CN113295422A - 一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，解决现有蒸汽生成方式，或存在系统复杂、成本高，蒸汽压力无法满足要求，或点火可靠性低，在极端情况下引发爆炸的问题。装置包括依次连接的头部、燃烧室、第一喉道和出口室；头部包括头部壳体、支撑管、酒精喷嘴中心体和旋流器，头部壳体包括套筒和端盖，套筒上设有空气入口；支撑管前端设在端盖上且设有酒精入口，后端伸入燃烧室内且端部为内锥形开口；酒精喷嘴中心体穿设在支撑管上，前端伸出支撑管且能沿支撑管轴向移动，后端设有与内锥形开口配合的锥形凸台；旋流器套装在支撑管的后端；燃烧室上设有多个透气孔；第一喉道内第一冷却介质腔和第一介质入口用于对燃烧室产生的燃气进行降温。

Description

一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置

技术领域

本发明属于冲压发动机直连试验领域，具体涉及一种空气、酒精、水燃烧的模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，用于冲压发动机地面试验引射系统。

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，它的独立参数是总压、总温和飞行马赫数。

发动机的飞行弹道点参数决定了大气环境中的压力参数，在地面试验过程中，需要模拟发动机喷管出口的排气反压。通常是将发动机放置于真空舱内，采用引射器来生成一定高度对应的真空压力，引射工质有空气、蒸汽等，引射系统工作时间与空气的储量密切相关，随着时间加长，储存空气带来的成本将大大提高，因此对于长程时间必须采用蒸汽引射来完成。冲压发动机试验过程中，蒸汽引射系统的蒸汽温度为220℃，压力为1.2MPa，蒸汽流量根据被引射气体流量来计算。

目前蒸汽生成方式有锅炉生产、采用液氧酒精燃烧生产等。其中，锅炉生产蒸汽方式，存在系统复杂、成本高，蒸汽压力无法满足要求；采用液氧酒精燃烧加热水生成蒸汽的方式，其供应系统由液氧、酒精、水等组成，由于液氧属于低温、易燃易爆介质，试验台对其存贮与使用过程均存在一定的安全风险，并影响点火可靠性，以及在极端情况下会由于同轴离心喷管的串腔而导致爆炸等问题的发生。另外液氧需要配套的低温管路和系统，使得成本较高。

发明内容

为了解决现有蒸汽生成方式，或存在系统复杂、成本高，蒸汽压力无法满足要求，或由于使用低温液氧工质带来易燃易爆风险，点火可靠性低，并且在极端情况下引发爆炸的技术问题，本发明提供了一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，生成一定压力、温度和流量的水蒸汽。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特殊之处在于：包括依次同轴连接的头部、燃烧室、第一喉道和出口室；

所述头部包括头部壳体、支撑管、酒精喷嘴中心体和旋流器，头部壳体包括套筒和设置在套筒前端的端盖，套筒上设有空气入口；支撑管为套管结构，其前端设置在端盖上且设有酒精入口，后端伸入燃烧室内且端部为内锥形开口；酒精喷嘴中心体同轴穿设在支撑管上，其前端伸出支撑管前端且能沿支撑管轴向移动，后端设有与所述内锥形开口配合的锥形凸台，锥形凸台与内锥形开口之间形成与酒精环缝喷口；旋流器套装在支撑管的后端；

所述燃烧室包括燃烧室外壳、燃烧室内壳、第一法兰以及穿设在燃烧室外壳和燃烧室内壳上的点火器；燃烧室外壳设置在燃烧室内壳外侧，燃烧室外壳前端部与套筒后端相连，燃烧室内壳前端部与旋流器相连；第一法兰设置在燃烧室外壳和燃烧室内壳的后端部；

所述燃烧室内壳沿轴向设有至少一个透气孔组，每个透气孔组包括沿燃烧室内壳圆周方向均布的多个透气孔；

所述第一喉道包括第一喉道内壳、设置在第一喉道内壳外侧的第一喉道外壳以及设置在第一喉道外壳两端的第二法兰和第三法兰，第二法兰、第三法兰、第一喉道内壳外壁和第一喉道外壳内壁之间形成第一冷却介质腔；

所述第二法兰与第一法兰连接，第一喉道外壳后端设有第一介质入口；

所述第一喉道内壳前端内壁设有与第一冷却介质腔连通的第一喷注单元，用于对燃烧室产生的燃气进行降温。

进一步地，还包括同轴设置在第一喉道和出口室之间的混合室；

所述混合室的前端部设有与第三法兰连接的第四法兰，混合室沿轴向设有至少一个直流喷注组，每个直流喷注组包括沿混合室圆周方向均布的多个直流喷注管，每个直流喷注管穿设在混合室上，其一端伸出混合室且端部设有介质入口，位于混合室内的另一端开设多个喷注孔。

进一步地，所述喷注孔包括径向喷注孔；

每个直流喷注管上，所述多个径向喷注孔为沿直流喷注管轴向并排分布的多圈；轴向相邻两个径向喷注孔的间隔从靠近混合室中心向远离混合室中心一侧逐渐递增。

进一步地，所述递增为

倍递增；

所述喷注孔还包括设置在直流喷注管另一端端面的轴向喷注孔。

进一步地，所述第一喷注单元包括撞击式喷注管和开设在撞击式喷注管上的雾化喷嘴，撞击式喷注管的两端分别设置在第一喉道内壳内壁且与第一冷却介质腔连通；

所述雾化喷嘴为撞击式雾化喷嘴。

进一步地，所述直流喷注组为2个，分别为第一直流喷注组和第二直流喷注组，且第一直流喷注组靠近第三法兰一侧设置；

所述第一喷注单元、第一直流喷注组和第二直流喷注组的喷注水流量之比为：5～7:2～4:0.5～1.5。

进一步地，所述混合室和出口室之间还设有第二喉道。

进一步地，所述燃烧室外壳包括外锥筒以及前端与外锥筒大端相连的外直筒，外锥筒的小端与套筒后端相连；

所述燃烧室内壳包括同轴设置在外锥筒内侧的内锥筒以及前端与内锥筒大端相连的内直筒，内锥筒的小端与旋流器相连；

所述外直筒和内直筒的后端均与第一法兰相连；

所述透气孔组为3个，分别为沿内直筒轴向且由前向后等间隔设置的第一透气孔组、第二透气孔组、第三透气孔组；

经旋流器的空气流量、第一透气孔组的空气流量、第二透气孔组的空气流量、第三透气孔组的空气流量比例为2：3：3：2。

进一步地，所述内锥形开口的圆锥角α为100°～120°；

所述喷注孔的孔径为0.8mm～1.2mm。

进一步地，所述点火器为穿设在外直筒和内直筒上的火花塞；

所述外锥筒和内锥筒之间的距离由前向后逐渐增加。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明生成装置采用空气、酒精、水生成蒸汽，去除现有低温液氧介质的使用，降低了安全风险和试验成本。

2、本发明生成装置的酒精喷嘴中心体能够沿支撑管轴向移动，改变酒精环缝喷口的大小，实现酒精流量的调节，进而实现蒸汽产量的调节，对发动机不同弹道点的适应性强，较现有液氧、酒精、水蒸汽生成装置安全性好，且简单可控、生产成本低，工质均属于常温工作。以及本发明空气与酒精属于物理隔离，空气腔与酒精腔之间无焊接工艺，有效防止了串腔极端危险。

3、本发明生成装置包括两个喉道(第一喉道和第二喉道)，第一喉道实现控制燃烧室压力、蒸汽出口的温度，第一喉道的两端为法兰结构，实现可拆卸安装，第一喉道可进行系列化设计为多个，根据具体试验参数选用不同喉道来实现不同状态的切换。第二喉道是在第一喉道的基础上继续控制出口压力与蒸汽温度，本发明采用两级喉道调节，可实现较宽范围的流量与压力的控制，也可防止蒸汽对燃烧室燃烧状态造成影响。若要实现较高温度蒸汽的供应，可直接拆除第二喉道，采用单喉道实现控制燃烧室压力、蒸汽出口的温度。

4、本发明生成装置以空气、酒精、水蒸汽为供应介质，具有点火可靠性高、燃烧效率高，便于装配和零部件更换，同时采用双喉道控制燃烧室与混合室压力，便于分配不同的蒸汽温度和流量，具有调节范围宽泛的特点。

5、本发明生成装置不仅可实现冲压发动机试验过程中引射动力蒸汽的供应，能够满足冲压发动机引射蒸汽生成的目的；也可实现工业领域不同温度蒸汽的供应与调节，并以模块化并联的组合方式提供了大流量蒸汽的生成能力。

附图说明

图1是本发明模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中头部后侧结构示意图；

图3是本发明实施例中第一喷注单元的结构示意图；

图4是本发明实施例中直流喷注组的结构示意图；

其中，附图标记如下：

1-头部，11-头部壳体，111-套筒，112-端盖，113-空气入口，12-支撑管，121-酒精入口，122-内锥形开口，13-酒精喷嘴中心体，131-锥形凸台，14-旋流器，15-酒精环缝喷口；

2-燃烧室，21-燃烧室外壳，211-外锥筒，212-外直筒，22-燃烧室内壳，221-内锥筒，222-内直筒，2222-透气孔，23-第一法兰，24-点火器；

3-第一喉道，31-第一喉道内壳，311-第一喷注单元，3111-撞击式喷注管，3112-雾化喷嘴，32-第一喉道外壳，321-第一介质入口，33-第二法兰，34-第三法兰，35-第一冷却介质腔；

4-混合室，41-第四法兰，42-第一直流喷注组，421-第二介质入口，43-第二直流喷注组，431-第三介质入口，44-径向喷注孔，45-轴向喷注孔；

5-第二喉道，6-出口室，71-第一喷水截面，72-第二喷水截面，73-第三喷水截面。

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。

如图1所示，一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，由依次同轴连接的头部1、燃烧室2、第一喉道3、混合室4、第二喉道5和出口室6组成。

头部1包括头部壳体11、支撑管12、酒精喷嘴中心体13和旋流器14，头部壳体11包括套筒111和设置在套筒111前端的端盖112，套筒111侧壁上设有空气入口113；支撑管12为套管结构，其前端设置在端盖112上且伸出端盖112的前端侧壁设有酒精入口121，后端伸入燃烧室2内且端部为内锥形开口122；酒精喷嘴中心体13同轴穿设在支撑管12上，其前端伸出支撑管12前端且能沿支撑管12轴向移动，后端设有与内锥形开口122配合的锥形凸台131，酒精喷嘴中心体13与支撑管12内壁之间形成酒精腔，锥形凸台131与内锥形开口122之间形成与酒精腔连通的酒精环缝喷口15；支撑管12的后端固定在旋流器14的中心处，且旋流器14相邻设置在酒精环缝喷口15的前侧。

本实施例头部1采用可调节式喷注结构，通过酒精喷嘴中心体13的移动，调节锥形凸台131与内锥形开口122间的间隙，改变酒精环缝喷口15的环缝大小，实现酒精流量的调节，进而改变蒸汽产量，对适应于发动机不同弹道点工作。随着酒精喷嘴中心体13移动，酒精喷口的环缝增大，出口形成液膜，内锥形开口122的圆锥角α为100°～120°，即实现液膜喷射角度100°～120°，见图2。酒精环缝喷口15的外侧是旋流器14，在酒精喷注雾化后在酒精液膜外侧形成空气旋流，便于空气与酒精的二次雾化和与空气的掺混，该部分空气占总空气流量的20％。

燃烧室2包括燃烧室外壳21、同轴设置在燃烧室外壳21内侧的燃烧室内壳22、设置在燃烧室外壳21和燃烧室内壳22后端部的第一法兰23以及穿设在燃烧室外壳21和燃烧室内壳22上的点火器24，燃烧室外壳21、燃烧室内壳22和第一法兰23之间形成与头部壳体11内腔连通的空气流动腔。

燃烧室外壳21包括外锥筒211和外直筒212，外锥筒211的小端与套筒111的后端同轴相连，其大端与外直前端同轴相连，外直筒212的后端与第一法兰23相连；燃烧室内壳22包括同轴设置在外直筒212内侧的内直筒222和同轴设置在外锥筒211内侧的内锥筒221，内锥筒221的大端与内直筒222前端相连，其小端与固定在支撑管12上的旋流器14侧壁相连，内直筒222的后端与第一法兰23相连；外锥筒211和内锥筒221之间的距离由前向后逐渐增加。

经空气入口113进入的空气在燃烧室外壳21和燃烧室内壳22之间的夹层中流动，燃烧室内壳22沿轴向设有至少一个透气孔组，每个透气孔组包括沿燃烧室内壳22圆周方向均布的多个透气孔2222。本实施例透气孔组为3个，分别为沿内直筒222轴向且由前向后等间隔设置的第一透气孔组、第二透气孔组、第三透气孔组，第三透气孔组靠近第一法兰23一侧设置；第一透气孔组截面空气流量占总空气流量的30％，第二透气孔组截面空气流量占总空气流量的30％，第三透气孔组截面空气流量占总空气流量的20％，三排孔在燃烧室2形成低速回流区，便于火焰稳定和燃烧组织，同时燃烧室2采用火花塞点火。

第一喉道3包括第一喉道内壳31、设置在第一喉道内壳31外侧的第一喉道外壳32以及设置在第一喉道外壳32两端的第二法兰33和第三法兰34，第二法兰33、第三法兰34、第一喉道内壳31外壁和第一喉道外壳32内壁之间形成第一冷却介质腔35；第二法兰33与第一法兰23连接，第一喉道外壳32后端设有与第一冷却介质腔35连通的第一介质入口321；第一喉道内壳31前端内壁设有与第一冷却介质腔35连通的第一喷注单元311，用于对燃烧室2产生的燃气进行降温。

本实施例在第一喷注单元311位于第一喉道3前端(燃烧室2后端)，该第一喷注单元311的入口位于第一喉道3的后端，逆流冷却燃烧室2同时与燃烧室2换热，提高了冷却水喷注温度。如图3所示，第一喷注单元311包括撞击式喷注管3111和开设在撞击式喷注管3111上的雾化喷嘴3112，撞击式喷注管3111的两端分别设置在第一喉道内壳31内壁且与第一冷却介质腔35连通，第一喷注单元311处形成第一喷水截面71，雾化喷嘴3112(喷淋)采用撞击式雾化喷嘴，第一喷水截面71冷却水流量占总冷却水流量的60％，将燃烧室2总温降低至400℃以下。第一喉道3可进行系列化设计，根据具体试验参数设计为多个，由于第一喉道3与燃烧室2、混合室4分别采用第二法兰33、第三法兰34螺栓连接，第一喉道3为可拆卸式安装，第一喉道3可根据实际需要可选用不同喉道来实现不同状态的切换。

混合室4的前端部设有与第三法兰34连接的第四法兰41，混合室4沿轴向设有至少一个直流喷注组，本实施例直流喷注组为2个，分别为第一直流喷注组42和第二直流喷注组43，第一直流喷注组42和第二直流喷注组43分别形成第二喷水截面72和第三喷水截面73，；第一直流喷注组42包括沿混合室4圆周方向均布的多个第一直流喷注管，每个第一直流喷注管穿设在混合室4上，其一端伸出混合室4且端部设有第二介质入口421，位于混合室4内的另一端开设多个喷注孔，第二直流喷注组43包括沿混合室4圆周方向均布的多个第二直流喷注管，每个第二直流喷注管穿设在混合室4上，其一端伸出混合室4且端部设有第三介质入口431，位于混合室4内的另一端开设多个喷注孔。

如图4所示，每个直流喷注管上，喷注孔包括径向喷注孔44和轴向喷注孔45。多个径向喷注孔44为沿直流喷注管轴向并排分布的多圈，直流喷注管沿混合室4径向按照所在截面

倍递增，即轴向相邻两个径向喷注孔44的间隔从靠近混合室4中心向远离混合室4中心一侧呈

倍递增。直流喷注管径向每个截面设置六个孔，轴向喷注孔45位于直流喷注管靠近混合室4的端面，喷注孔孔径为0.8～1.2mm；第二喷水截面72水流量占总冷却水流量比为30％，第三喷水截面73占总冷却水流量比为10％。

本发明燃烧室2状态确定后，后续工作不再进行调整，燃烧室2后有两个喉道，第一喉道3控制燃烧室2压力，蒸汽出口的温度，实际使用过程中，第一喉道3可进行系列化设计，根据具体试验参数可选用不同喉道来实现不同状态的切换。第二喉道5是在第一喉道3的基础上继续控制出口压力与蒸汽温度，本发明采用两级喉道调节，可实现较宽范围的流量与压力的控制，也可防止蒸汽对燃烧室2燃烧状态造成影响。同时，若要实现较高温度蒸汽的供应，可直接拆除第二喉道5，采用单喉道(即第一喉道3)实现控制燃烧室2压力，蒸汽出口的温度。

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)

1.一种模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：包括依次同轴连接的头部(1)、燃烧室(2)、第一喉道(3)和出口室(6)；

所述头部(1)包括头部壳体(11)、支撑管(12)、酒精喷嘴中心体(13)和旋流器(14)，头部壳体(11)包括套筒(111)和设置在套筒(111)前端的端盖(112)，套筒(111)上设有空气入口(113)；支撑管(12)为套管结构，其前端设置在端盖(112)上且设有酒精入口(121)，后端伸入燃烧室(2)内且端部为内锥形开口(122)；酒精喷嘴中心体(13)同轴穿设在支撑管(12)上，其前端伸出支撑管(12)前端且能沿支撑管(12)轴向移动，后端设有与所述内锥形开口(122)配合的锥形凸台(131)，锥形凸台(131)与内锥形开口(122)之间形成与酒精环缝喷口(15)；旋流器(14)套装在支撑管(12)的后端；

所述燃烧室(2)包括燃烧室外壳(21)、燃烧室内壳(22)、第一法兰(23)以及穿设在燃烧室外壳(21)和燃烧室内壳(22)上的点火器(24)；燃烧室外壳(21)设置在燃烧室内壳(22)外侧，燃烧室外壳(21)前端部与套筒(111)后端相连，燃烧室内壳(22)前端部与旋流器(14)相连；第一法兰(23)设置在燃烧室外壳(21)和燃烧室内壳(22)的后端部；

所述燃烧室内壳(22)沿轴向设有至少一个透气孔组，每个透气孔组包括沿燃烧室内壳(22)圆周方向均布的多个透气孔(2222)；

所述第一喉道(3)包括第一喉道内壳(31)、设置在第一喉道内壳(31)外侧的第一喉道外壳(32)以及设置在第一喉道外壳(32)两端的第二法兰(33)和第三法兰(34)，第二法兰(33)、第三法兰(34)、第一喉道内壳(31)外壁和第一喉道外壳(32)内壁之间形成第一冷却介质腔(35)；

所述第二法兰(33)与第一法兰(23)连接，第一喉道外壳(32)后端设有第一介质入口(321)；

所述第一喉道内壳(31)前端内壁设有与第一冷却介质腔(35)连通的第一喷注单元(311)，用于对燃烧室(2)产生的燃气进行降温。

2.根据权利要求1所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：还包括同轴设置在第一喉道(3)和出口室(6)之间的混合室(4)；

所述混合室(4)的前端部设有与第三法兰(34)连接的第四法兰(41)，混合室(4)沿轴向设有至少一个直流喷注组，每个直流喷注组包括沿混合室(4)圆周方向均布的多个直流喷注管，每个直流喷注管穿设在混合室(4)上，其一端伸出混合室(4)且端部设有介质入口，位于混合室(4)内的另一端开设多个喷注孔。

3.根据权利要求2所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述喷注孔包括径向喷注孔(44)；

每个直流喷注管上，所述多个径向喷注孔(44)为沿直流喷注管轴向并排分布的多圈；轴向相邻两个径向喷注孔(44)的间隔从靠近混合室(4)中心向远离混合室(4)中心一侧逐渐递增。

4.根据权利要求3所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述递增为

倍递增；

所述喷注孔还包括设置在直流喷注管另一端端面的轴向喷注孔(45)。

5.根据权利要求4所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述第一喷注单元(311)包括撞击式喷注管(3111)和开设在撞击式喷注管(3111)上的雾化喷嘴(3112)，撞击式喷注管(3111)的两端分别设置在第一喉道内壳(31)内壁且与第一冷却介质腔(35)连通；

所述雾化喷嘴(3112)为撞击式雾化喷嘴。

6.根据权利要求5所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述直流喷注组为2个，分别为第一直流喷注组(42)和第二直流喷注组(43)，且第一直流喷注组(42)靠近第四法兰(41)一侧设置；

所述第一喷注单元(311)、第一直流喷注组(42)和第二直流喷注组(43)的喷注水流量之比为：5～7:2～4:0.5～1.5。

7.根据权利要求2至6任一所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述混合室(4)和出口室(6)之间还设有第二喉道(5)。

8.根据权利要求7所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述燃烧室外壳(21)包括外锥筒(211)以及前端与外锥筒(211)大端相连的外直筒(212)，外锥筒(211)的小端与套筒(111)后端相连；

所述燃烧室内壳(22)包括同轴设置在外锥筒(211)内侧的内锥筒(221)以及前端与内锥筒(221)大端相连的内直筒(222)，内锥筒(221)的小端与旋流器(14)相连；

所述外直筒(212)和内直筒(222)的后端均与第一法兰(23)相连；

所述透气孔组为3个，分别为沿内直筒(222)轴向且由前向后等间隔设置的第一透气孔组、第二透气孔组、第三透气孔组；

经旋流器(14)的空气流量、第一透气孔组的空气流量、第二透气孔组的空气流量、第三透气孔组的空气流量比例为2：3：3：2。

9.根据权利要求8所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述内锥形开口(122)的圆锥角α为100°～120°；

所述喷注孔的孔径为0.8 mm～1.2mm。

10.根据权利要求8所述模块化单双喉道切换式蒸汽生成装置，其特征在于：所述点火器(24)为穿设在外直筒(212)和内直筒(222)上的火花塞；

所述外锥筒(211)和内锥筒(221)之间的距离由前向后逐渐增加。

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