成如图1所示。

引射装置采用模块化的设计，它包括安装在集气管道12上的8个蒸汽引射单元，根据不同工况点引射需求，可采用单个或多个蒸汽引射单元组合来满足冲压发动机长程热试排气要求。

每个蒸汽引射单元包括一台工作流量为110kg/s的大流量蒸汽发生器21和一组两级蒸汽喷射泵，其中两级蒸汽喷射泵由第一蒸汽喷射泵17和第二蒸汽喷射泵18串连组成。

第一蒸汽喷射泵17和第二蒸汽喷射泵18均与大流量蒸汽发生器21的输出端相连；第一蒸汽喷射泵17通过蒸汽引射管道与集气管道12相连通。

在第一蒸汽喷射泵17和集气管道12之间设置有第一蒸汽引射隔离阀19；在第一蒸汽喷射泵17和第二蒸汽喷射泵18之间设置有第二蒸汽引射隔离阀20。

大流量蒸汽发生器21的结构示意图如图4所示，包括串连的点火器211，燃烧头部214，I段身部215和Ⅱ段身部216。在Ⅰ段身部侧壁上设置有Ⅰ段进水口217，在Ⅱ段身部侧壁上设置有Ⅱ段进水口218；Ⅱ段进水口218的另一端为蒸汽出口219。燃烧头部214的侧壁上设置有酒精进口213；燃烧头部214的前端设置有液氧进口212。

大流量蒸汽发生器采用液氧和酒精燃烧，然后向I段身部215和Ⅱ段身部216内喷入软化水与所产生的高温燃气掺混蒸发形成最终所需要的工作蒸汽。相比空气、燃气及锅炉生成蒸汽方式，占地规模极小，投资低，可靠性高。无论是单组引射能力还是总引射能力，目前在国内都处于领先地位。首次解决了冲压发动机大流量、高真空长程试验引射能力和建设规模兼顾问题。

作为优化，在上述方案的基础上增加一空气引射单元，根据短程和长程试验需求，通过在蒸汽引射单元和空气引射单元之间任意切换，合理选择发动机试验的引射方式，从而进一步扩展试验能力，同时达到最大化经济效益和成本控制的目的。

所增加的空气引射单元如图1所示，它包括安装在集气管道12上的空气引射管道22和并联安装在空气引射管道22上且与空气引射管道22平行的两组两级空气喷射泵。每组两级空气喷射泵由第一空气喷射泵13和第二空气喷射泵14组成；第一空气喷射泵13的两端分别通过第一管道和第二管道与空气引射管道相连通，第二空气喷射泵14的一端通过位于空气引射管道端部的第三管道与空气引射管道相连通；在空气引射管道22上设置有第一空气引射隔离阀15，且第一空气引射隔离阀15位于第一空气喷射泵13的两个端部之间；在第三管道上设置有第二空气引射隔离阀16，且第二空气引射隔离阀16位于空气引射管道和第二空气喷射泵之间。

空气引射单元利用高压工作流将动能传递给二次流(被引射流)，并在两组空气喷射泵混合室出口(即第一空气喷射泵13或第二空气喷射泵14中部直管段前处)获得均匀混合流，然后通过二次吼道、扩散段(第一空气喷射泵13或第二空气喷射泵14后部)减速增压将动能转变为压力势能，最后以较高的静压排入大气的原理。第一空气喷射泵和第二空气喷射泵都是由混合室、二次吼道、扩散段组成，两级工作方式相同，两级串联是为了提高引射极限真空度，两级共同工作，真空度更高，但引射流量会变小。空气引射单元的引射介质采用干燥空气，单组两级空气喷射泵的工作空气流量为110kg/s，采用中心引射方式(是引射喷嘴的型面方式，与管路布置无关)；通过打开或关闭第一空气引射隔离阀和第二空气引射隔离阀便可实现单组两级引射、单独一个第二级引射、单独两个第二级引射和两组两级引射方式，通过匹配计算可得出最优化的引射方式。

如图1所示，本发明同时提供了一种采用上述引射装置的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，它包括依次连接的等离子点火器1、三组元空气加热装置2、混合器3、整流器4、滑动密封段5、测量段6、试验舱8、二次喉道扩压器9、喷水降温器10和集气管道12；在降温器10和集气管道12之间设置有隔离阀11。待试验冲压发动机7安装在试验舱8内，发动机的喷管出口与二次喉道扩压器9相连，发动机的进气道入口与测量段6相连。

该直连试验环境模拟系统的具体工作过程和原理如下：

系统采用等离子点火器1点火，为三组元空气加热装置2提供点火能量，然后液氧+酒精+空气三组元在空气加热装置的头部组织燃烧(在头部组织，液氧与酒精采用同轴离心式喷注单元进行雾化和燃烧)，产生高焓、高压燃气。与此同时，冷空气从混合器3处通入，通过前、后成比例匹配掺混方式，使高焓、高压燃气与冷空气快速均匀混合,达到发动机要求流量和温度的混合气体；这里，混合器3采用壁面环状掺混蜂窝板，有利于气流扩散和掺混。

经混合器3掺混后的全部气流经整流器4整流后进入发动机进气道。本实施例的整流器4由进口旋流器44、扩散段41、平直段42和收敛段43依次连接组成；进口旋流器44为叶片结构；扩散段41中依次安装有中心导流锥45和边区引流环47，其中中心导流锥通过支撑肋板46固定在扩散段中部；平直段42中安装有第一道蜂窝式多孔整流板48和第二道蜂窝式多孔整流板49；来流首先通过旋流器旋转，然后通过中心导流锥使中心热气流向边区扩散，同时通过边区引流环使边区冷气流向中心流动，从而使冷热气流进一步掺混，并最后通过两道整流板进一步得到整理和均流，收敛段将整理和均流后的气流收敛后导入后端，进一步保证冲压发动机模拟来流的速度场、温度场和压力场的均匀性和流场品质。

滑动密封段5用来对环境模拟系统进行高温热补偿，同时保证环境模拟系统的密封性；测量段6用于测量待试验冲压发动机进气道入口处的来流总温和总压场的均匀性和满足程度。

二次喉道扩压器9用于对待试验冲压发动机喷管出口的高温、高速燃气流进行升压、降速，同时用于提高试验舱8的真空度；在二次喉道扩压器9的后端设置喷水降温器10，采用直接接触式喷淋降温，依靠雾状水滴与燃气之间的显热交换冷却燃气，将从二次喉道扩压器中输出的高压、低速燃气流的温度迅速降低至573K以下，以满足后端设备和管路的承热要求；从喷水降温器10输出的燃气流进入集气管道12，通过引射装置升压后排向大气，以满足发动机热试所需的真空模拟环境。

本发明可满足冲压发动机不同工况的短/长程模拟试验要求，可实现模拟高度范围：0～30km；模拟空气来流总温：500～1123K；模拟温度偏差小于±20K，气流温度场偏差小于±15K；模拟空气来流流量：8～100kg/s；模拟马赫数：Ma2～4.5；喷管出口环境压力：10～95kPa；试验时间：100～1500s的所有模拟包线范围。

Claims (10)

1.一种引射装置，应用于新型冲压发动机直连试验环境模拟系统；所述直连试验环境模拟系统包括集气管道；其特征在于：

所述引射装置包括设置在集气管道上的多个蒸汽引射单元；

每个蒸汽引射单元包括一台大流量蒸汽发生器和一组两级蒸汽喷射泵；所述两级蒸汽喷射泵由第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵串连组成；

所述大流量蒸汽发生器的输出端分别与第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵相连；

所述第一蒸汽喷射泵通过蒸汽引射管道与集气管道相连通；

在第一蒸汽喷射泵和集气管道之间设置有第一蒸汽引射隔离阀；在第一蒸汽喷射泵和第二蒸汽喷射泵之间设置有第二蒸汽引射隔离阀。

2.根据权利要求1所述的引射装置，其特征在于：所述大流量蒸汽发生器的工作流量为90～120kg/s，工作蒸汽温度为160～210℃。

3.根据权利要求1所述的引射装置，其特征在于：所述蒸汽引射单元共有8个。

4.根据权利要求1所述的引射装置，其特征在于：

还包括空气引射单元；所述空气引射单元包括空气引射管道和并联安装在空气引射管道上的两组两级空气喷射泵；

所述空气引射管道设置在集气管道上，与集气管道相连通；

每组两级空气喷射泵由第一空气喷射泵和第二空气喷射泵组成；第一空气喷射泵的两端分别通过第一管道和第二管道与空气引射管道相连通，第二空气喷射泵的一端通过第三管道与空气引射管道相连通；所述第三管道位于空气引射管道的端部；

在空气引射管道上设置有第一空气引射隔离阀；在第三管道上设置有第二空气引射隔离阀。

5.根据权利要求4所述的引射装置，其特征在于：所述两组两级空气喷射泵关于空气引射管道对称设置。

6.采用权利要求1至5任一所述的引射装置的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，其特征在于：

还包括依次连接的等离子点火器、三组元空气加热装置、混合器、滑动密封段、测量段、试验舱、二次喉道扩压器、降温器和集气管道；在降温器和集气管道之间设置有隔离阀；

待试验冲压发动机安装在试验舱内，发动机的喷管出口与所述二次喉道扩压器相连，发动机的进气道入口与所述测量段相连；

所述等离子点火器用于向三组元空气加热装置提供点火能量；

所述三组元空气加热装置用于产生高焓高压燃气；

在所述混合器处通入冷空气，并利用混合器使冷空气与高焓高压燃气快速均匀混合；

所述滑动密封段对环境模拟系统进行高温热补偿，同时保证环境模拟系统的密封性；

所述测量段用于测量待试验冲压发动机进气道入口处的来流总温和总压场；

所述二次喉道扩压器用于对试验冲压发动机喷管出口的高温、高速燃气流进行升压、降速，同时用于提高试验舱的真空度；

所述降温器用于降低从二次喉道扩压器中输出的高压、低速燃气流的温度；

从降温器输出的燃气流进入集气管道，通过引射装置升压后排出。

7.根据权利要求6所述的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，其特征在于：还包括整流器；所述整流器设置在混合器和滑动密封段之间。

8.根据权利要求7所述的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，其特征在于：所述整流器由进口旋流器、扩散段、平直段收敛段依次连接组成；进口旋流器为叶片结构；扩散段中依次安装有中心导流锥和边区引流环，其中中心导流锥通过支撑肋板固定在扩散段中部；平直段中安装有两道蜂窝式多孔整流板。

9.根据权利要求6所述的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，其特征在于：所述降温器为喷水降温器。

10.根据权利要求6所述的新型冲压发动机直连试验环境模拟系统，其特征在于：所述三组元为液氧、酒精和空气。