CN113237663B - 一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置及方法，解决现有掺混结构设计不合理、自身热防护不到位，造成掺混结构局部烧蚀，甚至发动机结构损伤问题。装置包括壳体、内筒、入口法兰、出口法兰、插管单元、旋流器和喷注板；入口法兰、出口法兰、内筒外壁和壳体内壁之间形成密闭的空气腔；壳体入口侧设有与空气腔连通的第一空气入口；插管单元、旋流器和喷注板沿内筒轴向依次设置在内筒上；插管单元包括沿内筒轴向依次设置的多个管道组，每个管道组包括沿内筒圆周方向均布的多个直流管道；每个直流管道上开设多个冷却孔；多个管道组的直流管道轴向长度由入口法兰向出口法兰方向依次增加；喷注板上开设多个与内筒轴线平行的直流孔。

Description

一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置及方法

技术领域

本发明属于冲压发动机地面试验领域，具体涉及一种低总温(低于1000K)冲压发动机地面直连试验和自由射流试验来流模拟系统中,高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置及方法，用于调节高温燃气的总温和总流量。

背景技术

飞行中的冲压发动机，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。根据飞行中的参数结合进气道临界喉道几何尺寸可以计算得到，在地面试验过程中发动机进气道入口所需的总温、总压、总流量等参数。

地面试验过程中通常采用氧化剂、燃料燃烧加热空气，生成发动机进气道所需的来流参数，根据发动机的飞行弹道策划地面试验的模拟参数，一般情况Ma4以下的试验总温低于1000K，直接生成该温度的燃气流量大、压力高，不利于试验设备的设计，设备的使用范围受到压缩。通常采用核心燃气流和冷空气掺混形成发动机试验所需来流，核心燃气流总温一般为1500K～1700K，根据发动机弹道点参数(总温、总压、总流量)计算掺混冷空气的流量和压力，系统供应调节范围宽、参数调整灵活，便于试验台使用、维护。

冷空气掺混结构位于核心高温燃气流下游，易受高温燃气流的作用，通常需要进行必要的热防护，还需保证掺混均匀。现有掺混结构设计不合理、自身热防护不到位，造成掺混结构的局部烧蚀，进而出现掺混结构因高温烧蚀构件脱落，甚至会随着气流进入下游发动机入口，造成发动机结构的损伤，因此高效掺混结构对于冲压发动机试验台可靠、稳定运行至关重要。

发明内容

为了解决现有掺混结构设计不合理、自身热防护不到位，造成掺混结构局部烧蚀，甚至掺混结构因高温烧蚀构件脱落随着气流进入下游发动机入口，造成发动机结构损伤的技术问题，本发明提供了一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特殊之处在于：包括壳体、内筒、入口法兰、出口法兰、插管单元、旋流器和喷注板；

所述壳体同轴设置在内筒外侧，入口法兰、出口法兰分别设置在壳体两端，入口法兰、出口法兰、内筒外壁和壳体内壁之间形成密闭的空气腔；

所述壳体入口侧设有与空气腔连通的第一空气入口；

所述插管单元、旋流器和喷注板沿内筒轴向依次设置在内筒上，且喷注板靠近出口法兰侧设置；

所述插管单元包括沿内筒轴向依次设置的多个管道组，每个管道组包括沿内筒圆周方向均布的多个直流管道，直流管道的一端设置在内筒内壁上，且与空气腔连通，另一端沿内筒径向伸向内筒中心，每个直流管道的另一端端面为面向高温燃气来流方向的斜面；每个直流管道上开设多个冷却孔；

多个管道组的直流管道轴向长度由入口法兰向出口法兰方向依次增加；

所述喷注板上开设多个与内筒轴线平行的直流孔。

进一步地，所述管道组的数量为3。

进一步地，3个管道组分别为沿内筒轴向等间隔设置的第一管道组、第二管道组、第三管道组，且第三管道组靠近旋流器设置；

设第一管道组、第二管道组、第三管道组的直流管道分别为第一直流管道、第二直流管道、第三直流管道；

所述第一直流管道、第二直流管道、第三直流管道的轴向长度分别为内筒半径的1/4、1/2、3/4。

进一步地，所述壳体和内筒之间设置环形肋板，环形肋板位于第二管道组和第三管道组之间，环形肋板将空气腔分割为第一环形腔和第二环形腔，且第一环形腔与第一空气入口连通；

所述壳体外侧壁中部设有与第二环形腔连通的第二空气入口。

进一步地，所述第一空气入口的截面面积大于第二空气入口的截面面积；

所述环形肋板与第二管道组相邻设置。

进一步地，所述第一空气入口和第二空气入口沿内筒圆周方向均布；

所述第一空气入口的截面面积为第二空气入口的截面面积的两倍。

进一步地，所述第一直流管道、第二直流管道、第三直流管道的数量相同，且第一直流管道、第二直流管道、第三直流管道沿内筒圆周方向依次错位布置。

进一步地，所述冷却孔的孔径为2mm，每个直流管道上相邻两个冷却孔的间隔为6mm；

每个直流管道另一端的斜面为45°斜面；

所述旋流器的斜角为45°。

进一步地，所述内筒上沿径向设有多个透气孔。

同时，本发明还提供了一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混方法，其特殊之处在于，采用上述的高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，所述方法包括以下步骤：

1)高温燃气从入口法兰流入内筒；同时，冷空气从第一空气入口进入空气腔；

2)高温燃气从内筒的入口侧向出口侧流动过程中，多个管道组的直流管道和冷却孔喷出的冷空气气流对高温燃气进行掺混；

3)旋流器对掺混后的气流进行强迫混合；

4)经旋流器流出的气流进入喷注板，喷注板的直流孔对气流进行整流，生成发动机入口所需温度的来流。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明旋流掺混装置的插管单元包括多个管道组，多个管道组的直流管道轴向长度由入口法兰向出口法兰方向依次增加，由于入口法兰侧的燃气温度最高，本发明将距离入口最近的直流管道插入内筒的深度设计为最小，与高温燃气接触的面积较小，可防止烧蚀，同时直流管道流出的冷空气流对高温燃气进行掺混，使气流的温度降低，随着气流从入口法兰向出口法兰方向流动过程中，直流管道插入内筒的深度逐渐增加，掺混效果逐渐增好；掺混后的气流通过旋流器进行强迫混合，最后通过整流器进行整流，使得整流器流出的燃气满足发动机试验过程中的高温来流要求。

2、本发明将直流管道伸入内筒的端面设计为斜面，避免高温燃气对直流管道的烧蚀。

3、本发明管道组设计为沿内筒轴向等间隔设置的3个，通过三个插入不同深度的冷空气直流管道与高温燃气进行混合，并通过环形肋板将空气腔分割为第一环形腔和第二环形腔，通过两个空气入口进行冷空气的供应，提高掺混效果。

4、为了提高掺混的均匀性，本发明将第一直流管道、第二直流管道、第三直流管道沿内筒圆周方向依次错位布置。

5、本发明旋流器的斜角设计为45°，冷热气流被迫压缩进入旋流器的每个叶片间隙，在流过叶片间隙时进行热交换。45°斜角设计可使旋流器出口的气流呈螺旋式，对气流进行强制混合，使得整流板出口的气流均匀性大大提高，径向温度、速度梯度均较小，进一步满足发动机试验过程中的高温来流的要求。

附图说明

图1是本发明高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置的结构示意图；

图2是本发明高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置实施例中第一管道组结构示意图；

图3是本发明高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置实施例中第一管道组的第一直流管道结构示意图；

图4是本发明高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置实施例中第一管道组、第二管道组的直流管道错位布置示意图；

图5为图1的Ⅰ处局部放大示意图；

图6是本发明高温燃气的冷空气插入式旋流掺混方法的流程图；

其中，附图标记如下：

1-壳体，11-第一空气入口，12-第二空气入口，2-内筒，21-透气孔，3-入口法兰，4-出口法兰，5-插管单元，51-第一管道组，511-第一直流管道，52-第二管道组，521-第二直流管道，53-第三管道组，531-第三直流管道，5111-冷却孔，6-旋流器，7-喷注板，71-直流孔，8-空气腔，81-第一环形腔，82-第二环形腔，9-环形肋板。

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。

低总温试验台来流模拟一般为核心高温燃气流与冷空气掺混流一起充分混合后，形成温度场均匀的燃气流供发动机试验用。现有冷空气掺混结构通常位于核心高温燃气流下流，易受到上游高温、高压、振动的影响，工作环境恶劣，结构可靠性要求高；由于设计空间位置受限，过长的掺混结构带来的影响是降低保温效率，系统通过结构件传导造成热损失大。因此本发明为了实现核心高温燃气流与冷空气流的高效掺混、掺混结构自身的热防护以及掺混后气流温度场的均匀性，设计一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，用于冲压发动机地面试验试验冷空气掺混用，既满足发动机入口气流的均匀性要求，也满足总温准确性要求。

如图1所示，一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，包括掺混结构、位于掺混结构入口侧的入口法兰3以及位于掺混结构出口侧的出口法兰4，入口法兰3和出口法兰4的材质为普通不锈钢。

掺混结构采用内外夹层式气膜冷却结构，其包括壳体1、内筒2、插管单元5、旋流器6和喷注板7，壳体1同轴设置在内筒2外侧，入口法兰3、出口法兰4分别设置在壳体1两端，入口法兰3、出口法兰4、内筒2外壁和壳体1内壁之间形成密闭的空气腔8；壳体1入口侧设有与空气腔8连通的第一空气入口11。为了提高掺混作用，如图5所示，内筒2上沿径向设有多个透气孔21。

插管单元5、旋流器6和喷注板7沿内筒2轴向依次设置在内筒2上，且喷注板7靠近出口法兰4侧设置；插管单元5包括沿内筒2轴向依次设置的多个管道组，每个管道组包括沿内筒2圆周方向均布的多个直流管道，直流管道的一端设置在内筒2内壁上，且与空气腔8连通，另一端沿内筒2径向伸向内筒2中心，每个直流管道的另一端端面为面向高温燃气来流方向的斜面；每个直流管道上开设多个冷却孔5111；多个管道组的直流管道轴向长度由入口法兰3向出口法兰4方向依次增加；喷注板7上开设多个与内筒2轴线平行的直流孔71。

本实施例管道组的数量为3个，3个管道组分别为沿内筒2轴向等间隔设置的第一管道组51、第二管道组52、第三管道组53，且第三管道组53靠近旋流器6设置；则掺混结构的内腔分为三个区域，分别为截面“入口法兰3-第一管道组51-第二管道组52-第三管道组53”所构成的掺混区域，截面“第三管道组53-旋流器6”所构成的旋流强混合区域，截面“旋流器6-喷注板7”所构成的直流孔整流区域，燃气从直流孔整流区域流出后通过导流管道进入发动机进行试验。

本实施例壳体1和内筒2之间还设置环形肋板9，环形肋板9位于第二管道组52和第三管道组53之间，优选环形肋板9与第二管道组52相邻设置，环形肋板9将空气腔8分割为第一环形腔81和第二环形腔82，第一环形腔81位于入口侧且与第一空气入口11连通，同时在壳体1外侧壁中部还设有与第二环形腔82连通的第二空气入口12，第二空气入口12和第一空气入口11沿内筒2圆周方向均布，即第一空气入口11位于图1壳体1上侧前部，第二空气入口12位于图1壳体1下侧中部。第一空气入口11和第二空气入口12为冷空气入口，第一空气入口11的截面面积大于第二空气入口12的截面面积，优选第一空气入口11的截面面积为第二空气入口12的截面面积的两倍。

第一管道组51、第二管道组52、第三管道组53的直流管道数量相同，第一管道组51、第二管道组52、第三管道组53的直流管道分别为第一直流管道511、第二直流管道521、第三直流管道531，第一直流管道511、第二直流管道521、第三直流管道531沿内筒2圆周方向依次错位布置。本实施例中，第一直流管道511、第二直流管道521、第三直流管道531另一端的斜面均为45°斜面；第一直流管道511、第二直流管道521、第三直流管道531均为圆周均布的12路，见图2所示；每路直流管道上开有Φ2mm的冷却孔5111，相邻冷却孔5111的间距为6mm，见图3所示。

第一空气入口11流入的冷空气进入第一环形腔81后分两部分，分别从第一直流管道511、第二直流管道521插入内筒2的高温燃气流中，如图2所示，定义，过内筒中心且沿半径水平向右为x正方向，竖直向上为y正方向；其中一个第一直流管道511与X轴正方向夹角为0°，第一直流管道511的轴向长度为内筒2半径的1/4；其中一个第二直流管道521的轴向长度为内筒2半径的1/2，第二直流管道521与X轴正方向夹角为15°，即第一直流管道511和第二直流管道521沿内筒2圆周方向错位15°角布置，见图4所示。

第二空气入口12流入的冷空气进入第二环形腔82，从第三直流管道531进入内筒2的高温流中，旋流器6-喷注板7之间的环形密封腔对直流孔71整流区域的气膜冷却。在旋流器6的外圆端穿过内筒2与壳体1内壁固连，在旋流器6位于第二环形腔82的外圆端设有与内筒2轴线平行的开孔流，用于冷空气流入旋流器6-喷注板7之间的环形密封腔。第三直流管道531的轴向长度为内筒2半径的3/4，第三直流管道531与X轴正方向夹角为0°，即第三直流管道531和第一直流管道511平行设置，第三直流管道531与第二直流管道521沿内筒2圆周方向错位15°角布置。

本实施例第一直流管道511、第二直流管道521、第三直流管道531插入内筒2的深度不一致，主要原因为第一直流管道511所在的区域温度最高，插入深度较浅，与高温燃气接触的面积较小，防止烧蚀。随着流向，燃气温度在第一直流管道511流出气流掺混之后，总温有所降低，第二直流管道521的管道插入深度有所提高，以及第三直流管道531插入深度最深，燃气在第三直流管道531温度基本降低到1000K左右，已经在插入管的热防护要求内。

经第三直流管道531掺混后流出的气流温度分布沿轴向呈一股高温，一股低温，总体为轴向混合。到达旋流器6后，旋流器6强迫气流进行径向混合。旋流器6斜角为45°，单根叶片与外壳焊接，中心通过加强环加强。冷热气流被迫压缩进入每个叶片的间隙，在流过叶片间隙时进行热交换。旋流器6出口的气流呈螺旋式。因此在旋流器6后端设置整流板，整流板上的直流孔71呈蜂窝式分布。气流从旋流器6流出后，需要通过长直孔进行整流，并且再次强迫换热，从整流板出口的气流均匀性大大提高，径向温度、速度梯度均较小，满足发动机试验过程中的高温来流的要求。

本实施例掺混装置通过三个截面插入不同高度的冷空气管道与高温燃气进行混合，2/3的冷空气先于高温燃气混合，接着是剩余1/3空气最后混合，混合后通过旋流器6进行强迫混合，最后通过整流器进行整流。使用普通材质的不锈钢结合气膜冷却，实现了轴向与径向的强迫混合热交换，同时能够通过长直孔进行整流，使得来路的温度与速度梯度均较小，满足发动机试验要求。

如图6所示，本实施例高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置的工作过程：

1)高温燃气(核心高温燃气流)从入口法兰3流入内筒2；同时，冷空气从第一空气入口11进入空气腔8；

2)高温燃气从内筒2的入口侧向出口侧流动过程中，第一管道组51、第二管道组52、第三管道组53的直流管道依次喷出冷空气气流对高温燃气进行掺混；

3)旋流器6对掺混后的气流进行强迫混合；

4)经旋流器6流出的气流进入喷注板7，喷注板7的直流孔71对气流进行整流，生成发动机入口所需温度的来流。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：包括壳体(1)、内筒(2)、入口法兰(3)、出口法兰(4)、插管单元(5)、旋流器(6)和喷注板(7)；

所述壳体(1)同轴设置在内筒(2)外侧，入口法兰(3)、出口法兰(4)分别设置在壳体(1)两端，入口法兰(3)、出口法兰(4)、内筒(2)外壁和壳体(1)内壁之间形成密闭的空气腔(8)；

所述壳体(1)入口侧设有与空气腔(8)连通的第一空气入口(11)；

所述插管单元(5)、旋流器(6)和喷注板(7)沿内筒(2)轴向依次设置在内筒(2)上，且喷注板(7)靠近出口法兰(4)侧设置；

所述插管单元(5)包括沿内筒(2)轴向依次设置的多个管道组，每个管道组包括沿内筒(2)圆周方向均布的多个直流管道，直流管道的一端设置在内筒(2)内壁上，且与空气腔(8)连通，另一端沿内筒(2)径向伸向内筒(2)中心，每个直流管道的另一端端面为面向高温燃气来流方向的斜面；每个直流管道上开设多个冷却孔(5111)；

多个管道组的直流管道轴向长度由入口法兰(3)向出口法兰(4)方向依次增加；

所述喷注板(7)上开设多个与内筒(2)轴线平行的直流孔(71)。

2.根据权利要求1所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述管道组的数量为3。

3.根据权利要求2所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：3个管道组分别为沿内筒(2)轴向等间隔设置的第一管道组(51)、第二管道组(52)、第三管道组(53)，且第三管道组(53)靠近旋流器(6)设置；

设第一管道组(51)、第二管道组(52)、第三管道组(53)的直流管道分别为第一直流管道(511)、第二直流管道(521)、第三直流管道(531)；

所述第一直流管道(511)、第二直流管道(521)、第三直流管道(531)的轴向长度分别为内筒(2)半径的1/4、1/2、3/4。

4.根据权利要求3所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述壳体(1)和内筒(2)之间设置环形肋板(9)，环形肋板(9)位于第二管道组(52)和第三管道组(53)之间，环形肋板(9)将空气腔(8)分割为第一环形腔(81)和第二环形腔(82)，且第一环形腔(81)与第一空气入口(11)连通；

所述壳体(1)外侧壁中部设有与第二环形腔(82)连通的第二空气入口(12)。

5.根据权利要求4所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述第一空气入口(11)的截面面积大于第二空气入口(12)的截面面积；

所述环形肋板(9)与第二管道组(52)相邻设置。

6.根据权利要求5所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述第一空气入口(11)和第二空气入口(12)沿内筒(2)圆周方向均布；

所述第一空气入口(11)的截面面积为第二空气入口(12)的截面面积的两倍。

7.根据权利要求3至6任一所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述第一直流管道(511)、第二直流管道(521)、第三直流管道(531)的数量相同，且第一直流管道(511)、第二直流管道(521)、第三直流管道(531)沿内筒(2)圆周方向依次错位布置。

8.根据权利要求7所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述冷却孔(5111)的孔径为2mm，每个直流管道上相邻两个冷却孔(5111)的间隔为6mm；

每个直流管道另一端的斜面为45°斜面；

所述旋流器(6)的斜角为45°。

9.根据权利要求8所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，其特征在于：所述内筒(2)上沿径向设有多个透气孔(21)。

10.一种高温燃气的冷空气插入式旋流掺混方法，其特征在于，采用权利要求1所述高温燃气的冷空气插入式旋流掺混装置，所述方法包括以下步骤：

1)高温燃气从入口法兰(3)流入内筒(2)；同时，冷空气从第一空气入口(11)进入空气腔(8)；

2)高温燃气从内筒(2)的入口侧向出口侧流动过程中，多个管道组的直流管道喷出的冷空气气流对高温燃气进行掺混；

3)旋流器(6)对掺混后的气流进行强迫混合；

4)经旋流器(6)流出的气流进入喷注板(7)，喷注板(7)的直流孔(71)对气流进行整流，生成发动机入口所需温度的来流。

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