CN114813025A - 一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，该装置包括：燃烧室，内部设置有燃烧腔，燃烧室的侧壁上设置有点火器孔、测压孔和测温孔；喷注器，设置在燃烧室的一端，喷注器内设置有与燃烧腔连通的通道，喷注器的侧壁上设置有引压管；喷管段，设置在燃烧室的另一端，喷管段内设置有与燃烧腔连通的喉道，燃气流通过喉道喷出；该装置通过燃烧室、喷注器和喷管段的设置能够实现真实高温燃气流的喷出，并且具有测压孔、测温孔、引压管，能够获得用于定量热喷试验研究的热气流，解决了以往热喷干扰风洞试验燃气喷流难以定量测量的问题。
Description
技术领域
本发明属于热喷干扰风洞试验技术领域，更具体地，涉及一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置。
背景技术
RCS(Reaction Control System)技术是通过喷流反作用力实现高机动变轨、姿态调控的关键技术，基于用途的不同，RCS技术大体可以分为两类：1、补充或替代舵面控制，如：PAC-3末段拦截弹、航天飞机、神舟返回舱、探月返回器、HTV-2高超声速滑翔飞行器、X-37B、航天飞机、神舟返回舱、探月返回器等；2、提供大过载、提高机动性的轨控喷流，如：THAAD高空末端拦截弹，S-400等。RCS喷流由燃气发动机产生，高温燃气喷流与来流相互作用将导致非常复杂的激波/边界层干扰分离流动，涉及高温、化学非平衡与二次燃烧等效应，喷流干扰改变了飞行器的表面载荷分布，产生附加干扰力(力矩)，干扰力(力矩)的变化规律具有很强的非线性。准确预估喷流干扰力(力矩)以及强非线性规律是飞行器精确控制系统设计的关键。然而喷流干扰不仅与来流参数及喷流参数有关，而且与来流与喷流的组合参数有关，相似参数众多。
针对姿控喷流的研究，通过采用常温空气模拟高温燃气，将高温燃气喷流(热喷)采用一定的方式等效为常温空气喷流(冷喷)，仅针对压力比、动量比等相似参数开展模拟，不考虑燃气自身的高温特性、二次燃烧等效应，即可达到很好的模拟效果，并已应用在多种型号任务中，如阿波罗飞船、我国的神舟返回舱。与姿控发动机喷流干扰相比，轨控喷流流量大、推力大，喷流与来流之间的干扰更为强烈、影响区域覆盖范围更大，存在强激波、大范围分离流动等，对飞行器整体及部件(如翼、舵、体襟翼等)的气动特性产生更强干扰，干扰规律更为复杂，燃气喷流与外流干扰将出现热喷干扰效应(组分输运效应、热化学非平衡效应等)，同时强干扰引起的复杂分离流动非定常特性明显，对飞行器整体及部件的气动特性产生重要影响。
未来发展的新型高超声速飞行器向更快、更高、更准方向发展，对用于总体与控制系统设计的喷流实际控制力特性数据的准确性要求更高，需要深入掌握其气动力/热干扰机理和规律，以满足高超飞行器低冗余度设计、高精准度控制需求。由于热喷干扰自身的复杂性以及地面试验能力不足，到目前为止还没有可用的定量试验结果，相关数值方法无法得到有效验证，热喷干扰效应的预测能力及机理认识不足，因此，必须开展热喷效应的定量试验验证技术的研发。
此前，国内的热喷干扰试验研究主要以固体发动机或路德维希管提供高温燃气流的热喷试验，但受限于试验精度等因素，结果大多为定性分析，尚未见到关于热喷干扰效应的系统性研究与获得的明确结论，研究结果难以指导喷流控制设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，该装置通过燃烧室、喷注器和喷管段的设置能够实现真实高温燃气流的喷出，并且具有测压孔、测温孔、引压管，能够获得用于定量热喷试验研究的热气流，解决了以往热喷干扰风洞试验燃气喷流难以定量测量的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，该装置包括：
燃烧室，内部设置有燃烧腔，所述燃烧室的侧壁上设置有点火器孔、测压孔和测温孔；
喷注器，设置在所述燃烧室的一端，所述喷注器内设置有与所述燃烧腔连通的通道，所述喷注器的侧壁上设置有引压管；
喷管段，设置在所述燃烧室的另一端，所述喷管段内设置有与所述燃烧腔连通的喉道，燃气流通过所述喉道喷出。
可选地，所述燃烧室为直筒状，所述燃烧室的材料为紫铜。
可选地，所述通道上设置有质量流量计。
可选地，所述测温孔设置有多个，多个所述测温孔沿所述燃烧室的轴向间隔设置在所述燃烧室的侧壁上。
可选地，所述喷注器内设置有燃料通道和氧化剂通道，所述燃料通道和所述氧化剂通道上分别设置有第一引压管和第二引压管，所述燃料通道和所述氧化剂通道的上游均设置有音速喷嘴。
可选地，所述引压管包括引管和接管嘴，所述引管的两端分别连接所述通道和所述接管嘴，所述接管嘴用于连接球头密封或压力传感器。
可选地，所述燃料通道处于所述喷注器的中部，所述氧化剂通道包括环绕在所述燃料通道外周的环形通道。
可选地，所述燃烧室的两个端面上分别设置有第一密封槽和第二密封槽，所述第一密封槽和所述第二密封槽为环形，所述第一密封槽和所述第二密封槽内设置有密封圈。
可选地，所述喷注器靠近所述燃烧室的一端设置有中心凸台，所述中心凸台能够插入所述燃烧腔内，所述燃料通道和所述氧化剂通道的出口均设置在所述中心凸台上，所述中心凸台的外周设置有第一环形凸台，所述第一环形凸台与所述第一密封槽相配合并能够压紧所述密封圈。
可选地，所述喷管段通过法兰压紧安装在所述燃烧室的另一端，所述喷管段靠近所述燃烧室的端面上设置有第二环形凸台。
本发明提供一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其有益效果在于：
1、该装置通过燃烧室、喷注器和喷管段的设置能够实现真实高温燃气流的喷出，并且具有测压孔、测温孔、引压管，能够获得用于定量热喷试验研究的热气流，解决了以往热喷干扰风洞试验燃气喷流难以定量测量的问题；
2、该装置的喷注器可根据不同的试验需求，改变设计参数，在同一燃烧室条件下可以实现不同喷注参数下的喷注与燃烧，扩大了燃气喷流工况范围；
3、该装置的喷管段可以根据不同的试验需求设计成不同形状，可以实现不同喷注型面对热喷干扰影响的研究。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置的喷注器的结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置的燃烧室的结构示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置的喷管段的结构示意图。
附图标记说明：
1、燃烧室；2、燃烧腔；3、点火器孔；4、测压孔；5、测温孔；6、喷注器；7、喷管段；8、喉道；9、燃料通道；10、氧化剂通道；11、第一引压管；12、第二引压管；13、第一密封槽；14、第二密封槽；15、密封圈；16、中心凸台；17、第一环形凸台；18、法兰；19、第二环形凸台。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，该装置包括：
燃烧室，内部设置有燃烧腔，燃烧室的侧壁上设置有点火器孔、测压孔和测温孔；
喷注器，设置在燃烧室的一端，喷注器内设置有与燃烧腔连通的通道，喷注器的侧壁上设置有引压管；
喷管段，设置在燃烧室的另一端，喷管段内设置有与燃烧腔连通的喉道，燃气流通过喉道喷出。
具体的，喷注器能够向燃烧腔内喷注燃料气体和氧化剂气体，引压管的设置方便连接压力传感器对喷注的气体参数进行计量，并方便对喷注气体的参数进行控制，喷注的气体进入燃烧腔后，通过点火器孔上的点火器能够对其进行点燃，燃烧产生的高温燃气流能够通过喷管段喷出，测压孔和测温孔的设置能够利用压力传感器和温度传感器实现燃烧参数的测量并方便对燃烧参数进行控制，实现定量监测的效果；通过燃烧室、喷注器和喷管段的设置能够实现真实高温燃气流的喷出，并且具有测压孔、测温孔、引压管，能够获得用于定量热喷试验研究的热气流，解决了以往热喷干扰风洞试验燃气喷流难以定量测量的问题。
可选地，燃烧室为直筒状，燃烧室的材料为紫铜。
具体的，燃烧室的材料采用紫铜，喷管段的材料采用Wu10Cu，提高该装置的防热特性。
可选地，通道上设置有质量流量计。
具体的，通道上安装有质量流量计，以实现流量的定量测量的目的，便于根据需要调节进气的流量和配比，进而适用于不同的热喷干扰风洞试验模型。
可选地，测温孔设置有多个，多个测温孔沿燃烧室的轴向间隔设置在燃烧室的侧壁上。
具体的，测温孔共6个，沿轴线在燃烧室的壁面均匀分布，以实现对燃烧室燃烧参数分布的定量测量。
可选地，喷注器内设置有燃料通道和氧化剂通道，燃料通道和氧化剂通道上分别设置有第一引压管和第二引压管，燃料通道和氧化剂通道的上游均设置有音速喷嘴。
具体的，燃料通道内能够通入甲烷气体，氧化剂通道内能够通入空气或其他氧化剂气体，第一引压管和第二引压管的设置能够分别对两种通道内的喷注压力进行监测，方便对进气的量化控制；音速喷嘴起稳定流量的作用，音速喷嘴上游通过球头与对应的甲烷、氧化剂供介气路连接。
可选地，引压管包括引管和接管嘴，引管的两端分别连接通道和接管嘴，接管嘴用于连接球头密封或压力传感器。
可选地，燃料通道处于喷注器的中部，氧化剂通道包括环绕在燃料通道外周的环形通道。
具体的，燃料通道和氧化剂通道相互垂直设置，喷注器为同轴剪切喷注器。
可选地，燃烧室的两个端面上分别设置有第一密封槽和第二密封槽，第一密封槽和第二密封槽为环形，第一密封槽和第二密封槽内设置有密封圈。
具体的，密封圈采用石墨密封圈，可以在高温环境下保持良好的密封性。
可选地，喷注器靠近燃烧室的一端设置有中心凸台，中心凸台能够插入燃烧腔内，燃料通道和氧化剂通道的出口均设置在中心凸台上，中心凸台的外周设置有第一环形凸台，第一环形凸台与第一密封槽相配合并能够压紧密封圈。
具体的，喷注器下游具有与燃烧室连接的端面，端面上有中心凸台、环形凸台与螺纹孔，中心凸台外径小于燃烧室内径，安装后燃料通道和氧化剂通道均位于中心凸台端面，环形凸台用于与燃烧室端面的第一密封槽配合，通过挤压石墨密封圈以实现密封目的；燃烧室上下游端面均设有螺纹孔，其中各端面螺纹孔均为6个均匀布置的M6螺纹孔且位于第一、第二密封槽外侧。
可选地，喷管段通过法兰压紧安装在燃烧室的另一端，喷管段靠近燃烧室的端面上设置有第二环形凸台。
具体的，喷管段由法兰盘螺栓连接的方式压紧固定在燃烧室上，喷管段通过法兰盘与燃烧室挤压固定，法兰盘上的螺栓可与试验模型或固定机构连接，法兰盘与喷管段可拆卸连接，这样能够方便替换不同的法兰结构，以实现在风洞试验中与不同的试验模型匹配安装。
在一个示例中，喷管段为锥形喷管，喷管段上游收缩部分入口内径与燃烧室内径相同，下游扩张部分为锥形，喷管段的法兰可替换，并可以通过螺栓与试验模型固定。
可选地，喷管段的法兰可以根据试验需要设计成不同的尺寸，更换使用。
可选地，喷管段可以根据试验需要设计成不同的喷管型面与喉道，更换使用。
可选地，喷注器、燃烧室和喷管段组装配合后与原始数模外形相同。
可选地，喷注器可以根据试验需要设计成不同参数，更换使用。
可选地，喷注器与引压管连接后，喷注器原始外形参数不变；燃烧室与喷注器和喷管段连接后，燃烧室和喷注器、燃烧室和喷管段之间的配合与原始数模外形相同；喷管段与燃烧室连接后，喷管段与燃烧室的配合与原始数模外形相同。
实施例
如图1至图4所示，本发明提供一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，该装置包括：
燃烧室1，内部设置有燃烧腔2，燃烧室1的侧壁上设置有点火器孔3、测压孔4和测温孔5；
喷注器6，设置在燃烧室1的一端，喷注器6内设置有与燃烧腔2连通的通道，喷注器6的侧壁上设置有引压管；
喷管段7，设置在燃烧室1的另一端，喷管段7内设置有与燃烧腔连通的喉道8，燃气流通过喉道8喷出。
在本实施例中，燃烧室1为直筒状，燃烧室1的材料为紫铜。
在本实施例中，通道上设置有质量流量计。
在本实施例中，测温孔5设置有多个，多个测温孔5沿燃烧室1的轴向间隔设置在燃烧室1的侧壁上。
在本实施例中，喷注器6内设置有燃料通道9和氧化剂通道10，燃料通道9和氧化剂通道10上分别设置有第一引压管11和第二引压管12，燃料通道9和氧化剂通道10的上游均设置有音速喷嘴。
在本实施例中，引压管包括引管和接管嘴，引管的两端分别连接通道和接管嘴，接管嘴用于连接球头密封或压力传感器。
在本实施例中，燃料通道9处于喷注器6的中部，氧化剂通道10包括环绕在燃料通9道外周的环形通道。
在本实施例中，燃烧室1的两个端面上分别设置有第一密封槽13和第二密封槽14，第一密封槽13和第二密封槽14为环形，第一密封槽13和第二密封槽14内设置有密封圈15。
在本实施例中，喷注器6靠近燃烧室1的一端设置有中心凸台16，中心凸台16能够插入燃烧腔2内，燃料通道9和氧化剂通道10的出口均设置在中心凸台16上，中心凸台16的外周设置有第一环形凸台17，第一环形凸台17与第一密封槽13相配合并能够压紧密封圈15。
在本实施例中，喷管段7通过法兰18压紧安装在燃烧室1的另一端，喷管段7靠近燃烧室1的端面上设置有第二环形凸台19。
综上，本发明提供的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置：在设计上，为热喷干扰风洞试验提供了不同喷流参数的燃气发生装置，包括喷注器6设计、燃烧室1设计、喷管段7设计、密封设计和防热设计；在安装上，燃烧室1和喷注器6、燃烧室1和喷管段7采用螺栓连接，燃烧室1与喷注器6、燃烧室1与喷管段7、燃烧室1与火花塞、压力传感器、热电偶均采用石墨垫圈密封；在校测上，通过压力传感器，热电偶获取燃烧室1内压力、温度参数，通过气路质量流量计获取甲烷气体、氧化剂气体流量，结合燃气组分分析方法与数值模拟，给出定量的燃气喷流参数；在应用上，已在实验室使用该装置进行了多次点火试验，试验表明该燃气发生装置能够提供参数稳定、重复性好的燃气喷流。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，该装置包括：
燃烧室，内部设置有燃烧腔，所述燃烧室的侧壁上设置有点火器孔、测压孔和测温孔；
喷注器，设置在所述燃烧室的一端，所述喷注器内设置有与所述燃烧腔连通的通道，所述喷注器的侧壁上设置有引压管；
喷管段，设置在所述燃烧室的另一端，所述喷管段内设置有与所述燃烧腔连通的喉道，燃气流通过所述喉道喷出。
2.根据权利要求1所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述燃烧室为直筒状，所述燃烧室的材料为紫铜。
3.根据权利要求1所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述通道上设置有质量流量计。
4.根据权利要求1所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述测温孔设置有多个，多个所述测温孔沿所述燃烧室的轴向间隔设置在所述燃烧室的侧壁上。
5.根据权利要求1所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述喷注器内设置有燃料通道和氧化剂通道，所述燃料通道和所述氧化剂通道上分别设置有第一引压管和第二引压管，所述燃料通道和所述氧化剂通道的上游均设置有音速喷嘴。
6.根据权利要求1所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述引压管包括引管和接管嘴，所述引管的两端分别连接所述通道和所述接管嘴，所述接管嘴用于连接球头密封或压力传感器。
7.根据权利要求5所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述燃料通道处于所述喷注器的中部，所述氧化剂通道包括环绕在所述燃料通道外周的环形通道。
8.根据权利要求5所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述燃烧室的两个端面上分别设置有第一密封槽和第二密封槽，所述第一密封槽和所述第二密封槽为环形，所述第一密封槽和所述第二密封槽内设置有密封圈。
9.根据权利要求8所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述喷注器靠近所述燃烧室的一端设置有中心凸台，所述中心凸台能够插入所述燃烧腔内，所述燃料通道和所述氧化剂通道的出口均设置在所述中心凸台上，所述中心凸台的外周设置有第一环形凸台，所述第一环形凸台与所述第一密封槽相配合并能够压紧所述密封圈。
10.根据权利要求1所述的用于热喷干扰风洞试验的燃气发生装置，其特征在于，所述喷管段通过法兰压紧安装在所述燃烧室的另一端，所述喷管段靠近所述燃烧室的端面上设置有第二环形凸台。
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