CN112881021B - 可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其中低温单元采用换热器实现，低压单元采用气气引射器引射实现，高压气源的压缩空气进入气气引射器，在气气引射器的喉部形成负压区，被引射端气体在负压的作用下使得试验件部分获得低压，管路中设计了拉瓦尔喷管，防止下游气压变化对上游压力的影响，设计了试验段进气支路与试验段旁通支路，当所需试验气量变化时，可以通过控制试验段进气支路与试验段旁通支路的电动调节阀来获得所需要的试验气量，避免了调节总进气量后带来的引射端压力的改变。本发明能够模拟航空发动机燃烧室在地面0km至高空12km之间任意高度对应的低温低压环境条件，可开展航空发动机燃烧室在真实高空条件下的试验。

Description

可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置

技术领域

本发明涉及航空发动机燃烧室高空低温低压试验台技术领域，更具体地，涉及一种可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，可用于模拟航空发动机燃烧室在地面0km至高空12km之间任意高度对应的低温低压环境条件，可开展航空发动机燃烧室在真实高空条件下的试验。

背景技术

飞机在飞行过程中，由于燃烧室入口气流强烈扰动，不稳定燃烧，瞬时供油不足，吸雨、吸雹以及吸入尾气等造成发动机熄火，带来灾难性后果，因此保证燃烧室高空二次点火可靠性具有重要意义。对于不同马赫数飞机的飞行需求，二次点火高度通常在海平面以上3-12km，现代商用飞机空中巡航的平均高度为10.6-11.6km，根据安全规范要求，发动机具备可靠二次点火的高度不能低于9.15km。相较于地面点火，高空环境空气稀薄、空气压力温度低等阻碍了高空点火特性，因此开展高空低温低压点火研究，掌握低温低压环境对二次点火的作用机制，有利于拓宽点火边界，进一步提升发动机高空二次点火可靠性和高原点火可靠性。

关于燃烧室点火问题主要集中于地面常温常压下研究，对燃烧室高空低温低压下的点火问题研究较少，其主要制约因素是低温低压系统的实现较为困难。对于燃烧室高空低温低压条件下二次点火研究，若采用大型的高空试验平台，设备运行成本高，周期长，不适合进行基础理论研究，因此有必要搭建可模拟高空低温低压的试验系统，该系统需要实现地面至海拔高度12km对应的空气参数的调节，如何设计能够实现此状态参数连续可调的方法和装置是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的上述需求，本发明的目的在于提供一种可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，对试验段进气、引射端进气进行流量调节，满足试验器所需要的压力及流量，同时调节冷却气支路与常温气的混合比例，满足试验器所需要的温度，可用于模拟航空发动机燃烧室在地面0km至高空12km之间任意高度对应的低温低压环境条件，可开展航空发动机燃烧室在真实高空条件下的试验。

本发明为实现其技术目的采用以下的具体技术方案：

一种可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，包括一进气单元、一低温单元、一低压单元和一试验段单元，所述进气单元设置在低温单元的上游，所述低温单元设置在试验段单元的上游，所述低压单元设置在试验段单元的下游，其特征在于，

所述进气单元至少包括一进气源、一稳压部件、一气体干燥部件和一拉瓦尔喷管，其中，所述进气源的出口通过管路依次经所述稳压部件、干燥部件与所述拉瓦尔喷管的进气管路连通，所述拉瓦尔喷管的排气管路与设置在下游的所述低温单元连通；

所述低温单元至少包括一换热器、一自增压液氮罐、一冷却气支路及一常温气支路，其中，所述拉瓦尔喷管的排气管路的出口与所述换热器的热侧进口连通，所述换热器的热侧出口与所述冷却气支路的进口连通，所述常温气支路的进口与所述拉瓦尔喷管的排气管路连通，所述常温气支路的出口与所述冷却气支路连通，所述自增压液氮罐的出口通过管路与所述换热器的冷侧进口连通；

所述试验段单元至少包括一试验器、一试验段进气支路、一试验段旁通支路和一试验段排气管路，其中，所述试验段进气支路、试验段旁通支路的进口均与所述低温单元的冷却气支路的出口连通，所述试验器的进口与试验段进气支路的出口连通，所述试验器的出口与试验段排气管路的进口连通，所述试验段旁通支路的出口与试验段排气管路连通，所述试验段排气管路的出口与设置在下游的所述低压单元连通；

所述低压单元至少包括一高压气源、一引射端管路和一气气引射器，其中，所述高压气源的出口通过所述引射端管路与所述气气引射器的引射端入口连通，所述气气引射器的被引射端入口与所述试验段单元中试验段排气管路的出口连通，所述气气引射器的混气出口与大气连通。

优选的，所述进气单元中，所述进气源为一压缩机，所述压缩机的进气管路与大气连通，所述压缩机的排气管路上装有球阀和电动调节阀，所述球阀用来控制进气源的开闭，所述电动调节阀用于调节总进气压力及流量。

优选的，所述进气单元中，所述稳压部件为一稳压罐，用以实现进气压力的稳定。

优选的，所述进气单元中，所述气体干燥部件包括一冷冻式干燥机和一吸附式干燥机，所述进气源提供的气体先经过所述冷冻式干燥机，随后经过所述吸附式干燥机，实现气体的压力露点≤-60℃，除水后的干燥空气进入所述拉瓦尔喷管的进气管路。

优选的，所述试验段单元中，所述试验段进气支路、试验段旁通支路上均装有电动调节阀，实现对气量的调节，所述试验段进气支路、试验段旁通支路的气体通过所述试验段排气管路排出。当试验段所需气量变化时，可以通过调节所述试验段进气支路、试验段旁通支路上的电动调节阀来实现，这样避免改变总进气量而带来引射端压力的调节。

优选的，所述拉瓦尔喷管的进气管路及排气管路上、所述冷却气支路上、所述试验器的进口管路及出口管路上、所述引射端管路上均设有温度压力测点，每一所述温度压力测点处均安装有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器的量程为-60℃～250℃，所述压力传感器用于气体压力，量程为0～3MPa。

优选的，至少所述低温单元的冷却气支路上设有管路保温部件，所述管路保温部件包括缠绕在管路上的铜管及橡塑保温层，所述铜管内流通-196℃液氮，所述铜管用于冷却管壁，减少冷却气向管壁散热造成的冷量损失，所述橡塑保温层包裹在铜管外侧减少冷量向周围环境的散失。

优选的，所述低温单元中，所述换热器为管壳式换热器，包括管层和壳层，所述自增压液氮罐内有-196℃液氮，所述液氮通过所述换热器的管层，所述拉瓦尔喷管排气管路中的干燥空气一部分通过所述换热器的壳层，与液氮间接换热温度降低，随后进入所述冷却气支路，另一部分干燥空气进入所述常温气支路，所述常温气支路与所述冷却气支路气体混合形成试验所需气体。

优选的，所述低温单元中，所述常温气支路上装有球阀，当冷却气温度过低时，调节所述球阀保证混气温度满足试验需求。

优选的，所述低压单元中，所述高压气源由离心压气机提供。

优选的，所述低压单元中，所述气气引射器包括引射端入口、被引射端入口及混气出口，所述引射端入口与所述高压气源相连接，所述被引射端入口与所述试验段单元中试验段排气管路的出口相连接，所述混气出口与大气连接。

优选的，所述低压单元中，所述引射端管路上装有球阀和电动调节阀，所述球阀用来控制所述高压气源的开闭，所述电动调节阀用于调节所述高压气源的压力及流量。

同现有技术相比，本发明的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特点是实现了发动机燃烧室高空低温低压环境的模拟，低温单元采用换热器实现，低压单元采用气气引射器引射实现，高压气源的压缩空气进入气气引射器，在气气引射器的喉部形成负压区，被引射端气体在负压的作用下使得试验件部分获得低压，管路中设计了拉瓦尔喷管，防止下游气压变化对上游压力的影响，设计了试验段进气支路与试验段旁通支路，当所需试验气量变化时，可以通过控制试验段进气支路与试验段旁通支路的电动调节阀来获得所需要的试验气量，避免了调节总进气量后带来的引射端压力的改变。

附图说明

图1是本发明的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置示意图；

图2是低温单元示意图；

图3是低压单元示意图；

附图标记说明：

1是压缩机，2是稳压罐，3是冷冻式干燥机，4是吸附式干燥机，5是拉瓦尔喷管，6是自增压液氮罐，7是换热器，8是常温气支路，9是冷却气支路，10是试验段进气支路，11是试验段旁通支路，12是试验段排气管路，13是高压气源，14是引射端管路，15是气气引射器，16是试验器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

图1是本发明的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置示意图。如图1所示，本发明的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的装置包括一进气单元、一低温单元、一低压单元和一试验段单元，其中，进气单元设置在低温单元的上游，低温单元设置在试验段单元的上游，低压单元设置在试验段单元的下游。

进气单元至少包括一压缩部件、一稳压部件、一干燥部件和一拉瓦尔喷管，压缩部件的进气管路与大气连通，排气管路依次经稳压部件、干燥部件与拉瓦尔喷管5的进气管路连通。具体而言，如图1所示，压缩部件优选为压缩机1，稳压部件优选地为稳压罐2，干燥部件优选包括冷冻式干燥机3和/或吸附式干燥机4，压缩机1的进气管路与大气连通，压缩机1产生的压缩空气进入稳压罐2，随后空气先后经过冷冻式干燥机3及吸附式干燥机4进行干燥除湿，实现0.5MPa下的压力露点温度低于-60℃，经过拉瓦尔喷管5的进气管路上的球阀及电动调节阀控制试验段的需求量，空气经过拉瓦尔喷管5达到降压升速的作用，拉瓦尔喷管5的另一作用是防止下游压力的变化对上游压力造成影响，经过拉瓦尔喷管5的低压高速气体进入下游的低温单元，低温单元产生的低温空气进入下游的试验段单元，位于试验段单元尾部的低压单元用于实现试验所需要的低压环境。

如图1所示，试验段单元至少包括一试验器16、一试验段进气支路10、一试验段旁通支路11和一试验段排气管路12，试验段进气支路10、试验段旁通支路11的进口均与低温单元的出口连通，试验器16的进口与试验段进气支路10的出口连通，试验器16的出口与试验段排气管路12的进口连通，试验段旁通支路11的出口与试验段排气管路12连通，试验段排气管路12的出口与下游的低压单元连通。试验段进气支路10、试验段旁通支路11上均设有电动调节阀，通过控制试验段进气支路10、试验段旁通支路11上的电动调节阀可以调节试验器16所需气量。

图2是低温单元，其主要作用是对来流空气进行降温，至少包括一自增压液氮罐6、一换热器7、一常温气支路8和一冷却气支路9，拉瓦尔喷管5的排气管路的出口与换热器7的热侧进口连通，换热器7的热侧出口与冷却气支路9的进口连通，常温气支路8的进口与拉瓦尔喷管5的排气管路连通，常温气支路8的出口与冷却气支路9连通，自增压液氮罐6的出口通过管路与换热器7的冷侧进口连通，自增压液氮罐6中的液氮进入换热器7的冷侧，拉瓦尔喷管5的排气管路中的干燥空气一部分进入换热器7的热侧，另一部分干燥空气进入常温气支路8，常温气支路8上设有球阀，通过调节常温气支路8上的球阀控制与冷却气支路9的混气温度达到试验器16所需要的低温条件。

图3是低压单元，其主要作用是实现低压环境，至少包括一高压气源13、一引射端管路14和一气气引射器15，高压气源13的高压空气通过引射端管路14进入气气引射器15的引射端入口，试验段排气管路12与气气引射器15的被引射端入口相连，在高压气源13的高压空气的作用下，在气气引射器15的喉部形成低压高速区，从而使得试验段排气管路12内达到所需要的低压环境，进而实现试验器16内的低压条件，通过调节引射端管路14上的电动调节阀的开度来控制引射端气量大小，从而控制试验段的压力。

此外，需要说明的是，流通液氮的铜管缠绕在试验段气路实现对试验管路的冷却，另外在铜管外侧包裹橡塑保温层防止热量散失，在试验过程中，调节试验段支路、试验段旁路及引射端支路的电动调节阀实现试验器16所需要的压力。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，包括一进气单元、一低温单元、一低压单元和一试验段单元，所述进气单元设置在低温单元的上游，所述低温单元设置在试验段单元的上游，所述低压单元设置在试验段单元的下游，其特征在于，

所述进气单元至少包括一进气源、一稳压部件、一气体干燥部件和一拉瓦尔喷管，其中，所述进气源的出口通过管路依次经所述稳压部件、干燥部件与所述拉瓦尔喷管的进气管路连通，所述拉瓦尔喷管的排气管路与设置在下游的所述低温单元连通；

所述低温单元至少包括一换热器、一自增压液氮罐、一冷却气支路及一常温气支路，其中，所述拉瓦尔喷管的排气管路的出口与所述换热器的热侧进口连通，所述换热器的热侧出口与所述冷却气支路的进口连通，所述常温气支路的进口与所述拉瓦尔喷管的排气管路连通，所述常温气支路的出口与所述冷却气支路连通，所述自增压液氮罐的出口通过管路与所述换热器的冷侧进口连通；

所述试验段单元至少包括一试验器、一试验段进气支路、一试验段旁通支路和一试验段排气管路，其中，所述试验段进气支路、试验段旁通支路的进口均与所述低温单元的冷却气支路的出口连通，所述试验器的进口与试验段进气支路的出口连通，所述试验器的出口与试验段排气管路的进口连通，所述试验段旁通支路的出口与试验段排气管路连通，所述试验段排气管路的出口与设置在下游的所述低压单元连通；

所述低压单元至少包括一高压气源、一引射端管路和一气气引射器，其中，所述高压气源的出口通过所述引射端管路与所述气气引射器的引射端入口连通，所述气气引射器的被引射端入口与所述试验段单元中试验段排气管路的出口连通，所述气气引射器的混气出口与大气连通。

2.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述进气单元中，所述进气源为一压缩机，所述压缩机的进气管路与大气连通，所述压缩机的排气管路上装有球阀和电动调节阀，所述球阀用来控制进气源的开闭，所述电动调节阀用于调节总进气压力及流量。

3.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述进气单元中，所述稳压部件为一稳压罐，用以实现进气压力的稳定。

4.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述进气单元中，所述气体干燥部件包括一冷冻式干燥机和一吸附式干燥机，所述进气源提供的气体先经过所述冷冻式干燥机，随后经过所述吸附式干燥机，实现气体的压力露点≤-60℃，除水后的干燥空气进入所述拉瓦尔喷管的进气管路。

5.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述试验段单元中，所述试验段进气支路、试验段旁通支路上均装有电动调节阀，实现对气量的调节，所述试验段进气支路、试验段旁通支路的气体通过所述试验段排气管路排出。

6.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述拉瓦尔喷管的进气管路及排气管路上、所述冷却气支路上、所述试验器的进口管路及出口管路上、所述引射端管路上均设有温度压力测点，每一所述温度压力测点处均安装有温度传感器和压力传感器，所述温度传感器的量程为-60℃~250℃，所述压力传感器用于气体压力，量程为0~3MPa。

7.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，至少所述低温单元的冷却气支路上设有管路保温部件，所述管路保温部件包括缠绕在管路上的铜管及橡塑保温层，所述铜管内流通-196℃液氮，所述铜管用于冷却管壁，减少冷却气向管壁散热造成的冷量损失，所述橡塑保温层包裹在铜管外侧减少冷量向周围环境的散失。

8.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述低温单元中，所述换热器为管壳式换热器，包括管层和壳层，所述自增压液氮罐内有-196℃液氮，所述液氮通过所述换热器的管层，所述拉瓦尔喷管排气管路中的干燥空气一部分通过所述换热器的壳层，与液氮间接换热温度降低，随后进入所述冷却气支路，另一部分干燥空气进入所述常温气支路，所述常温气支路与所述冷却气支路气体混合形成试验所需气体；优选地，所述常温气支路上装有球阀，当冷却气温度过低时，调节所述球阀保证混气温度满足试验需求。

9.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述低压单元中，所述气气引射器包括引射端入口、被引射端入口及混气出口，所述引射端入口与所述高压气源相连接，所述被引射端入口与所述试验段单元中试验段排气管路的出口相连接，所述混气出口与大气连接。

10.根据权利要求1所述的可模拟发动机燃烧室高空低温低压环境的试验装置，其特征在于，所述低压单元中，所述引射端管路上装有球阀和电动调节阀，所述球阀用来控制所述高压气源的开闭，所述电动调节阀用于调节所述高压气源的压力及流量。

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