CN108776020B - 一种空心砖蓄热加热的试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空心砖蓄热加热的试验系统，工作分为四个阶段。燃气预热阶段：甲烷(或天然气)和空气燃烧器产生的高温燃气自上而下流过蓄热阵以相对较低的速率将热量储存蓄热阵，并满足预定的初始温度分布要求，然后通过空气出口排出；增压阶段：燃烧器停止工作，出口高温阀关闭，高压空气进口阀打开，通过气源向加热器内充入试验高压空气，以可控的速率向加热器缓慢增压至所需的滞止压力条件；试验运行阶段：空气自下而上流经加热器蓄热体，使气流与蓄热体发生对流换热而得到升温，气流以接近于蓄热体出口端温度的水平流出加热器。结束阶段：试验完成后，首先关闭主空气气路，进行相应的吹除，关闭高温快速阀门，进入下次试验准备阶段或自然冷却结束实验。

Description

一种空心砖蓄热加热的试验系统
技术领域
本发明涉及超燃冲压发动机地面实验技术领域，具体的说，涉及蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统以及测控系统。
背景技术
到目前为止，最实际和常用的连续式能量添加方式主要有电弧加热、燃烧加热、电阻加热、蓄热式加热等。其中电弧加热和燃烧加热方式会产生污染，使得试验工质的物理特性不完全等同于空气。电阻加热和蓄热式加热方式产生的是纯净的试验空气，但受常规电阻加热元件的限制，电阻加热方式难以突破飞行马赫数5.0以上的模拟能力。目前，蓄热式加热器是目前获取马赫数6以上高温纯净试验空气的最佳解决方案，最高可以模拟至马赫数8。现有的公开技术文献中，美国的ASE公司完成了一套基于可再生式蓄热加热器的全尺寸高温纯空气风洞设计方案，采用的两个蓄热加热器分别为常规氧化铝蓄热式加热器和氧化锆蓄热式加热器，可以供应滞止温度范围覆盖马赫数2～8范围的大流量纯净试验空气，试验持续时间至少120s。日本宇航院的吸气式冲压发动机试验设备采用氧化铝空心砖型蓄热式加热器来产生高温纯净试验空气，具备马赫数4、6、8三个模拟状态的试验能力。法国空间局S4高超声速下吹式风洞采用氧化铝卵石床蓄热式加热器，可提供总温达1850K的大质量流量纯净空气。国内只有航天701研究所现有一套基于氧化铝卵石床蓄热式加热器的试验系统，但其模拟温度不超过1000K，而且粉尘颗粒污染严重。目前国内还没有用于高超声速风洞的空心砖蓄热加热的试验系统。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统及测控系统。
蓄热式加热器中心蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖。隔热层总共布置三层，热衬采用氧化锆空心球砖或氧化铝空心球砖，厚度为150mm，内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用HA耐火纤维叠块，在外环隔热层和压力容器之间，布置一薄层石棉板，以缓冲材料热胀冷缩的应力。隔热层按照最高温度2200K设计，该种布置可把外环隔热层表面温度控制在380K以内。压力容器罐体总高约为7000mm，设备外径约为φ1600mm。罐体底部为具有较强承压能力的圆弧面结构，安装浇注料及高温耐热钢底座，中部为一个圆柱形罐体，安装蓄热体、隔热层；上部一个锥角为60°的倒扣圆锥罐体，隔热层包围着一个锥形空腔，可为天然气燃烧和高温高压空气蓄积提供足够空间。中部柱体与顶部倒扣圆锥罐体之间采用法兰连接，以方便蓄热阵及隔热层的安装。
预热燃烧器采用与加热器一体化设计方案。助燃空气进气口焊接在加热器顶部法兰面上，通过法兰与管道连接；天然气管路穿过助燃空气进气口喷射入加热器。天然气在加热器上部罐体中完成燃烧，利用加热器中较厚的隔热层布置，可有效防止高温燃气对罐体壁面的加热。天然气进口通径为φ50mm，空气由天然气进气管周围进入，进口通径为φ200mm，该管路考虑了后续总温提升状态下预热燃气流量需增大的情况。在助燃空气进口处设计一组旋风叶片，使得助燃空气喷注进入加热器后产生强烈的旋转，经下方点火器点燃后，火焰将向四周(径向)分布呈圆盘形状，并且紧贴隔热层的内表面。这样的设计即可以加强天然气和助燃空气的混合，进而减小火焰长度，也将使得燃气温度分布更加均匀，从而有利于蓄热体中心和外围的一致加热。在点火器下游不远位置处，设置一个火检仪，用于检查天然气是否点燃、燃烧是否停止，保障设备能够安全运行。
本发明中高压空气气源经过减压后以一定的速率、压力向蓄热加热器容器内增压，待压力稳定后即准备进入试验状态。助燃空气采用鼓风机直接从大气获得，其中助燃空气需经由空气滤清器清洁后进入加热器。天然气供应系统气源采用工业气瓶，通过手动减压阀控制音速喷嘴的压力，保证甲烷以稳定的流量供应。氮气供应系统的作用主要有：(1)作为天然气路的吹除气体：氮气吹除目的是对试验后的天然气管路进行吹除；(2)作为气动阀门的指令气。氮气供应系统由高压工业氮气瓶提供气源。选用8个12MPa、40L的工业氮气瓶组成一个汇流排，经过减压阀减压后，分多路供应到相应的气动阀和天然气供应路中。其中指令气是通过几路小流量氮气，控制工作高压空气、低压空气和天然气系统的大流量气动减压器，实现供气系统的压力调节。由于尾气的温度很高、动能较大，直接排放比较危险，所以需要设计降温降噪环节。本方案采用将尾气接入烟道中喷水冷却的方法进行处理。尾气温度控制在在200℃以内，成分主要为水蒸汽和二氧化碳。此外，在燃烧装置和试验段的上空布置喷淋水系统，作为消防和紧急情况下使用，主要包括不锈钢钢管、控制阀门、喷嘴等。为了节省费用，蓄热式加热器底部废弃的排气系统的排气系统采用钢管连接，置入烟囱底部，烟囱采用砖混结构，考虑到以后试验台的扩展能力和消音设备的安装，烟囱为方型结构。而蓄热式加热器底部的废气采用直接导引式的管道，冷却水由排气筒内喷入，废气被排气筒中的冷却水降温后从排气风筒排出试验间外。
本发明中的高温高压空气排放通过双膜片系统实现，该系统由双膜结构和两个气路组成。双膜腔不加隔热层，通径为φ400mm；两个气路一是膜片保护气路，二是双膜腔充气放气气路。
系统中用到的高温开关阀有三处，分别是纯净空气入口、蓄热加热器底部燃气出口和高温纯净空气出口，其中高温纯净空气出口称为超高温快速阀。本发明中高压空气经过蓄热阵后进入试验段的超高温快速阀采用直角截止阀，其结构合理，采用启动装置，启闭件为圆柱形阀芯，可以在1秒时间内实现快速开启和关闭，动作灵敏。
高压水供应系统主要作用是提供一定流量和压力的工业软化水，主要用途包括：(1)用于试验部件的冷却；(2)试验台水喷淋消防；(3)废气喷淋降温。将自来水经过软化器软化后，存贮在水贮箱中，经过增压泵增压后，供入相应的部位。其中，冷却用的部分包括：高温阀、废气排出管路、高温阀出口后的总温总压测量装置、预热燃烧器等。系统中对关键位置的水流量，如高温阀的冷却水，安装流量计进行流量的调节和测量，保证供应给试验系统的水流量满足要求。
本发明中控制系统由两部分组成：预热燃烧器控制系统和加热器运行控制系统。根据控制系统基本设计要求和功能要求，安全性、可靠开行设计原则，采用工控计算机(IPC)、可编程控制器(PLC)构成硬件平台，其中可编程控制器(PLC)完成试验程序控制功能和试验储箱压力调节控制功能，工控计算机(IPC)完成试验工艺状态和试验工艺参数的实时显示，两者之间采用以太网进行数据通讯。对于本加热器系统，需要测量的温度、压力主要有以下几个：(1)高温阀后的高焓空气的总温总压；(2)蓄热器不同轴向位置、不同深度的静温、静压测量；(3)供应系统中的温度、压力测量；(4)流量测量。
有益效果
本发明的试验系统工作分为四个阶段，分别如下
(1)燃气预热阶段：甲烷(或天然气)和空气燃烧器产生的高温燃气自上而下流过蓄热阵，以相对较低的速率将热量储存蓄热阵，并满足预定的初始温度分布要求，然后通过空气出口排出，该过程所需的时间较长，约4个小时以上。
(2)增压阶段：燃烧器停止工作，出口高温阀关闭，高压空气进口阀打开，通过气源向加热器内充入试验高压空气，以可控的速率向加热器缓慢增压至所需的滞止压力条件。
(3)试验运行阶段：空气自下而上流经加热器蓄热体，使气流与蓄热体发生对流换热而得到升温，气流以接近于蓄热体出口端温度的水平流出加热器，并达到风洞试验的参数要求。
(4)结束阶段：试验完成后，首先关闭主空气气路，进行相应的吹除，关闭高温快速阀门，进入下次试验准备阶段或自然冷却结束实验。试验气流通过加热器蓄热阵后的温度，在很大程度上取决于蓄热阵顶部的温度水平。这里最大的温度值要受限于蓄热材料与隔热材料可允许的使用温度。此外，在试验阶段，高温阀出口空气的温度将随时间有所下降，一般称为温度衰减。对于一个给定尺寸的加热器蓄热阵，温度衰减主要取决于气流质量流量和蓄热阵长度方向的温度梯度。对于任何质量流量的气流，如果试验开始时整个蓄热阵都被预热至所需的温度水平，温度衰减值将是最小的。但由于蓄热阵的温度梯度总是存在，因此温度衰减值总大于最小值。
该空心砖蓄热加热的试验系统可以达到的试验能力如下：
模拟燃烧室进口总压Pt＝1.0～5.0MPa；模拟燃烧室进口总温Tt＝900～2200K，可满足飞行马赫数4～7的飞行要求；气流质量流量
Figure GDA0001729854310000051
有效的工作时间不小于30sec。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种空心砖蓄热加热的试验系统作进一步的详细说明。
图1为本发明加热系统配置示意图。
图2为加热系统整体结构示意图。
图3为本发明加热器主体结构示意图。
图4为本发明双膜片系统结构示意图。
图5为本发明压力容器罐体结构三维示意图。
图中
1.鼓风机 2.空气滤清器 3.压力表 4.压力传感器 5.气动双位蝶阀 6.差压传感器 7.文氏流量计 8.气动球阀 9.减压阀 10.截止阀 11.排气阀 12.天然气瓶组 13.点火器 14.压力传感器 15.火检仪 16.温度传感器 17.节流阀 18.调压阀 19.电动高温高压球阀 20.高压空气罐 21.助燃空气管路 22.高压空气主进气管路 23.天然气供气管路24.燃烧器保护管路 25.设备主体 26.预热燃气排放管路 27.双膜腔放气管路 28.膜片保护管路 29.双膜腔充气管路 30.地沟及台阶 31.厂房基础 32.预燃燃烧器 33.双膜片系统 34.支架 35.加热器 36.膜片压盖 37.前膜片 38.膜片腔 39.后膜片 40.出气口 41.温度测量接口 42.排气口 43.高压空气入口
具体实施方式
本实施例是一种超燃冲压发动机燃烧室地面试验系统。
加热器结构系统由厂房基础、设备主体、天然气管道及阀门、助燃空气管道及阀门、高压空气管道及阀门、预热燃烧器保护管道及阀门、高温预燃燃气排放管路及阀门、膜片保护管道及阀门、双膜腔充气和放气管道及阀门，如图2(a-d)所示。
加热器系统厂房基础所占区域尺寸为15m×9m。安装设备主体需挖深约5300mm的地沟，地沟长6500mm，宽3700mm。为便于在地沟内进行高温预热燃气排放管道与阀门的操作与维护，地沟内建造多层台阶至厂房地面。设备主体安装后，零标高上结构高度约2920mm，空气排气口距地面约为1100mm。
设备主体由加热器本体、预热燃烧器本体、双膜片结构、支架等构成，如图3所示。主体结构总长约7000mm，容器最大外径为φ1600mm，总重约29t。主体结构通过两个支架支撑在厂房基础上，加热器罐体伸入地沟内约4560mm。
蓄热体采用高纯氧化铝空心砖和氧化锆空心砖，蓄热体高度为4000mm。蓄热体分两圈布置，中心为外圆柱形空心砖，外围铺设一层扇形空心砖。蓄热体位于加热器中心区，其分块间由止口定位，交错排列，以保证通气孔在安装和使用中的对齐需要。块与块间留有膨胀间隙，防止块受热膨胀后相互挤坏蓄热阵块。为减少热应力载荷的破坏影响。
热衬采用氧化锆空心球砖，各层设有止口定位，以保证其成型需要。内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用HA耐火纤维叠块。各层分块间交错排列以防止在蓄热体与容器壁间形成热桥，进而危及容器安全，同时分块在径向和周向留有膨胀间隙，防止块受热膨胀后挤坏砖块。
浇注底座位于压力容器底部，采用半轻质浇注料捣打成型，外径约1450mm，高约500mm，重约600kg。浇注底座上部嵌入的锥形支撑框架用于承受蓄热体，采用材料是不锈钢，框架顶部为带孔圆板，开孔大小及位置与蓄热体相对应，以保证高压气流通畅。
预热燃烧器燃烧段长约1300mm，进气口内径为φ200mm，可为燃烧提供足够空间，助燃空气采用静止叶片导向，以产生有利于气流混合的强旋转气流。采用高能电火花点火器点火，安装火检仪器对燃烧状况进行监测。
双膜片系统由膜片腔、膜片压盖和前、后膜片组成。膜片腔腔体内径为φ400mm，内部不布置隔热层结构如图4所示。
压力容器罐体总长6100mm，内径为φ1450mm，总重约13t，如图5所示。根据试验要求，下部段及其内的浇注底座、支撑框架可以进行适当的更换。罐体外表面留有12个温度测量接口，其中最下部圆周均匀分布3个，另外沿轴向分布9个。在隔热设计中应保证隔热层外侧(容器内壁温)尽可能均匀，隔热层外壁温控制在400K以内。所以，压力容器罐体设计温度定为400K，设计压力为6MPa，材料采用16MnR(400K温度下许用应力159MPa)。
管道及阀门系统根据安装场地初步布置如图2，基本配置见图1。其中，高压空气管道通径为φ100mm，从厂房内直接接入所区的高压空气管路；天然气采用高压天然气瓶组；助燃空气采用鼓风机直接从大气获得；高温预热燃气排放管路初始段气流通径为φ160mm，管内浇注一层隔热材料，厚度为60mm左右，其后连接一个高温高压球阀，球阀后管通径扩展为φ400mm，从地沟沿水平方向直通到厂房外，排气口斜向上，排放方式为鼓风机抽吸引射。

Claims (8)

1.一种空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：包括蓄热式加热器、预热燃烧器、配气与管路系统、超高温快速阀、冷却水系统及测控系统；蓄热式加热器的中心蓄热体采用高纯度氧化铝空心砖和氧化锆空心砖，共布置三层，热衬采用氧化锆空心球砖或氧化铝空心球砖，内环隔热层采用莫来石轻质砖，外环隔热层采用HA耐火纤维叠块，在外环隔热层和压力容器之间，布置一薄层石棉板；
预热燃烧器与蓄热式加热器一体化设计，助燃空气进气口焊接在加热器顶部，通过法兰与管道连接，天然气管路穿过助燃空气进气口喷射入加热器，天然气进口通径为φ50mm，空气由天然气进气管周围进入，进口通径为φ200mm，在助燃空气进口处设计一组旋风叶片，下游依次布置点火器和火检仪；
配气与管路系统包括高压空气系统、助燃空气系统、天然气供应系统、氮气供应系统、燃烧尾气排放系统和加热器废气排放系统；
氮气供应系统的气源由高压工业氮气瓶提供，选用8个12MPa、40L的工业氮气瓶组成一个汇流排，经过减压阀减压后，分多路供应到相应的气动阀和天然气供应路中，用作气动阀门的指令气和天然气路的吹除气体；
空心砖蓄热加热的试验系统采用的高温高压空气排放通过双膜片系统实现，双膜片系统由双膜结构和两个气路组成，不加隔热层，通径为φ400mm，两个气路分别是膜片保护气路和双膜腔充气放气气路。
2.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：压力容器罐体总高约为7000mm，设备外径约为φ1600mm，罐体底部为圆弧面结构，安装浇注料及高温耐热钢底座，中部为一个圆柱形罐体，安装蓄热体、隔热层；上部一个锥角为60°的倒扣圆锥罐体，隔热层包围着一个锥形空腔，中部柱体与顶部倒扣圆锥罐体之间采用法兰连接。
3.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：高压空气气源经过减压后以一定的速率、压力向蓄热加热器容器内增压，待压力稳定后即准备进入试验状态。
4.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：助燃空气管路中助燃空气采用鼓风机直接从大气获得，其中助燃空气经由空气滤清器清洁后进入加热器。
5.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：天然气供应系统的气源采用工业气瓶，通过手动减压阀控制音速喷嘴的压力。
6.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：超高温快速阀采用直角截止阀，启闭件为圆柱形阀芯。
7.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：冷却水系统采用将自来水经过软化器软化后，存贮在水贮箱中，经过增压泵增压后，供入相应的部位。
8.根据权利要求1所述的空心砖蓄热加热的试验系统，其特征在于：测控系统采用工控计算机(IPC)、可编程控制器(PLC)构成硬件平台，其中可编程控制器(PLC)完成试验程序控制功能和试验储箱压力调节控制功能，工控计算机(IPC)完成试验工艺状态和试验工艺参数的实时显示，两者之间采用以太网进行数据通讯。
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