CN106765102A - 一种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室 - Google Patents

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顾洪斌
张新宇
李东霞
林建民
钱大兴
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    • F23D2203/007—Mixing tubes, air supply regulation

Abstract

一种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室,燃烧室包括氢氧喷注环喷注本体、内环空气喷注本体、外环空气喷注单元、二次掺混空气喷注单元；氢氧喷注环喷注本体突出于空气流，其具有交错布置的氢氧喷口，这些氢氧喷口组成氢氧喷注环，较多部分的氢氧喷口顺流动方向直喷，较少部分的氢氧喷口向中心汇聚喷注，所述氢氧喷注环处于燃烧室中心区域，点火器位于所述氢氧喷注环的中心；内环空气喷注本体喷注空气到氢氧喷注环的内壁；外环空气喷注单元在距离燃烧室头部的第一距离L1处，外环空气喷注单元喷注到氢氧喷注环的外壁；二次掺混空气喷注单元在距离燃烧室头部的第二距离L2处，二次掺混空气喷注单元喷注到燃烧室的筒壁内。

Description

一种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室
技术领域
本发明属于高超声速风洞的技术领域，具体地涉及一种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室。
背景技术
高超声速飞行器及发动机技术的发展极大地依赖于地面风洞设备(即，自由射流等地面模拟高空高速环境的设备)的建设。其中，能够长时间运行的高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室是必不可少的设备。
自由射流等地面模拟高空高速环境的设备具有高焓、高速、高压和长期使用的特点，在地面模拟高速环境一般需要加热空气并补充氧气，氧气的组分与高空一致。它的难点是压力较高，一般要达到10MPa的压力，目前的燃烧室只有火箭燃烧室能够达到这一设计压力，但火箭燃烧室的结构并不是按照长时间运行设计的，而且火箭的燃料大都是液体燃料，它还存在燃烧不够完全的问题。而地面模拟设备需要使用10年甚至更长时间，而且燃烧要完全。
而采用氢气、氧气和空气的燃烧可以获得目前公认的污染最小的高焓气体。但是气体燃烧的问题是头部设计结构一般工作范围较窄，也就是只能工作在特定范围内，因为一旦脱离这个范围，火焰就会熄火。而地面模拟设备需要模拟包线范围内所有状态，所以参数变化范围较大，过去一般配备多个加热器才可以解决，而且无法适应连续改变状态时加热器参数需要改变的情况。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室,其能够实现比传统氢和空气的火箭燃烧室更宽的工作范围，燃烧时间长且高效稳定。
本发明的技术解决方案是：这种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，燃烧室头部在燃烧室的左侧，燃烧室包括氢氧喷注环喷注本体(1)、内环空气喷注本体(2)、外环空气喷注单元(3)、二次掺混空气喷注单元(4)；氢氧喷注环喷注本体、内环空气喷注本体、外环空气喷注单元在燃烧室头部(5)的左侧，二次掺混空气喷注单元在燃烧室头部的右侧；氢氧喷注环喷注本体突出于空气流，其具有交错布置的氢氧喷口(6)，这些氢氧喷口组成氢氧喷注环(7)，较多部分的氢氧喷口顺流动方向直喷，较少部分的氢氧喷口向中心汇聚喷注，所述氢氧喷注环处于燃烧室中心区域，点火器(8)位于所述氢氧喷注环的中心；内环空气喷注本体喷注空气到氢氧喷注环的内壁；外环空气喷注单元在距离燃烧室头部的第一距离L1处，外环空气喷注单元喷注到氢氧喷注环的外壁；二次掺混空气喷注单元在距离燃烧室头部的第二距离L2处，二次掺混空气喷注单元喷注到燃烧室(9)的筒壁内。
本发明通过氢氧喷注环喷注本体实现氢氧直接燃烧；内环空气喷注本体通过氢氧通道的间隙进入燃烧室核心部位，外环空气喷注单元通过冲击冷却方式直接氢氧喷注环和燃烧室壁面，二次掺混空气喷注单元是空气主要通道，混合后达到均匀的温度，因此能够实现比传统氢和空气的火箭燃烧室更宽的工作范围，燃烧时间长且高效稳定。
附图说明
图1是根据本发明的高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室的结构示意图。
图2是根据本发明的氢氧喷注环的剖视放大图。
具体实施方式
如图1-2所示，这种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，燃烧室头部在燃烧室的左侧，燃烧室包括氢氧喷注环喷注本体1、内环空气喷注本体2、外环空气喷注单元3、二次掺混空气喷注单元4；氢氧喷注环喷注本体、内环空气喷注本体、外环空气喷注单元在燃烧室头部5的左侧，二次掺混空气喷注单元在燃烧室头部的右侧；氢氧喷注环喷注本体突出于空气流，其具有交错布置的氢氧喷口6，这些氢氧喷口组成氢氧喷注环7，较多部分的氢氧喷口顺流动方向直喷，较少部分的氢氧喷口向中心汇聚喷注，所述氢氧喷注环处于燃烧室中心区域，点火器8位于所述氢氧喷注环的中心；内环空气喷注本体喷注空气到氢氧喷注环的内壁；外环空气喷注单元在距离燃烧室头部的第一距离L1处，外环空气喷注单元喷注到氢氧喷注环的外壁；二次掺混空气喷注单元在距离燃烧室头部的第二距离L2处，二次掺混空气喷注单元喷注到燃烧室9的筒壁内。
本发明通过氢氧喷注环喷注本体实现氢氧直接燃烧；内环空气喷注本体通过氢氧通道的间隙进入燃烧室核心部位，外环空气喷注单元通过冲击冷却方式直接冷却氢氧喷注环和燃烧室壁面，二次掺混空气喷注单元是混合空气主要通道，使得燃烧室出口温度场经过混合后达到均匀的温度分布，因此能够实现比传统氢和空气的火箭燃烧室更宽的工作范围，燃烧时间长且高效稳定。
另外，加热器按表1参数运行，保证出口氧气摩尔比例21％。表1的比例是质量比。
表1
另外，L1是Da的4-6倍，Da是外环空气喷注单元的主喷嘴的直径。
内环空气喷注是通过氢氧喷注环的间隙从外部进入氢氧喷注器内部，用于冷却氢氧喷注环的内壁。外环空气喷注的量要高于内环的空气量，主要是冷却氢氧喷注环的外壁以及与高温燃气掺混。L1的距离主要由外环空气主喷嘴Da的直径决定，一般是Da的4-6倍即可，可以保证空气速度场有一定的空间扩张均匀。
另外，内环空气喷注本体和外环空气喷注单元的喷注形成气膜，冷却氢氧喷注环喷注本体，保护燃烧室壁面。
另外，所述氢氧喷注环喷注本体的截面为圆环多孔结构。
另外，二次掺混空气喷注单元包括多排气孔，气孔的直径在2-5mm之间。二次掺混段位于燃烧室头部L2距离内，有多排气孔构成，气孔Dc的直径在2-5mm之间，根据燃烧室的直径Dh和稳定工作范围确定，小孔是为形成高能量射流带动高温燃气快速混合。孔径大约在Dh/(80-100)之间。燃烧室的总长度L根据对流场湍流度的要求决定，一般流场的湍流度随着长度增加而减少，具体根据要求设计。L2的距离一般是氢气喷孔直径的100倍左右，是为了保证燃烧的完全。
二次空气掺混段的空气是调节最终的燃烧温度，同时保证燃气温度场的均匀。二次掺混空气的比例大约是头部空气的三分之一。
另外，所述氢氧喷口包括氢气喷口和氧气喷口，它们交错地布置。这样使得燃烧迅速、完全和温度更均匀，稳定范围更宽。
另外，在若干个氢气喷口和氧气喷口中，多数为喷口轴线垂直于氢氧喷注环，少数为喷口轴线斜交于氢氧喷注环。这样大部分氢气和氧气顺流动方向直喷，既有利于混合均匀，同时氢氧直接燃烧也使得燃烧更加充分而且稳定性好，还有少部分氢气和氧气喷注向中心汇聚，这部分是保证可靠点火以及兼顾中心区的温度均匀。
更进一步地，在交错地布置的氢气喷口和氧气喷口中，相邻的一个氢气喷口和一个氧气喷口为一组，喷口轴线垂直于氢氧喷注环的有8组，喷口轴线斜交于氢氧喷注环的有4组，这4组喷口均匀地分布在氢氧喷注环。
另外，每个内环空气喷口设在每组氢气喷口和氧气喷口的间隙处。这样能够更好更均匀地冷却氢氧喷注环的内壁。
本发明的有益效果如下：
①氢氧直接燃烧的方式，氢氧摩尔比例是固定的，纯氢氧燃烧温度在3300K左右，火焰稳定。
②空气采用多区混合方式，分段混合，保证燃烧稳定。混合区分为头部混合区、尾端掺混区。
③火焰高温区处于燃烧室中心区域，壁面热负荷小。
④采用空气冲击和气膜冷却方式，燃烧室的热损失小。
⑤可以长时间连续工作。
⑥加热器温度通过调节氢氧的流量以及对应的空气流量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，燃烧室头部在燃烧室的左侧，其特征在于：燃烧室包括氢氧喷注环喷注本体(1)、内环空气喷注本体(2)、外环空气喷注单元(3)、二次掺混空气喷注单元(4)；氢氧喷注环喷注本体、内环空气喷注本体、外环空气喷注单元在燃烧室头部(5)的左侧，二次掺混空气喷注单元在燃烧室头部的右侧；氢氧喷注环喷注本体突出于空气流，其具有交错布置的氢氧喷口(6)，这些氢氧喷口组成氢氧喷注环(7)，较多部分的氢氧喷口顺流动方向直喷，较少部分的氢氧喷口向中心汇聚喷注，所述氢氧喷注环处于燃烧室中心区域，点火器(8)位于所述氢氧喷注环的中心；内环空气喷注本体喷注空气到氢氧喷注环的内壁；外环空气喷注单元在距离燃烧室头部的第一距离L1处，外环空气喷注单元喷注到氢氧喷注环的外壁；二次掺混空气喷注单元在距离燃烧室头部的第二距离L2处，二次掺混空气喷注单元喷注到燃烧室(9)的筒壁内。
2.根据权利要求1所述的高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，其特征在于：L1是Da的4-6倍，Da是外环空气喷注单元的主喷嘴的直径。
3.根据权利要求2所述的高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，其特征在于：内环空气喷注本体和外环空气喷注单元的喷注形成气膜，冷却氢氧喷注环喷注本体，保护燃烧室壁面。
4.根据权利要求3所述的高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，其特征在于：所述氢氧喷注环喷注本体的截面为圆环多孔结构。
5.根据权利要求4所述的高超声速高焓地面模拟设备的加热器燃烧室，其特征在于：二次掺混空气喷注单元包括多排气孔，气孔的直径在2-5mm之间。
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