CN115875673A - 一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器 - Google Patents

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康忠涛
王振锋
王世茂
翟小飞
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李宏斌
黄可武
袁磊
胡悦
刘龙
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Abstract

本发明属于脉冲燃烧风洞试验技术领域，公开了一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器。脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器包括从前至后顺序连接的高温限流喉道、掺混段、喷注器、燃烧室和喷管；高温限流喉道依次为收缩段、喉道段和扩张段，扩张段上设置有氧气集气腔和若干个氧气喷孔；喷注器由喷注单元、前盖板和后盖板组成；中心对称分布的若干个喷注单元从前至后依次贯穿前盖板和后盖板；前盖板、后盖板和喷注单元围成的空腔为氢气集气腔；喷注单元内腔通道先收缩后扩张，扩张段设置有沿周向均匀分布的若干个氢气喷孔。实现了高温空气、氢气和氧气的有效掺混，能够自点火，产生的高温高压燃气用于开展吸气式高超声速飞行器风洞试验。

Description

一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器
技术领域
本发明属于脉冲燃烧风洞试验技术领域，具体涉及一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器。
背景技术
吸气式高超声速飞行器直接从大气中吸取氧气而无需携带氧化剂，降低了运输费用，提高了有效载荷量，适宜于在大气层内长时间飞行。超燃冲压发动机、机体和推进一体化是吸气式高超声速飞行器研制的两大核心技术，数值仿真、地面试验和飞行试验是开展关键技术研究的主要手段。地面试验能够直接获得飞行器的性能数据，是开展吸气式高超声速飞行器研究的最重要手段。地面试验需要建造能够模拟飞行器真实飞行环境（总焓、总压、马赫数等）的地面模拟设备。由于吸气式高超声速飞行器飞行马赫数高，其来流总焓、总压也很高，需要采用加热方式产生高温、高压的气体模拟飞行条件。根据加热方式，可以将地面模拟设备的加热器分为：燃烧加热、激波加热、电弧加热、绝热压缩和多级压缩加热、蓄热加热、电阻在线直接加热等。
脉冲燃烧风洞是应用于超燃冲压发动机地面试验的装置，通过燃烧加热生成高温、高压的燃气，经拉法尔喷管膨胀加速，产生模拟超燃冲压发动机飞行条件的试验来流气体，脉冲燃烧风洞运行时间短，通常在1秒钟以内。脉冲燃烧风洞在超燃冲压发动机地面试验中应用广泛，具有经费投入低、技术风险小、运行经费少、运行范围宽等优势。氢氧燃烧加热器的燃烧温度高，能够模拟更高的飞行马赫数，在脉冲燃烧风洞中得到广泛应用，是脉冲燃烧风洞的重要组成部分。脉冲燃烧风洞的氢氧燃烧加热器采用氢气作为燃料，通过氢气和氧气或者富氧空气燃烧产生高温、高压燃气。
随着地面模拟设备模拟马赫数的提高，模拟温度也在提高，由此带来的燃烧产物中的污染组分含量呈线性增长。对于氢氧燃烧加热器，在模拟马赫数5时，将产生水摩尔分数为13%的试验气流，在模拟马赫数9时，试验气流中的水摩尔分数高达40%。此时，试验气流的水组分在真实飞行条件下是不存在的，将对发动机试验过程中的化学反应带来巨大的影响，不仅会导致试验所得燃烧室释热速率比真实飞行条件下小，而且会减小发动机燃烧释放的热量。
为了解决该问题，可采用“蓄热+燃烧”两级加热方式，即通过蓄热式加热器将空气加热到一定的温度，而后再与氢气掺混燃烧，不仅可实现氢氧燃烧加热器的自点火，在结构上简化了其复杂程度，而且能够大幅度降低试验气流中的水组分含量，提高地面试验模拟的准确性。
当前，亟需发展一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器。
本发明的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特点是，所述的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器包括从前至后顺序连接的高温限流喉道、掺混段、喷注器、燃烧室和喷管；
高温限流喉道从前至后依次为收缩段、喉道段和扩张段，对应的内腔通道先收缩再等直最后扩张；高温限流喉道扩张段上设置有沿周向封闭的环形腔，环形腔为氧气集气腔；高温限流喉道扩张段上还设置有沿周向均匀分布且贯通氧气集气腔和高温限流喉道扩张段的若干个氧气喷孔；
掺混段内腔通道先等直再扩张最后等直；掺混段入口内径与高温限流喉道扩张段出口内径相同，掺混段出口内径与燃烧室内径相同；
喷注器由前盖板、后盖板和喷注单元组成；前盖板和后盖板为外径相同的圆柱形，后盖板内设置有圆形凹槽，圆形凹槽通过前盖板的后端面封闭；中心对称分布的若干个喷注单元从前至后依次贯穿前盖板和后盖板；各喷注单元的前端面与前盖板的前端面平齐，各喷注单元的后端面与后盖板的后端面平齐；前盖板、后盖板和喷注单元围成的空腔为氢气集气腔；后盖板的周向设置有氢气环管，氢气环管和氢气集气腔之间通过沿后盖板周向均匀分布的氢气直管连通，氢气环管和氢气直管共同构成氢气管路；喷注单元内腔通道先收缩后扩张，每个喷注单元扩张段设置有沿周向均匀分布的若干个氢气喷孔；
在高温限流喉道扩张段和掺混段，高压氧气和高温空气掺混后形成高温富氧空气，在喷注单元的氢气喷孔处，高温富氧空气和高压氢气掺混开始燃烧，在燃烧室产生高温高压燃气，高温高压燃气通过喷管加速到试验需要的马赫数，形成试验气流。
进一步地，所述的氢气环管通过焊接方式连接氢气直管，氢气直管通过焊接方式连接后盖板。
进一步地，所述的喷注单元与前盖板和后盖板之间均通过焊接方式连接。
进一步地，所述的喷注单元、燃烧室和喷管的材质均为高温合金。
进一步地，所述的前盖板和后盖板之间通过端面环形凹槽和环形凸台过盈配合方式固定连接。
进一步地，所述的前盖板和后盖板之间的端面上设置有密封圈，密封圈的材质为紫铜。
进一步地，所述的高温空气的温度范围为1100K-1700K，高温高压燃气的温度范围为2300K-3000K。
进一步地，所述的高压氧气的压力范围为20MPa ~35MPa，高压氢气的压力范围为20MPa~35MPa，高温高压燃气的压力范围为20MPa~30MPa。
进一步地，所述的氢气喷孔距离喷注单元扩张段的出口距离为0.1R~0.2R，R为喷注单元扩张段出口内径。
进一步地，所述的喷注单元，单个喷注单元的氢气喷孔流量和高温限流喉道的氧气流量的计算方法如下：
Figure 174736DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
——气体流量，kg/s；/>
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
——气体流量系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
——气体喷嘴圆孔通流面积；/>
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
——气体温度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
——气体喷嘴入口压力；/>
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
——喷嘴出口压力；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
——气体常数；/>
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
——气体比热比。
本发明的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器具有以下特点：
a.脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器燃烧组织方式，在高温限流喉道扩张段和掺混段处，氧气和高温空气掺混后形成高温富氧空气，而后在喷注单元扩张段处，高温富氧空气与氢气掺混燃烧；
b.氧气和氢气喷注方式，氧气在高温限流喉道扩张段处垂直于高温限流喉道扩张段内壁面喷注，氢气在喷注单元扩张段处垂直于喷注单元扩张段内壁面喷注，并且，氢气的喷注位置在结构强度允许条件下尽量靠近喷注单元扩张段出口；
c.氢氧燃烧加热器结构，由高温限流喉道、掺混段、喷注器、燃烧室和喷管组成，其中喷注器由7个喷注单元构成，中心1个，外围沿周向均匀分布6个。
本发明的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器通过高温空气、氢气和氧气的喷注顺序和喷注方式，实现了有效掺混和燃烧。在高温空气来流条件下，实现自点火，无需配置点火器，降低了氢氧燃烧加热器系统的复杂性。氢氧燃烧加热温度可达3000K以上，避免了氢氧燃烧加热器烧蚀，适用于脉冲燃烧风洞，能够用于开展吸气式高超声速飞行器风洞试验。
附图说明
图1为本发明的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器的结构示意图（立体图）；
图2为本发明的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器的结构示意图（主视图）。
图中，1.高温限流喉道；2.氧气集气腔；3.氧气喷孔；4.掺混段；5.前盖板；6.后盖板；7.喷注单元；8.氢气喷孔；9.氢气集气腔；10.氢气管路；11.燃烧室；12.喷管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1、图2所示，本实施例的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器包括高温限流喉道1、氧气集气腔2、氧气喷孔3、掺混段4、前盖板5、后盖板6、喷注单元7、氢气喷孔8、氢气集气腔9、氢气管路10、燃烧室11和喷管12。
高温限流喉道1，高温限流喉道1的上游连接高温空气管路，下游通过法兰连接掺混段4；高温限流喉道1从前至后依次为收缩段、喉道段和扩张段，对应的内腔通道先收缩再等直最后扩张；高温限流喉道1通过喉道段的喉道内径控制高温空气的流量，高温空气在高温限流喉道1扩张段与注入的氧气掺混，形成富氧空气；
氧气集气腔2，位于高温限流喉道1扩张段，为沿高温限流喉道1扩张段周向设置的封闭的环形腔，通过氧气接口充入常温高压氧气，形成氧气集气腔2；
氧气喷孔3，位于在高温限流喉道1的扩张段，为沿高温限流喉道1扩张段周向设置的均匀分布的12个贯通氧气集气腔2和高温限流喉道1扩张段内腔的连接孔，氧气喷孔3的中心轴线垂直于高温限流喉道1扩张段的内壁；
掺混段4，掺混段4上游连接高温限流喉道1扩张段，下游连接喷注器，掺混段4内腔通道先等直再扩张最后等直；掺混段4入口内径与高温限流喉道1扩张段出口内径相同，掺混段4出口内径与燃烧室11内径相同；
前盖板5，前盖板5、后盖板6和喷注单元7围成氢气集气腔9；前盖板5上设置7个圆台形孔Ⅰ，中心1个，外围沿周向均匀分布6个；喷注单元7从前至后插入圆台形孔Ⅰ，并焊接固定在圆台形孔Ⅰ中；
后盖板6，前盖板5、后盖板6和喷注单元7围成氢气集气腔9；后盖板6上设置7个圆台形孔Ⅱ，中心1个，外围沿周向均匀分布6个；喷注单元7从前至后插入圆台形孔Ⅱ，并焊接固定在圆台形孔Ⅱ中；后盖板6通过沿后盖板6周向均匀设置的8根氢气直管与氢气环管焊接连接，高压氢气依次经氢气环管、氢气直管进入氢气集气腔9，并通过氢气喷孔8喷注到喷注单元7扩张段；
喷注单元7，喷注单元7与前盖板5和后盖板6焊接连接，共同组成喷注器；喷注器包括7个喷注单元7，中心1个，外围沿周向均匀分布6个；喷注单元7为前粗后细的圆台形，喷注单元7内腔通道是富氧空气流道，喷注单元7内腔通道收缩后扩张；每个喷注单元7的扩张段上沿周向设置6个氢气喷孔8，富氧空气和氢气在氢气喷孔8处掺混并点火燃烧，氢气喷孔8处温度高，为避免烧蚀，氢气喷孔8在结构允许的条件下尽量布置在喷注单元7的扩张段靠近出口的位置；
氢气喷孔8，喷注单元7的氢气喷孔8与氢气集气腔9联通，每个喷注单元7扩张段上沿周向设置6个氢气喷孔8，氢气喷孔8的中心轴线垂直于喷注单元7扩张段内壁；
氢气集气腔9，前盖板5、后盖板6和喷注单元7围成氢气集气腔9；氢气集气腔9内聚集常温压氢气，常温压氢气通过喷注单元7的氢气喷孔8喷注至喷注单元7扩张段；
氢气管路10，包括1个氢气环管和8根氢气直管，氢气环管环绕在后盖板6的外部，氢气环管和后盖板6之间通过沿后盖板6周向均匀分布的8根氢气直管连通，氢气环管与氢气直管之间焊接连接，氢气直管与后盖板6之间焊接连接；常温高压氢气在氢气环管内流动，通过氢气直管进入到氢气集气腔9内；8根氢气直管沿后盖板6周向均匀分布，保证了氢气集气腔9氢气气体流速和压力分布均匀；
燃烧室11，燃烧室11呈圆筒形，氢气和富氧空气在燃烧室11内燃烧产生高温高压燃气，对于高焓脉冲燃烧风洞而言，燃烧室11的热流环境恶劣，有必要采用耐高温材料保证燃烧室11内壁不被烧蚀损坏；燃烧室11的材质为高温合金；
喷管12，喷管12内腔具有收缩-扩张型面，高温高压燃气通过喷管12加速到试验需要的马赫数，形成试验气流，喷管12喉道处的传热热流密度大，需要采用耐高温材料，保证喷管12喉道不被烧蚀损坏；喷管12的材质为高温合金。
单个喷注单元7的氢气喷孔8流量和高温限流喉道1的氧气流量的计算方法如下：
Figure 672582DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 411999DEST_PATH_IMAGE002
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——气体流量系数；
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——气体喷嘴圆孔通流面积；/>
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——气体温度；
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——气体喷嘴入口压力；/>
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——喷嘴出口压力；
Figure 627876DEST_PATH_IMAGE008
——气体常数；/>
Figure 851047DEST_PATH_IMAGE009
——气体比热比。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或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，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器包括从前至后顺序连接的高温限流喉道（1）、掺混段（4）、喷注器、燃烧室（11）和喷管（12）；
高温限流喉道（1）从前至后依次为收缩段、喉道段和扩张段，对应的内腔通道先收缩再等直最后扩张；高温限流喉道（1）扩张段上设置有沿周向封闭的环形腔，环形腔为氧气集气腔（2）；高温限流喉道（1）扩张段上还设置有沿周向均匀分布且贯通氧气集气腔（2）和高温限流喉道（1）扩张段的若干个氧气喷孔（3）；
掺混段（4）内腔通道先等直再扩张最后等直；掺混段（4）入口内径与高温限流喉道（1）扩张段出口内径相同，掺混段（4）出口内径与燃烧室（11）内径相同；
喷注器由前盖板（5）、后盖板（6）和喷注单元（7）组成；前盖板（5）和后盖板（6）为外径相同的圆柱形，后盖板（6）内设置有圆形凹槽，圆形凹槽通过前盖板（5）的后端面封闭；中心对称分布的若干个喷注单元（7）从前至后依次贯穿前盖板（5）和后盖板（6）；各喷注单元（7）的前端面与前盖板（5）的前端面平齐，各喷注单元（7）的后端面与后盖板（6）的后端面平齐；前盖板（5）、后盖板（6）和喷注单元（7）围成的空腔为氢气集气腔（9）；后盖板（6）的周向设置有氢气环管，氢气环管和氢气集气腔（9）之间通过沿后盖板（6）周向均匀分布的氢气直管连通，氢气环管和氢气直管共同构成氢气管路（10）；喷注单元（7）内腔通道先收缩后扩张，每个喷注单元（7）扩张段设置有沿周向均匀分布的若干个氢气喷孔（8）；
在高温限流喉道（1）扩张段和掺混段（4），高压氧气和高温空气掺混后形成高温富氧空气，在喷注单元（7）的氢气喷孔（8）处，高温富氧空气和高压氢气掺混开始燃烧，在燃烧室（11）产生高温高压燃气，高温高压燃气通过喷管（12）加速到试验需要的马赫数，形成试验气流。
2.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的氢气环管通过焊接方式连接氢气直管，氢气直管通过焊接方式连接后盖板（6）。
3.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的喷注单元（7）与前盖板（5）和后盖板（6）之间均通过焊接方式连接。
4.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的喷注单元（7）、燃烧室（11）和喷管（12）的材质均为高温合金。
5.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的前盖板（5）和后盖板（6）之间通过端面环形凹槽和环形凸台过盈配合方式固定连接。
6.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的前盖板（5）和后盖板（6）之间的端面上设置有密封圈，密封圈的材质为紫铜。
7.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的高温空气的温度范围为1100K-1700K，高温高压燃气的温度范围为2300K-3000K。
8.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的高压氧气的压力范围为20MPa ~35MPa，高压氢气的压力范围为20MPa~35MPa，高温高压燃气的压力范围为20MPa~30MPa。
9.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的氢气喷孔（8）距离喷注单元（7）扩张段的出口距离为0.1R~0.2R，R为喷注单元（7）扩张段出口内径。
10.根据权利要求1所述的应用于高温空气来流的脉冲燃烧风洞氢氧燃烧加热器，其特征在于，所述的喷注单元（7），单个喷注单元（7）的氢气喷孔（8）流量和高温限流喉道（1）的氧气流量的计算方法如下：
Figure 438809DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
——气体流量，kg/s；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE003
——气体流量系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
——气体喷嘴圆孔通流面积；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE005
——气体温度；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
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Figure DEST_PATH_IMAGE007
——喷嘴出口压力；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
——气体常数；/>
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——气体比热比。/>
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