CN109611209A - 一种防串腔的高温燃气生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于冲压发动机直连试验领域，提供了一种防串腔的高温燃气生成装置，解决现有燃烧加热装置存在串腔的风险引起爆炸性危害的问题。该装置包括加热装置头部、加热装置身部及加热装置喉部；加热装置头部包括喷注器、点火器、酒精接管嘴、液氧接管嘴、空气接管嘴；喷注器内的点火器腔、环形酒精腔、环形液氧腔、环形空气腔不连通；环形酒精腔一端与酒精接管嘴相通，另一端设有酒精喷嘴；环形液氧腔一端与液氧接管嘴相通，另一端设有液氧喷嘴；环形空气腔一端与空气接管嘴相通，另一端设有空气喷嘴；喷注器一整体结构，点火器位于点火器腔，且出口朝向加热装置身部。

Description

一种防串腔的高温燃气生成装置

技术领域

本发明属于冲压发动机直连试验领域，具体涉及一种防串腔的高温燃气生成装置。

背景技术

飞行试验中所使用的冲压发动机，从大气中吸取空气作为工质，它的内流和外流工作状况由一定飞行高度的大气参数：静压、静温和飞行速度决定，它的独立参数是总压、总温和飞行马赫数。对于直连试验，不需要模拟进气道超声速部分的工作状态，模拟进气道平均参数是从进气道进口或喉部界面开始。在内流过程中，独立的模拟参数只有两个，即在流量、总压和总温三个模拟参数中，只要模拟了其中的两个参数，另一个参数必然自动得到模拟。在直连试验模拟技术中，就是利用这个基本道理，通过对来流加热达到要模拟的总温，通过对来流节流调压达到要模拟的总压值，使在发动机进气口有效通道面积处的总压达到发动机飞行过程中的总压值，这样发动机的流量及其它所有的气动平均参数必然得到了模拟。

来流加热是对发动机进气道入口气流进行加热升温，具体温升值根据发动机飞行环境参数计算，来流加热是整个来流模拟系统中最关键的部分，来流加热技术有蓄热式、电加热式及燃烧加热式，其中蓄热式来流模拟总温低，工作时间短，而直连试验需要模拟长时间试验时往往无法进行。采用电加热式加热装置，当加热流量过大，耗费电能往往是惊人的，而且模拟总温低，在试验系统设计时往往因电能不足而无法实现发动机全飞行区域的温度模拟。采用燃烧加热式加热装置，燃气热流密度大，功率高，起动迅速，可进行短程和长程直连试验模拟，是来流模拟最优的解决方案。

现有的燃烧加热装置如图1所示，包括头部喷注器04、身部05，头部喷注器上自下而上设有酒精进口02、来流空气(常温空气)进口03、液氧进口01，采用液氧、酒精同轴离心式喷嘴喷注雾化，空气直流喷嘴喷注，身部的高温燃气口06产生试验所需的高温燃气，整个喷注器各层之间采用钎焊连接07，如图2所示，但是往往因钎焊质量缺陷(或使用一段时间后钎焊质量下降)，整个喷注器各层之间存在串腔的风险，如若液氧和酒精一旦串腔将带来灾难性后果(爆炸)，试验台在使用过程中存在因串腔引起的爆炸性危害。同时因离心喷嘴切向孔加工复杂，一般为0.5～1.2mm的小孔，精度等级高，往往因孔的加工偏差造成流量范围的变化，会造成与设计工况的偏离，同时离心喷嘴与每个腔之间采用钎焊连接，如果单个喷嘴出口端面的局部存在微小烧蚀，那么整台加热装置将报废，试验系统使用、维护存在诸多不便。

发明内容

本发明的目的是解决现有燃烧加热装置存在串腔的风险，导致爆炸性危害的技术问题，提供了一种防串腔的高温燃气生成装置。

本发明的技术方案是：

一种防串腔的高温燃气生成装置，包括加热装置头部、加热装置身部及加热装置喉部；其特殊之处在于：所述加热装置头部包括喷注器、点火器、酒精接管嘴、液氧接管嘴及空气接管嘴；所述喷注器为圆盘结构，其由轴心往外依次开有同心设置且不连通的点火器腔、环形酒精腔、环形液氧腔、环形空气腔；所述环形酒精腔一端与酒精接管嘴相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部的酒精喷嘴；所述环形液氧腔一端与液氧接管嘴相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部的液氧喷嘴；所述环形空气腔一端与空气接管嘴相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部的空气喷嘴；所述点火器腔、环形酒精腔、环形液氧腔、环形空气腔、酒精喷嘴、液氧喷嘴、空气喷嘴为一体件；所述点火器位于点火器腔，且出口朝向加热装置身部。

进一步地，上述酒精喷嘴和液氧喷嘴均为自击喷嘴。

进一步地，上述酒精喷嘴的撞击角度大于液氧喷嘴的撞击角度。

进一步地，上述酒精喷嘴的撞击角度为70度；所述液氧喷嘴的撞击角度为60度，效果为最好。

进一步地，酒精喷嘴的撞击高度点为3mm；液氧喷嘴的撞击高度点为5mm。

进一步地，所述空气喷嘴为空气直流喷嘴。

进一步地，所述空气喷嘴为沿圆周方向平行设置的两圈。

进一步地，所述点火器包括依次连通的点火器头部、点火器身部、点火器喷管；所述点火器头部设有点火器酒精接嘴和点火器空气接嘴，点火器身部固定在喷注器的一侧，点火器喷管设置在点火器腔内，且出口朝向加热装置身部。

进一步地，所述点火器身部与喷注器通过法兰连接。

进一步地，所述加热装置头部与加热装置身部之间、加热装置身部与加热装置喉部之间均采用第一法兰和第二法兰连接，所述第一法兰和第二法兰之间设置有石墨缠绕垫片。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的高温燃气生成装置能够进行短程和长程的点火试验，加热装置头部的各个腔室互相独立，加热装置头部整体式加工，能够有效防止串腔导致的爆炸危害的风险，而且整体加工费用比钎焊费用低，降低了生产和试验成本。

2、酒精喷嘴和液氧喷嘴均为自击喷嘴，液相撞击完成后，氧化剂和燃料的混合在射流的撞击点下游形成的喷雾扇形区域，避免了互击单元设计中大部分活性射流的分层，能够保持燃烧稳定性。

3、酒精喷嘴和液氧喷嘴设计合适的撞击角以及得到较好的喷雾扇的质量分布和液滴尺寸的分布，同时能够防止回流引起的喷注器面的烧蚀。

4、酒精撞击点的高度低于液氧撞击高度(酒精腔低于液氧腔)，酒精撞击点低于液氧，可以在喷注器近壁面形成富燃区域，防止回流引起的烧蚀。同时当富氧点火器工作时，点火器出口外层为空气，可以与加热装置的酒精层首先接触，形成一定混合比的混合气体，便于燃烧室点火与火焰传播。

5、点火器和喷注器共用了供应工质，减小了供应系统的复杂性。

6、通过一定数量的高温燃气生成装置能够满足发动机模拟包线范围。

7、气流通过整个温度模拟设备总压损失小，对燃气流的污染小，温度控制灵活，热惯性小。

附图说明

图1为现有加热装置示意图；

图2为图1中B处放大图。

其中，附图标记如下：

01-液氧进口，02-酒精进口，03-来流空气(常温空气)进口，04-头部喷注器，05-身部，06-高温燃气口，07-钎焊连接。

图3为本发明防串腔的高温燃气生成装置的结构示意图；

图4为图3的局部示意图；

图5为本发明防串腔的高温燃气生成装置中喷注器的局部剖视图。

其中，附图标记如下：

1-点火器空气接嘴、2-点火器头部、3-点火器酒精接嘴、4-酒精接管嘴、5-液氧接管嘴、6-空气压力测点、7-空气接管嘴、8-加热装置头部、9-加热装置身部、10-螺栓、11、第一法兰、12-第二法兰、13-螺母、14-液氧喷嘴、15-环形液氧腔、16-酒精喷嘴、17-环形酒精腔、18-点火器与加热装置连接件、19-点火器身部，20-点火器腔，21-加热装置喉部，22-环形空气腔，23-喷注器，24-空气喷嘴，25-点火器喷管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供的一种防串腔的高温燃气生成装置，其加热装置头部实现整体式加工，从根本上解决串腔风险的发生，并且在结构上加热装置头部与加热装置身部9实现分体式安装，解决试验台使用、便于检查和维护方便。

如图3至图5所示，一种防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：包括加热装置头部8、加热装置身部9及加热装置喉部21；所述加热装置头部8包括喷注器23、点火器、酒精接管嘴4、液氧接管嘴5及空气接管嘴7；喷注器23为圆盘结构，其由轴心往外依次开有点火器腔20、环形酒精腔17、环形液氧腔15、环形空气腔22，且点火器腔20、环形酒精腔17、环形液氧腔15、环形空气腔22均互相独立；所述环形酒精腔17一端与酒精接管嘴4相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部9的酒精喷嘴16；所述环形液氧腔15一端与液氧接管嘴5相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部9的液氧喷嘴14；所述环形空气腔22一端与空气接管嘴7相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部的空气喷嘴24；所述点火器腔20、环形酒精腔17、环形液氧腔15、环形空气腔22、酒精喷嘴16、液氧喷嘴14、空气喷嘴24为一整体结构；所述点火器位于点火器腔20，且出口朝向加热装置身部9；所述加热装置头部8与加热装置身部9之间、加热装置身部9与加热装置喉部21均采用第一法兰11和第二法兰12连接，第一法兰11和第二法兰12之间通过螺栓与螺母进度固定，为了提高密封性，所述第一法兰11和第二法兰12之间设置有石墨缠绕垫片。

点火器包括依次连通的点火器头部2、点火器身部19、点火器喷管25；所述点火器头部2设有点火器酒精接嘴3和点火器空气接嘴1，点火器身部19固定在喷注器23的一侧，点火器喷管25设置在点火器腔20内，且出口朝向加热装置身部9，舍弃了目前常用的气氧/酒精点火器中气氧工质，减小了供应系统的危险性，点火器采用火花塞引燃的方式，加热装置身部9采用膜冷却的措施，无需水冷即可工作，点火器工作正常后，供入加热装置身部9所需液氧、酒精、空气三种工质，液氧/酒精/空气在加热装置身部9的燃烧室内稳定燃烧，加热装置喉部21的出口产生试验所需的高温燃气。

加热装置头部8采用了整体锻造(喷注器)、在头部结构锻造完成后仅需按照要求进行必要的机械加工(铣槽、钻孔、车削等)，无需钎焊，就能够得到加热装置头部8喷注器部分，整体式加工能够保证液氧与酒精从设计时就能够做到腔之间有效隔离，而且整体加工费用比钎焊大幅度降低。

喷注器23的喷注雾化方式采用液氧、酒精两种液相自击雾化、混合，空气分层供应的方式，喷注面中心为点火器喷管25安装位置，点火器为富氧火炬点火器，点火器周围第一层布置酒精自击雾化喷嘴，撞击角度为70度，撞击高度点为3mm，第二层布置液氧自击雾化喷嘴，撞击角度为60度，撞击高度点为5mm。酒精撞击点高度低于液氧撞击高度2mm，酒精在撞击完成后，在喷注器23面上形成了酒精回流，在喷注面形成了酒精液膜，防止了喷注器23面烧蚀；酒精撞击点过高，燃烧室高温燃气回流及热辐射将对喷注器面带来严酷的加热，最终往往造成烧蚀喷注器面；酒精撞击点过低时，酒精撞击后在喷注器面上将会进行反射，无法形成酒精液膜冷却喷注器面，也会造成喷注面的烧蚀。最外层布置两层空气直流喷嘴，内层空气从直流喷嘴流入燃烧室后参与了液氧与酒精的燃烧过程，外层空气对燃烧室身部进行气膜冷却。如果喷注器23内第一层布置液氧、第二层布置酒精，外层布置空气喷嘴24，将带来点火困难的问题，因为点火器为富氧点火器，身部气膜冷却，形成“气包火”的火焰结构，火焰锋面本身为氧含量过高，喷出点火器后，周围为低温液氧，将带来更为富氧的环境，同时液氧雾化后需要蒸发变为氧气，吸取了点火器火炬大量的热量，降低了点火器的点火能量和燃气温度，容易造成点不着火的现象，因此，本发明考虑了点火器工作后点火的可靠性和燃烧室液氧、酒精与空气的布局，设计了该种防串腔能够可靠点火同时具有一定烧蚀余量的整体性加热装置头部8喷注器，在工质使用上充分考虑了系统的共用。

加热装置喷注器面背面为液氧、酒精同心圆集液槽，能够同时对喷注器面背部整体冷却，使得整个喷注器前后面得到了良好的冷却。各集液槽之间为整体机加出的隔离板，在隔离板上部焊接盖板，盖板上设置各种工质供应和测量接口，互不干涉。

因生成装置供应、测量系统较多，试验完成后需要进行喷注面检查工作，就需要拆除整个供应、测量系统，然后整体将生成装置拆除出来进行检查，本发明设计的加热装置身部9与加热装置头部8、加热装置头部8与加热装置身部9喉部均采用法兰可靠连接，身部为固定支架安装处，能够保证头部与身部分离，在拆除过程中，可以仅拆除头部或身部即可，为试验台减小了大量的工作量，也提高了试验台工作效率和准备周期。

点火器与加热装置连接件18用于固定点火器与喷嘴器，其为法兰连接，一周布置八个连接孔，通过螺栓固定，点火器喷管与喷注器的点火器腔之间采用紫铜垫片进行密封。

一定的飞行状态(飞行高度及飞行马赫数)决定了发动机迎面气流总温，一种新型冲压发动机来流模拟装置作为在地面试验设备上模拟飞行时进入发动机气流的总温之用，同时解决燃烧效率的修正与补氧问题，能有效防止加热装置头部8串腔风险，适应气流温度：300K～2300K，均匀性±30K，准确性±30K，热平衡时间<50s。

本实施例的生成装置在热调试过程中，具备以下优点：

1)通过一定数量的加热装置能够满足发动机模拟包线范围；

2)温度准确度较高，偏差小于±30K；

3)温度控制灵活，热惯性小；

4)出口气流均匀度小于±30K；

5)对燃气流的污染小；

6)气流通过整个温度模拟设备总压损失小。

本实施例的生成装置，如果加热装置喷注器面出口端面出现微小烧蚀，可将喷注器面进行拆除，通过简单的铣削加工，将烧蚀层整体铣削切除，再通过液流试验确定喷嘴的状态即可。

通过多次试验的考核，点火器能够正常工作，点火可靠性高，无烧蚀问题，生成装置能够进行短程和长程的点火试验。整体式加工的喷注器23能够采用通用的机加和焊接实现试验台直连试验系统最关键设备的生产，大大降低了生产和试验成本，同时能够有效防止串腔风险，点火器和加热装置共用了供应工质，减小了供应系统的复杂性。

本发明的工作过程首先是火花塞通电、然后通入点火器所需点火空气和点火酒精，在火花塞放电的过程中引燃按照一定比例混合的酒精和空气的混合物，形成点火火炬，最后通入液氧、酒精、空气，由点火火炬引燃加热装置三种工质的混合物，在加热装置喉道出口形成高温燃气。当加热装置稳定工作后，即可关闭点火器及火花塞。

Claims (10)

1.一种防串腔的高温燃气生成装置，包括加热装置头部(8)、加热装置身部(9)及加热装置喉部(21)；其特征在于：

所述加热装置头部(8)包括喷注器(23)、点火器、酒精接管嘴(4)、液氧接管嘴(5)及空气接管嘴(7)；

所述喷注器(23)为圆盘结构，其由轴心往外依次开有同心设置且不连通的点火器腔(20)、环形酒精腔(17)、环形液氧腔(15)、环形空气腔(22)；

所述环形酒精腔(17)一端与酒精接管嘴(4)相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部(9)的酒精喷嘴(16)；

所述环形液氧腔(15)一端与液氧接管嘴(5)相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部(9)的液氧喷嘴(14)；

所述环形空气腔(22)一端与空气接管嘴(7)相通，其另一端沿圆周方向设有开口朝向加热装置身部的空气喷嘴(24)；

所述点火器腔(20)、环形酒精腔(17)、环形液氧腔(15)、环形空气腔(22)、酒精喷嘴(16)、液氧喷嘴(14)、空气喷嘴(24)为一体件；

所述点火器位于点火器腔(20)，且出口朝向加热装置身部(9)。

2.根据权利要求1所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述酒精喷嘴(16)和液氧喷嘴(14)均为自击喷嘴。

3.根据权利要求2所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述酒精喷嘴(16)的撞击角度大于液氧喷嘴(14)的撞击角度。

4.根据权利要求3所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述酒精喷嘴(16)的撞击角度为70度；

所述液氧喷嘴(14)的撞击角度为60度。

5.根据权利要求4所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：酒精喷嘴(16)的撞击高度点为3mm；

液氧喷嘴(14)的撞击高度点为5mm。

6.根据权利要求4所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述空气喷嘴(24)为空气直流喷嘴。

7.根据权利要求1至6任一所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述空气喷嘴(24)以喷注器轴线为圆心周向分布两圈。

8.根据权利要求1所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述点火器包括依次连通的点火器头部(2)、点火器身部(19)、点火器喷管(25)；

所述点火器头部(2)设有点火器酒精接嘴(3)和点火器空气接嘴(1)，点火器身部(19)固定在喷注器(23)的一侧，点火器喷管(25)设置在点火器腔(20)内，且出口朝向加热装置身部(9)。

9.根据权利要求8所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述点火器身部(19)与喷注器(23)通过法兰连接。

10.根据权利要求1所述防串腔的高温燃气生成装置，其特征在于：所述加热装置头部(8)与加热装置身部(9)之间、加热装置身部(9)与加热装置喉部(21)之间均采用第一法兰(11)和第二法兰(12)连接，所述第一法兰(11)和第二法兰(12)之间设置有石墨缠绕垫片。