CN110595792B - 组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，包括上下连接且相连通的喷注器和燃烧室；沿喷注器的中轴线处贯通开设有一上下敞口的中心腔，与燃烧室相连通，中心腔内轴向设置有电火花点火器。上述喷注器为三腔室结构，三个腔室分别为氧气腔、空气腔和酒精腔，各腔室均为回转体状，其中，氧气腔环绕于中心腔，空气腔环绕于氧气腔外侧，酒精腔位于氧气腔的下部；氧气腔、空气腔和酒精腔的底部均与燃烧室相连通，用于朝向燃烧室内喷注对应的氧气、空气和酒精。该模拟装置实现了可靠的喷注面板热防护，从而有效地支撑发动机的热防护方案的设计。

Description

组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置

技术领域

本发明属于火箭冲压组合发动机技术领域，具体涉及组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置。

背景技术

火箭冲压组合动力发动机通过将火箭发动机和吸气式冲压发动机集中在同一个流道中，结合火箭发动机高推重比和吸气式冲压发动机高比冲的优点，能够在较宽的马赫数范围内工作，被认为是下一代空天运载工具的主要动力系统之一。

火箭冲压组合发动机的工作速域和空域范围宽，在不同的来流条件下往往需要工作在不同的燃烧模态以获得最优的整体性能。而不同的工作模态下燃烧释热分布和条件有显著的区别，这对发动机的整体热防护带来了巨大的挑战，因此开展火箭冲压组合发动机的热防护研究显得更加迫切。然而，开展真实发动机条件下的热环境和热防护研究往往需要花费较大时间和财力，通过设计基本的超/亚声速燃烧热环境试验模拟装置对突破宽域组合发动机的热防护技术具有重要的意义。

采用燃烧型加热装置来模拟冲压发动机中的亚声速或者超声速的燃烧流动热环境，是目前最为简单和易行的试验模拟方法。酒精是燃烧型加热装置的常见燃料，气氧/酒精双组元火箭发动机的设计和应用相对成熟，多用于超燃发动机模拟燃烧室的燃烧组织等性能试验，并没有长时间稳定工作的设计需求。因此，目前设计得到能够长时间工作和简便模拟亚/超声速的加热模拟装置仍具有较大的困难，这为充分开展热环境的模拟和热防护方案的验证造成了较大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，实现了可靠的喷注面板热防护，从而有效地支撑发动机的热防护方案的设计。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，包括上下连接且相连通的喷注器和燃烧室；沿喷注器的中轴线处贯通开设有一上下敞口的中心腔，与燃烧室相连通，中心腔内轴向设置有电火花点火器。

上述喷注器为三腔室结构，三个腔室分别为氧气腔、空气腔和酒精腔，各腔室均为回转体状，其中，氧气腔环绕于中心腔，空气腔环绕于氧气腔外侧，酒精腔位于氧气腔的下部；

氧气腔、空气腔和酒精腔的底部均与燃烧室相连通，用于朝向燃烧室内喷注对应的氧气、空气和酒精。

进一步地，该氧气腔、空气腔和酒精腔的腔体顶部，在喷注器的上部成由上到下的阶梯状排布；氧气腔、空气腔和酒精腔的腔体底部，在喷注器的下部成由上到下的阶梯状排布。

进一步地，该空气腔与中心腔的下段相连通，用于将空气导流入中心腔壁与电火花点火器间形成空气喷注缝隙。

进一步地，在氧气腔的底部绕其一周间隔开设有轴向的氧气通孔；各氧气通孔内均竖直设置有气液同轴喷嘴，气液同轴喷嘴为一柱状体，沿柱状体的中轴线处贯通开设有氧气流道，氧气流道与氧气腔相连通；在柱状体的外壁上，由上而下开设有螺旋状的流道；螺旋状的流道与酒精腔相连通，用于将酒精导流至燃烧室内。

进一步地，该气液同轴喷嘴的下端出口位于对应的氧气通孔出口的上部。

进一步地，该空气腔通过多组轴向设置的空气通孔与燃烧室相连通，各组空气通孔均位于氧气腔的下部，且绕其一周间隔排布；各空气通孔均通过纵向通道与空气腔相连通。

进一步地，该空气通孔为二组，分别为第一空气通孔和第二空气通孔；第一空气通孔位于内圈，第二空气通孔位于第一空气通孔的外圈，且间隔开设在各第一空气通孔和氧气通孔间；相邻两组空气通孔位置相交错。

进一步地，在空气腔的底部绕其一周间隔开设有轴向的第三空气通孔，第三空气通孔与相邻的内圈的氧气通孔位置交错；各第三空气通孔轴向贯通酒精腔的底部，在第三空气通孔内轴向设置有空气直流喷嘴。

进一步地，还包括喷管和测试段；在燃烧室的下端连接有喷管；测试段为端部敞口的壳体。

当用于超声速气流测试时，喷管的前端与燃烧室相连通，喷管的后端与测试段相连通。当用于亚声速气流测试时，测试段的前端与燃烧室相连通，测试段的后端与喷管相连通。

本发明还公开了组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置的使用方法，使用上述的一种用于模拟组合发动机超/亚声速燃烧热环境的试验装置，使用方法如下：在压力作用下，氧气腔内的氧气通过第一空气通孔、第二空气通孔、第三空气通孔和空气喷注缝隙喷注入燃烧室内；氧气腔内的氧气通过气液同轴喷嘴的氧气流道喷注入燃烧室内，酒精腔内的酒精通过气液同轴喷嘴上的螺旋状的流道喷注入燃烧室内；通过电火花点火器点火，氧气、空气和酒精在燃烧室内燃烧。

当用于模拟超声速气流测试时，燃烧后的高温燃气依次经过喷管和测试段，由测试段的后端喷出；当用于模拟亚声速气流测试时，燃烧后的高温燃气依次经过测试段和喷管，由喷管后端喷出。

本发明一种用于模拟组合发动机超/亚声速燃烧热环境的试验装置具有如下优点：

1.酒精腔位于空气腔的下部，吸收燃烧室燃烧时的热量，一方面起到降低酒精腔底板的作用，得到可靠的喷注面板热防护；另一方面，酒精吸收热量后，对空气腔中的空气实现了加热。

2.气氧/酒精同轴喷嘴中酒精螺旋槽出口截面与氧气直流出口设定有缩进，同时氧气直流出口与喷注面板保持一定缩进，能够有效地提高燃烧效率。

3.各通孔在径向上间隔排布，且在不同圆周上设置氧气通孔，保证氧气和燃料混合均匀，提高燃烧效率。

4.燃烧室段和喉道段采用内外夹层形成冷却通道的方法，能够提供燃烧室和喉道的有效热防护。

5.利用喉道段和测试段的排列顺序调整，可以通过一个燃烧室试验装置模拟超声速和亚声速两种不同的燃烧流动热环境。

附图说明

图1是本发明组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置的结构示意图.

图2是本发明中喷注器的一个位置的纵剖面图；

图3是本发明中喷注器的另一个位置的纵剖面图；

图4本发明中喷注器的仰视图；

图5是本发明中模拟装置用于模拟超声速热环境的结构示意图；

图6是本发明中模拟装置用于模拟亚声速热环境的结构示意图；

其中：1.喷注器；1-1.酒精腔；1-2.空气直流喷嘴；1-3.气液同轴喷嘴；1-4.电火花点火器；1-5.氧气腔；1-6.空气腔；1-7.第三空气通孔；1-8.氧气通孔；1-9.第一空气通孔；1-10.第二空气通孔；2.燃烧室；3.喷管；4.测试段。

具体实施方式

本发明一种组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，如图1所示，上下连接且相连通的喷注器1和燃烧室2；燃烧室2身部采用内衬和外壳焊接结构，两者之间形成冷却通道，冷却水入口位于燃烧室下部位置，冷却水出口位于上上靠头部位置，燃烧室2身部为圆筒状。沿喷注器1的中轴线处贯通开设有一上下敞口的中心腔，与燃烧室2相连通，中心腔内轴向设置有电火花点火器1-4；中心腔的内径稍大于电火花点火器1-4的柱状杆的直径，以使两者之间有间隙，形成空气喷注缝隙。上述喷注器1底部绕其一周设置有法兰，与燃烧室2上端通过法兰连接。

喷注器1为三腔室结构，三个腔室分别为氧气腔1-5、空气腔1-6和酒精腔1-1，各腔室均为回转体状，其中，氧气腔1-5环绕于中心腔，空气腔1-6环绕于氧气腔1-5外侧，酒精腔1-1位于氧气腔1-5的下部；氧气腔1-5、空气腔1-6和酒精腔1-1的底部均与燃烧室2相连通，用于朝向燃烧室2内喷注对应的氧气、空气和酒精。各腔体的外侧均开设有开口，通过管路与外界对应的气源、酒精相连通。燃烧室2由上到下包括内部相连通的等直段和收敛段，收敛段的设置，实现将燃烧后的混合气体进行一次加速。

氧气腔1-5、空气腔1-6和酒精腔1-1的腔体顶部，在喷注器1的上部成由上到下的阶梯状排布；氧气腔1-5、空气腔1-6和酒精腔1-1的腔体底部，在喷注器1的下部成由上到下的阶梯状排布。

为了便于在各腔室的底部开孔，氧气腔1-5底部的壳体较厚，则形成了酒精腔1-1与氧气腔1-5和空气腔1-6的底部均相邻；且酒精腔1-1底部的底板为水平状，与燃烧室2直接接触。这样的设置方式，使酒精腔1-1内的酒精能够吸收燃烧室燃烧时的热量，流动注入燃烧室2内，一方面起到降低酒精腔1-1底板的作用，对底板起到热防护的作用；另一方面，酒精吸收热量后，对空气腔1-6中的空气实现了加热。

由于空气中的氮气的存在，能够带走其他气体或液体热量，起到降低装置的温度的作用，空气腔1-6与中心腔的下段相连通，用于将空气导流入中心腔壁与电火花点火器1-4间形成空气喷注缝隙。

如图2、3或4所示，在氧气腔1-5的底部绕其一周间隔开设有轴向的氧气通孔1-8；各氧气通孔1-8内均竖直设置有气液同轴喷嘴1-3，气液同轴喷嘴1-3为一柱状体，沿柱状体的中轴线处贯通开设有氧气流道，氧气流道与氧气腔1-5相连通；在柱状体的外壁上，由上而下开设有螺旋状的流道；螺旋状的流道与酒精腔1-1相连通，用于将酒精导流至燃烧室2内。即在氧气腔1-5的底部壳体上纵向开设有第一纵向通道，用于连通酒精腔1-1和螺旋状的流道，酒精沿流道注入燃烧室2内。

上述氧气通孔1-8绕底部一周间隔设置为三个，相当于环绕于电火花点火器1-4，保证了在电火花点火器1-4周围喷注足量的气体和燃料。气液同轴喷嘴1-3的下端出口位于对应的氧气通孔1-8出口端的上部。两个出口的下端存在一高度差，在喷注出对应的酒精和氧气时，能够在出口时实现混合。

空气腔1-6通过多组轴向设置的空气通孔与燃烧室2相连通，各组空气通孔均位于氧气腔1-5的下部，且绕其一周间隔排布；各空气通孔均通过纵向通道与空气腔1-6相连通。述空气通孔为二组，分别为第一空气通孔1-9、第二空气通孔1-10；第一空气通孔1-9位于内圈，与氧气通孔1-8在同一圆周上；第二空气通孔1-10位于第一空气通孔1-9的外圈，且间隔开设在各第一空气通孔1-9和氧气通孔1-8间；相邻两组通孔位置相交错。

在空气腔1-6的底部绕其一周间隔开设有轴向的第三空气通孔1-7，第三空气通孔1-7与相邻的内圈的氧气通孔位置交错；各第三空气通孔1-7轴向贯通酒精腔1-1的底部，在第三空气通孔1-7内轴向设置有空气直流喷嘴1-2。

上述氧气通孔1-8间隔设置为3个，第一空气通孔1-9间隔设置为3个，且与氧气通孔1-8在同一圆周上，第二空气通孔1-10间隔设置为6个，第三空气通孔1-7为12个，相邻的各通孔交错设置。

上述的结构设置，即在煤油出口的周围排布设置空气出口，空气在流动喷注时，其内的氮气吸收热量，防止热量传递到与燃烧室2接触的整个面板，起到热防护的作用。在面板的径向上间隔设置多个出口，还避免了燃烧时出现回火。

由于空气和氧气的密度大于酒精的密度，为了满足燃烧时，三者间的流量需求，所以氧气腔1-5和空气腔1-6的体积均大于酒精腔1-1的体积。

还包括喷管3和测试段4；在燃烧室2的下端连接有喷管3；测试段4为端部敞口的壳体，且为长方体状，喷管3采用圆锥与长方体相贯的方式形成圆转方的结构，实现与常规二元燃烧测试段的连接。喷管3为双层壳体结构，双层壳体间形成冷却通道。

当用于超声速气流测试时，喷管3的前端与燃烧室2相连通，喷管3的后端与测试段4相连通；

当用于亚声速气流测试时，测试段4的前端与燃烧室2相连通，测试段4的后端与喷管3相连通。使用上述的一种组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，该组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置的使用方法如下，外部气源和酒精进入对应的腔室，氧气腔1-5、空气腔1-6和酒精腔1-1内对应的氧气、空气和酒精在压力作用下，通过对应的出口朝向燃烧室2内喷注，电火花点火器1-4点火，氧气、空气和酒精在燃烧室2内燃烧。

如图5所示，当用于模拟超声速气流测试时，燃烧后的高温燃气依次经过喷管3和测试段4，由测试段4的后端喷出；通过数值模拟计算得到，设定的发动机的马赫数为1.5-2，高温燃气在喷管3内进行第一次加速，达到一亚声速流动速度，然后进入测试段4，在测试段4内进行第二次加速，达到超声速速度，在测试段4进行测试实验，由测试段4的后端喷出。

如图6所示，当用于模拟亚声速气流测试时，燃烧后的高温燃气依次经过测试段4和喷管3，由喷管3后端喷出。通过数值模拟计算得到，设定的发动机的马赫数为0.4，高温燃气由燃烧室2流出时，以一亚声速流出，在测试段4进行测试实验，最后经过喷管3加速为超声速喷出。

本发明中的试验装置，能够很好地模拟发动机超/亚声速燃烧的热环境；避免了燃烧过程中的回火，以及实现了热防护的作用。

Claims (8)

1.组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，包括上下连接且相连通的喷注器(1)和燃烧室(2)；

沿所述喷注器(1)的中轴线处贯通开设有一上下敞口的中心腔，与所述燃烧室(2)相连通，所述中心腔内轴向设置有电火花点火器(1-4)；

所述喷注器(1)为三腔室结构，三个腔室分别为氧气腔(1-5)、空气腔(1-6)和酒精腔(1-1)，各腔室均为回转体状，其中，所述氧气腔(1-5)环绕于所述中心腔，所述空气腔(1-6)环绕于氧气腔(1-5)外侧，所述酒精腔(1-1)位于所述氧气腔(1-5)的下部；

所述氧气腔(1-5)、空气腔(1-6)和酒精腔(1-1)的底部均与所述燃烧室(2)相连通，用于朝向所述燃烧室(2)内喷注对应的氧气、空气和酒精；

所述氧气腔(1-5)、空气腔(1-6)和酒精腔(1-1)的腔体顶部，在所述喷注器(1)的上部成由上到下的阶梯状排布；所述氧气腔(1-5)、空气腔(1-6)和酒精腔(1-1)的腔体底部，在所述喷注器(1)的下部成由上到下的阶梯状排布。

2.根据权利要求1所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，所述空气腔(1-6)与所述中心腔的下段相连通，用于将空气导流入所述中心腔壁与所述电火花点火器(1-4)间形成空气喷注缝隙。

3.根据权利要求1或2所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，在所述氧气腔(1-5)的底部绕其一周间隔开设有轴向的氧气通孔(1-8)；各所述氧气通孔(1-8)内均竖直设置有气液同轴喷嘴(1-3)，所述气液同轴喷嘴(1-3)为一柱状体，沿所述柱状体的中轴线处贯通开设有氧气流道，所述氧气流道与所述氧气腔(1-5)相连通；在所述柱状体的外壁上，由上而下开设有螺旋状的流道；所述螺旋状的流道与所述酒精腔(1-1)相连通，用于将酒精导流至燃烧室(2)内。

4.根据权利要求3所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，所述气液同轴喷嘴(1-3)的下端出口位于对应的所述氧气通孔(1-8)出口的上部。

5.根据权利要求4所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，所述空气腔(1-6)通过多组轴向设置的空气通孔与所述燃烧室(2)相连通，各组所述空气通孔均位于所述氧气腔(1-5)的下部，且绕其一周间隔排布；各所述空气通孔均通过纵向通道与所述空气腔(1-6)相连通。

6.根据权利要求5所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，所述空气通孔为二组，分别为第一空气通孔(1-9)、第二空气通孔(1-10)；所述第一空气通孔(1-9)位于内圈，且与氧气通孔(1-8)在同一圆周上，第二空气通孔(1-10)位于所述第一空气通孔(1-9)的外圈，且间隔开设在各所述第一空气通孔(1-9)和氧气通孔(1-8)间；相邻两组所述空气通孔位置相交错。

7.根据权利要求6所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，在所述空气腔(1-6)的底部绕其一周间隔开设有轴向的第三空气通孔(1-7)，所述第三空气通孔(1-7)与相邻的内圈的氧气通孔位置交错；各所述第三空气通孔(1-7)轴向贯通所述酒精腔(1-1)的底部，在所述第三空气通孔(1-7)内轴向设置有空气直流喷嘴(1-2)。

8.根据权利要求1所述的组合发动机超/亚声速燃烧热环境的模拟装置，其特征在于，还包括喷管(3)和测试段(4)；在所述燃烧室(2)的下端连接有喷管(3)；所述测试段(4)为端部敞口的壳体；

当用于超声速气流测试时，所述喷管(3)的前端与所述燃烧室(2)相连通，所述喷管(3)的后端与测试段(4)相连通；

当用于亚声速气流测试时，所述测试段(4)的前端与所述燃烧室(2)相连通，所述测试段(4)的后端与喷管(3)相连通。

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