CN112523896B - 一种高压燃气流快速减压整流装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压燃气流快速减压整流装置及方法，该减压整流装置为回转体结构，沿气流方向依次包括入口法兰(1)、超音速激波段(2)、平直段(5)、收敛段(10)和出口法兰(11)。该燃气流进入该装置后经过两次激波后实现总压快速下降，经过多次整流处理后，实现对燃气流动速度和均匀性的精准控制。本发明可以全面提高燃气的流动品质，为下游燃气的无毒化处理提供合适的气流入口参数条件。

Description

一种高压燃气流快速减压整流装置及方法

技术领域

本发明属于有害气体无毒化处理技术领域，涉及一种有害气体无毒化的前置处理方法，具体涉及一种高压燃气流快速减压整流装置及方法。

背景技术

常温推进剂如偏二甲肼和四氧化二氮广泛应用于航天推进系统中，具有点火可靠、燃烧稳定、方便储存和运输等优点。开展该类型发动机研究性试验时会产生大量未分解完全的富氧燃气，由于该类型推进剂及其未完全分解产物具有较大的毒性，在补燃循环发动机半系统试验过程中需要采用燃烧的方法对其进行无毒化实时处理，以满足绿色环保的排放要求。由发动机排出的燃气往往具有极高的压力和极快的速度，不利于无毒化过程的实施，因此在进行燃烧处理前需要对该气流进行减压、整流等前置处理，以满足下游燃烧反应过程对燃气流动品质的要求。

目前，类似的整流装置主要应用于风洞稳定段的设计，主要目的是为了抑制流动分离，降低气流脉动，保证下游稳定的入口流动。主要的整流方法包括：丝网式、分流锥式+扩开角式、孔板式、漩涡发生器式、楞锥形网格式、可动壁式、蜂窝器式、导流板式、多孔板式等方式，而整流方案多采用单一整流方式、多层布置或者采用多种方式混合使用的方案。由于具体使用环境以及对整流效果要求的差异，不同设计方案及整流装置之间存在较大区别。

参考国内、外相关方案的文献，已有整流装置产品适用的流动介质多为低速、常温、常压的空气介质，方案的设计目的均为等压整流，虽然整流装置会带来一定的总压损失，但气流的减压并不是主要目的，由于现有需求体积流量相对较小，对整流装置所占空间的要求并不苛刻。然而，补燃循环半系统联试产生的燃气具有流量大、温度高(600K以上)、压力大(20MPa以上)、组分复杂、流动多变等特点，目前现有整流方法及装置并不能满足发动机燃气快速减压、整流的需求。

因此，研究一种能够满足大流量高温、高压、富氧燃气的快速减压、整流装置及方法对保证我国大流量火箭发动机绿色环保的研试过程是十分必要的。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高压燃气流快速减压整流装置及方法，适用于补燃循环发动机半系统联试过程中产生的高温、高压燃气减压、整流等前置处理，通过降低气流总压(20MPa以上)、抑制流动分离、降低流动脉动、减小气流径向速度偏差，达到提高燃气流动品质的要求，为下游燃气无毒化处理提供均匀、稳定的入口条件。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种高压燃气流快速减压整流装置，该减压整流装置为回转体结构，沿气流方向依次包括入口法兰、超音速激波段、平直段、收敛段和出口法兰；

所述入口法兰用于引入经发动机喷管加速至音速的燃气流；

所述超音速激波段为锥状扩张段，通过扩张将燃气流加速到超音速状态，所述超音速激波段的中部布置有至少一件多孔阻尼板，通过匹配流动速度与环境压力，使燃气流在多孔阻尼板前方的流场中间处产生正激波，对燃气流初步减压，并使燃气流由超音速状态转变为亚音速状态；所述多孔阻尼板的板面垂直于装置的轴线，用于将燃气流由亚音速状态再次转变为超音速状态，并在多孔阻尼板的下游形成二次激波，对燃气流进行二次精准减压，使总压下降至设计值附近，燃气流得到初步整流；

所述超音速激波段与平直段之间布置有突扩台阶，所述突扩台阶的内径大于超音速激波段的大端内径且等于平直段的内径，突扩台阶用于降低燃气流的平均流速；

所述平直段内布置有至少一件整流板，所述整流板上开设通孔，用于在低于设计平均速度的流道内对燃气流整流，使其流动径向速度差异大幅减小，流动均匀性大幅提升；

所述收敛段用于降低流场中心与边区的流速差异，将燃气流平均速度提升至设计值，由出口法兰排出。

第二方面，一种高压燃气流快速减压整流方法，采用气动激波-多孔阻尼板组合减压方法，通过设计流道构型在超音速激波段前段流场中间处产生正激波，对高压来流进行初步减压，之后燃气流经多孔阻尼板时，在多孔阻尼板下游产生二次激波，对燃气流进行二次精准减压，并初步整流；

采用突扩台阶降低燃气流的平均速度，并在低于设计平均速度的平直段内采用整流板对燃气流进行整流，之后通过收敛段将燃气流速度提升至设计值。

根据本发明提供的一种高压燃气流快速减压整流装置及方法，具有以下有益效果：

首先，本发明在超音速激波段采用气动激波控制技术实现了对燃气流减压过程的精准控制，这种方式的减压幅度大，设备规模小，实现了燃气流快速减压的效果；其次，本发明采用气动流道+多孔阻尼板这种的阶梯式减压设计思路，一方面减小了减压过程对流道内控压结构的负载，提高了系统的可靠性和安全性，一方面最大程度削弱了激波中心流效应对流场均匀性的影响；再次，采用了低速整流设计思想，通过在整流板前布置突扩结构降低流场的平均速度，并在低于设计流场速度的条件下完成燃气流的整流过程，大幅缩短了整流所需的流动距离；最后，在整流结构后布置了收敛结构，将流场平均速度微调至设计值，这样一方面提升了流场速度准确性，一方面减小了边区流动与中心流动速度差异，提高了燃气出口的流动品质。本发明填补了高压燃气减压整流需求领域的空白，可大幅降低燃气流动压力、全面提高流场流动品质，实现流动参数的精准控制，为有害燃气的处理营造可靠、稳定的流动环境；将其应用于富氧补燃循环发动机研究性试验中可取得显著地科技效益、经济效益和环保效果。

附图说明

图1示出减压整流装置结构示意图；

图2示出总压分布云图；

图3示出全流域速度分布；

图4示出减压整流装置出口流场速度沿径向分布；

附图标号说明

1-入口法兰；2-超音速激波段；3-多孔阻尼板；4-突扩台阶；5-平直段；6-前整流板；7-承力环；8-后整流板；9-收敛端面；10-收敛段；11-出口法兰。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种高压燃气流快速减压整流装置，所述减压整流装置为回转体结构，沿气流方向依次包括入口法兰1、超音速激波段2、平直段5、收敛段10和出口法兰11；

所述入口法兰1用于引入经发动机喷管加速至音速的燃气流；

所述超音速激波段2为锥状扩张段，通过扩张将燃气流加速到超音速状态，所述超音速激波段2的中部布置有至少一件多孔阻尼板3，通过匹配流动速度与环境压力，使燃气流在多孔阻尼板3前方的流场中间处产生正激波，对燃气流初步减压，并使燃气流由超音速状态转变为亚音速状态；所述多孔阻尼板3的板面垂直于装置的轴线，用于将燃气流由亚音速状态再次转变为超音速状态，并在多孔阻尼板3的下游形成二次激波，对燃气流进行二次精准减压，使总压下降至设计值附近，燃气流得到初步整流；

所述超音速激波段2与平直段5之间布置有突扩台阶4，所述突扩台阶4的内径大于超音速激波段2的大端内径且等于平直段5的内径，突扩台阶4用于降低燃气流的平均流速；

所述平直段5内布置有至少一件整流板，所述整流板上开设通孔，用于在低于设计平均速度的流道内对燃气流整流，使其流动径向速度差异大幅减小，流动均匀性大幅提升；

所述收敛段10用于降低流场中心与边区的流速差异，将燃气流平均速度提升至设计值，由出口法兰11排出。

在本发明中，所述超音速激波段2的扩张角为10°～40°。

在本发明中，所述超音速激波段2的中部布置有1件多孔阻尼板3。

在本发明中，所述平直段5内布置有两件整流板，如图1中所示的前整流板6和后整流板8。

在本发明中，针对3～50MPa降压，多孔阻尼板3的开孔率为20％～40％，整流板的开孔率为10％～25％，燃气流在平直段5的流速为30～50m/s。

在本发明中，所述入口法兰1、超音速激波段2、平直段5、收敛段10和出口法兰11之间通过可拆卸法兰结构连接，或者通过3D打印技术一体成型。

在本发明中，所述减压整流装置还包括承力环7，所述承力环7套设在平直段5上，相邻承力环7之间形成外部装置移动或固定整个减压整流装置的限位空间。

根据本发明的第二方面，提供了一种高压燃气流快速减压整流方法，工作过程为：

常温推进剂半系统试车产生的高温、高压富氧燃气流经喷管加速至音速后进入口法兰1，在超音速激波段2中经过扩张进一步加速达到超音速状态，通过匹配流动速度与环境压力，燃气流在超音速激波段2前段的流场中间处产生正激波，正激波后的燃气流参数发生突变，燃气流由超音速状态转变为亚音速状态，总压大幅降低，流速降低，中心流与边区流速度出现较大幅度偏差，流动不均匀性增加；

超音速激波段2中部布置有多孔阻尼板3，当亚音速燃气流经过该位置时，燃气主流转化为多束支流并分别进入多孔阻尼板的小孔，燃气流在流经多孔阻尼板小孔时由亚音速状态再次转化为超音速状态，并在小孔下游形成二次激波，燃气流在流经激波时流动参数再次发生突变，燃气流总压下降至设计值附近。由于主流在流经多孔阻尼器时局部流量发生了二次分配，燃气流得到初步整流；

超音速激波段2与平直段5之间布置了突扩台阶4，燃气流经过该位置时平均流速突然减小，之后经过整流板时流动径向速度差异大幅减小，流动均匀性大幅提升；

之后燃气流经收敛端面9进入收敛段10，该过程中流道壁面附近燃气流速度增加较快，中心与边区的流速差异进一步减小，燃气流流动品质得到进一步提升，并经过出口法兰11流入下游实施无毒化处理。

实施例

实施例1

该减压整流装置已成功应用在某常规补燃发动机半系统试车过程中，上游燃气理论温度为750K，总压为24MPa。

图2为上述条件下减压整流装置中流场压力变化。由图2可知：燃气流在超音速激波段2前段形成了一次激波，激波前燃气总压为24MPa，激波后燃气总压为14MPa；在多孔阻尼板3后，产生二次激波，燃气流总压发生了第二次下降，多孔阻尼板3前燃气总压为14MPa，多孔阻尼板3后燃气总压下降至3～4MPa；燃气流在出口法兰11处总压下降至3MPa。

图3为上述条件下减压整流装置中流场速度变化图。由图3可知，流场在超音速激波段2减压过程，其速度会大幅增加，并伴随着强烈的中心流效应，流场在经过多孔阻尼板3后，中心区的流动速度明显高于边区流动速度，在经过前整流板6和后整流板8后，流场速度基本趋于均匀；在出口法兰11(位置#8)处燃气速度达到设计值；出口法兰11位置处燃气流速度沿流动法向变化如图4所示，由图4可见流场速度在100m/s，速度在流动法向未出现较大幅度偏差。

因此，总体来看，本发明装置及方法能够达到预期的减压整流效果。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种高压燃气流快速减压整流装置，其特征在于，该减压整流装置为回转体结构，沿气流方向依次包括入口法兰（1）、超音速激波段（2）、平直段（5）、收敛段（10）和出口法兰（11）；

所述入口法兰（1）用于引入经发动机喷管加速至音速的燃气流；

所述超音速激波段（2）为锥状扩张段，通过扩张将燃气流加速到超音速状态，所述超音速激波段（2）的中部布置有至少一件多孔阻尼板（3），多孔阻尼板（3）的开孔率为20%~40%，通过匹配流动速度与环境压力，使燃气流在多孔阻尼板（3）前方的流场中间处产生正激波，对燃气流初步减压，并使燃气流由超音速状态转变为亚音速状态；所述多孔阻尼板（3）的板面垂直于装置的轴线，用于将燃气流由亚音速状态再次转变为超音速状态，并在多孔阻尼板（3）的下游形成二次激波，对燃气流进行二次精准减压，使总压下降至设计值附近，燃气流得到初步整流；

所述超音速激波段（2）与平直段（5）之间布置有突扩台阶（4），所述突扩台阶（4）的内径大于超音速激波段（2）的大端内径且等于平直段（5）的内径，突扩台阶（4）用于降低燃气流的平均流速；

所述平直段（5）内布置有至少一件整流板，所述整流板上开设通孔，用于在低于设计平均速度的流道内对燃气流整流，使其流动径向速度差异大幅减小，流动均匀性大幅提升；

所述收敛段（10）用于降低流场中心与边区的流速差异，将燃气流平均速度提升至设计值，由出口法兰（11）排出。

2.根据权利要求1所述的减压整流装置，其特征在于，所述超音速激波段（2）的扩张角为10°~40°。

3.根据权利要求1所述的减压整流装置，其特征在于，所述超音速激波段（2）的中部布置有1件多孔阻尼板（3）。

4.根据权利要求1所述的减压整流装置，其特征在于，所述平直段（5）内布置有两件整流板。

5.根据权利要求1所述的减压整流装置，其特征在于，针对3~50MPa降压，整流板的开孔率为10%~25%，燃气流在平直段（5）的流速为30~50m/s。

6.根据权利要求1所述的减压整流装置，其特征在于，所述入口法兰（1）、超音速激波段（2）、平直段（5）、收敛段（10）和出口法兰（11）之间通过可拆卸法兰结构连接，或者通过3D打印技术一体成型。

7.根据权利要求1所述的减压整流装置，其特征在于，所述减压整流装置还包括承力环（7），所述承力环（7）套设在平直段（5）上，相邻承力环（7）之间形成外部装置移动或固定整个减压整流装置的限位空间。

8.一种高压燃气流快速减压整流方法，其特征在于，通过权利要求1至7之一所述的高压燃气流快速减压整流装置实施，采用气动激波-多孔阻尼板组合减压方法，通过设计流道构型在超音速激波段前段流场中间处产生正激波，对高压来流进行初步减压，之后燃气流经多孔阻尼板时，在多孔阻尼板下游产生二次激波，对燃气流进行二次精准减压，并初步整流；

采用突扩台阶降低燃气流的平均速度，并在低于设计平均速度的平直段内采用整流板对燃气流进行整流，之后通过收敛段将燃气流速度提升至设计值。

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