CN115282802A

CN115282802A - 一种燃烧型空气加热器的变面积混气装置

Info

Publication number: CN115282802A
Application number: CN202211198555.2A
Authority: CN
Inventors: 晏至辉; 孙晓亮; 赵国柱; 何修杰; 王世茂; 郭明; 袁勐
Original assignee: Institute of Aerospace Technology of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Institute of Aerospace Technology of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2022-11-04

Abstract

本发明涉及空气加热器技术领域，公开了一种燃烧型空气加热器的变面积混气装置，包括依次连接的试验气体入口、内壁、试验气体出口，所述内壁连接有K个冷却水管、M个掺混空气入口、N组掺混空气喷孔，所述掺混空气入口与所述掺混空气喷孔连通；其中，K为≥1的整数，M、N均为≥2的整数。本发明解决了现有技术存在的喷管出口试验气流的均匀性欠佳、应用于变参数的空气加热器时出口流场均匀性下降等问题。

Description

一种燃烧型空气加热器的变面积混气装置

技术领域

本发明涉及空气加热器技术领域，具体是一种燃烧型空气加热器的变面积混气装置。

背景技术

燃烧型空气加热器是一种空气加热装置，该装置通过燃料+空气+氧气（或液氧）在高温、高压条件下燃烧产生高温空气，气流通过喷管流出，用于开展试验研究。

混气装置在燃烧型空气加热器出口的高温气流中混入常温空气，用以降低气流的温度，满足温度较低条件下的试验需求。

现有技术的典型高超声速高温风洞空气加热器采用掺混降温的形式，其混气装置结构如图2所示，主要有试验气体入口1、入口法兰2、冷却水管3、冷却水环腔4、掺混空气入口25、掺混空气环腔26、掺混空气喷射孔27、空气环腔外壁28、出口法兰13、试验气体出口14等部分组成。常用的掺混方式一个试验气流的温度状态一般对应一个掺混段，主要原因是，考虑到喷注气体压降的影响，如果掺混气流的流量大小不一样，那么对应的喷射气流的流速将发生变化，从而影响喷管出口试验气流的均匀性。对于变参数的空气加热器而言，则需要试验气流的温度变化，即要求掺混空气的流量变化，若混气装置的喷孔面积不变，则由于喷注速度和压力的变化导致出口流场均匀性下降。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种燃烧型空气加热器的变面积混气装置，解决现有技术存在的喷管出口试验气流的均匀性欠佳、应用于变参数的空气加热器时出口流场均匀性下降等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种燃烧型空气加热器的变面积混气装置，包括依次连接的试验气体入口、内壁、试验气体出口，所述内壁连接有K个冷却水管、M个掺混空气入口、N组掺混空气喷孔，所述掺混空气入口与所述掺混空气喷孔连通；其中，K为≥1的整数，M、N均为≥2的整数。

作为一种优选的技术方案，每组掺混空气喷孔包括P个掺混空气喷孔；其中，P≥2且P为整数。

作为一种优选的技术方案，M=N，每个掺混空气入口连接一组掺混空气喷孔。

作为一种优选的技术方案，掺混空气喷孔的孔径可调。

作为一种优选的技术方案，掺混空气喷孔的个数可调。

作为一种优选的技术方案，K=M+1，所述冷却水管与所述掺混空气入口间隔排列。

作为一种优选的技术方案，还包括套设于所述内壁外的外壁，所述内壁与所述外壁之间的空间构成多个互不连通的冷却水环腔，所述冷却水管与所述冷却水环腔连通。

作为一种优选的技术方案，各组掺混空气喷孔互不连通。

作为一种优选的技术方案，还包括入口法兰、出口法兰，所述入口法兰与所述试验气体入口连接，所述出口法兰与所述内壁连接。

作为一种优选的技术方案，M=N=3。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明采用变面积掺混空气混气装置，能够适应多种空气加热器，具有良好的混合效果；可以适应宽参数范围的常温空气和高温空气的质量比掺混；

（2）本发明的混气装置为法兰连接结构，部件更换便捷，使用操作、维护方便，稳定性高，可靠性强，便于在空气加热器中进行工程化应用。

附图说明

图1为减压运行方式的空气加热示意图；

图2为现有技术的定面积掺混段结构图；

图3为本发明的结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、试验气体入口，2、入口法兰，3、冷却水管，4、冷却水环腔，5、一级掺混空气入口，6、一级掺混空气喷孔，7、二级掺混空气入口，8、二级掺混空气喷孔，9、三级掺混空气入口，10、三级掺混空气喷孔，11、外壁，12、内壁，13、出口法兰，14、试验气体出口，25、掺混空气入口，26、掺混空气环腔，27、掺混空气喷射孔，28、空气环腔外壁。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图3所示，本发明燃烧型空气加热器在定面积空气掺混装置基础上，采用一种三路独立供气且具有不同流通面积的掺混进气结构，设计了一种具有宽流量运行范围，具有良好的掺混性能，能够适应较宽试验气流温度需求的混气装置。该混气装置部件更换便捷，使用操作、维护方便，稳定性高，可靠性强，便于在燃烧加热器中进行工程化应用。

本发明针对燃烧型空气加热器试验气流宽参数范围需求的问题，发明了一种的新型变面积和独立供气形式的混气装置。该混气装置采用三路独立进气形式，常温空气通过外壁面的气体管路进入到内外壁面之间的环腔，气体通过环腔在内壁面的通孔进入到高温主气流中。

可保证在此范围之内的冷空气均保持一定的穿透度，从而保证混气降温后的试验气流具有较好的均匀性。

本发明提供了一种用于空气燃烧加热器的混气装置，包括试验气体入口1、入口法兰2、冷却水管3、冷却水环腔4、一级掺混空气入口5、一级掺混空气喷孔6、二级掺混空气入口7、二级掺混空气喷孔8、三级掺混空气入口9、三级掺混空气喷孔10、外壁11、内壁12、出口法兰13、试验气体出口14等部分。

本发明的混气装置具体结构如图3所示；高温试验气体从左侧进入混气装置；沿流动轴线方向分布有4对冷却水进出水管，用于冷却高温燃气的壁面。沿流动方向，分布有3对掺混空气的进气管，常温空气通过进气管进入掺混空气环腔后，经过环腔内壁面上的一圈小孔喷射进入试验气体中，实现两种不同温度的气体的掺混，沿着流动方向有三个掺混空气入口（一级掺混空气入口5、二级掺混空气入口7、三级掺混空气入口9），对应三圈掺混空气喷孔（一级掺混空气喷孔6、二级掺混空气喷孔8、三级掺混空气喷孔10）。各进气管分别独立供气；各掺混空气环腔之间独立布置，不能连通。根据不同的试验气体温度需求，可以调整掺混空气喷孔孔径和个数，以满足流量和压力的需求。同时，若试验气体参数范围较宽，固定面积的几何喷孔难以满足喷射压力的需求，从而导致流场均匀性较差，则可选择三个掺混空气的任意一个和多个进行组合控制，这样可以实现掺混空气流量即使是在较大的一个流量变化范围，仍能保证喷射的压力和穿透度，从而保证试验气体具有良好的均匀性。假设第一圈喷射孔流通面积为A，第二圈面积为B，第三圈面积为C，依次增大，由于三路空气可分别独立控制，则冷空气的流通面积可调比例为(A+B+C)/3，该面积比值一般至少可以做到10。这意味着，保证同样的压降和穿透度的前提下，通过不同掺混空气路的选择，可以满足10倍以上掺混空气流量的变化，大大拓宽了掺混后试验气流的温度可调节的范围。

本发明能够适应多种空气加热器，如燃烧加热器、电阻加热装置、电弧加热装置等，同时可以适应宽流量参数范围的需求，保证掺混后试验气体良好的均匀性。整个混气装置采用法兰连接安装形式，部件更换便捷，使用操作、调节方便，稳定性高，可靠性强，便于在空气加热器中进行工程化应用。

空气流量的计算方法如式（1）所示。

（1）

其中：

——空气流量，kg/s；

——空气入口通流面积；

——空气入口压力；

——空气比热比，取1.4；

——空气马赫数，取1；

——空气气体常数，取287；

——空气温度，取300K；

本发明采用变面积掺混空气混气装置，能够适应多种空气加热器，具有良好的混合效果；可以适应宽参数范围的常温空气和高温空气的质量比掺混。

本发明的混气装置为法兰连接结构，部件更换便捷，使用操作、维护方便，稳定性高，可靠性强，便于在空气加热器中进行工程化应用。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。