一种环形燃烧型空气加热器

摘要

本发明涉及空气加热器技术领域，公开了一种环形燃烧型空气加热器，包括依次连通的空氧混合段、喷注器、燃烧室、混合段、喷管段，所述燃烧室的出口尺寸小于所述混合段的入口口径，所述混合段连接有掺混空气口，所述燃烧室连接有点火器。本发明解决了现有技术存在的点火性能提升空间有限、点火稳定性差、可靠性差、难以应用于环形发动机进气试验场景等问题。

权利要求

1.一种环形燃烧型空气加热器，其特征在于，包括依次连通的空氧混合段（1）、喷注器（2）、燃烧室（3）、混合段（4）、喷管段（5），所述燃烧室（3）的出口尺寸小于所述混合段（4）的入口口径，所述混合段（4）连接有掺混空气口（41），所述燃烧室（3）连接有点火器（31）；

还包括扰流柱（6），所述扰流柱（6）由所述燃烧室（3）经所述混合段（4）延伸至所述喷管段（5）；

所述扰流柱（6）为圆柱体结构；

所述扰流柱（6）靠近所述燃烧室（3）的一端设有弧形部（61），所述弧形部（61）向靠近所述燃烧室（3）的方向凸起；

所述燃烧室（3）、所述混合段（4）均为圆筒状结构；

喷管段（5）包括向所述扰流柱（6）凸起的凸起部（51）；

所述掺混空气口（41）设于所述混合段（4）外侧；

点火器（31）设于所述燃烧室（3）外侧；

还包括与所述喷管段（5）连接的出口法兰（7）。

说明书

一种环形燃烧型空气加热器

技术领域

[0001] 本发明涉及空气加热器技术领域，具体是一种环形燃烧型空气加热器。

背景技术

[0002] 燃烧型空气加热器（以下简称燃烧加热器）是一种采用燃料、氧气和空气燃烧反应的装置，该装置通过燃料+空气+氧气进行燃烧反应，形成高温、高压条件的高温气流，气流通过装置后端喷管流出，用于开展相关试验研究。低总温是指：当燃料、氧气和空气的燃烧后的燃气温度较低，在高超声速燃烧地面设备领域通常指加热器出口气流总温1000开尔文以下（对应飞行马赫数约4以下）。

[0003] 燃烧加热器需要借助外部点火装置点燃喷注器喷入燃烧室内的介质，从而保证燃烧型空气加热器的正常启动，因此可靠的点火是燃烧加热器正常运行至关重要的步骤。当模型要求试验状态的总温较高，且燃料和氧化剂的当量比和流速恰当，则燃烧加热器的可实现迅速平稳的点火，保证加热器正常启动工作。但是空气燃烧加热器空气加热总温需求较低时，导致燃料和氧化剂配比偏差较大（通常是氧化剂含量过多时），若燃料和氧化剂均从加热器喷注器注入，则点火附近区域的燃料和氧化剂的混合当量比偏离恰当当量较大，会发生点火不成功或者点火延迟引起爆轰的现象。点火不成功则导致燃烧加热器无法正常运行工作，点火延迟的爆轰则可能会对设备的结构造成重大的结构破坏。因而在空气燃烧加热器在较低总温条件下运行状态下，如何实现稳定点火工作是典型的工程问题。

[0004] 常用的提高燃烧加热器的点火性能的方案主要有以下三种，一是提高单个点火装置的能量或者增加点火装置数量，实现加热器的强迫点火；这种方式在当量比偏差不大的情况下可以使用，但，单个点火装置点火能量提升的空间有限，且增加点火装置的数量受到燃烧加热器结构布局的限制。二是通过改进加热器燃料和氧化剂喷注单元结构，增强燃料和氧化剂的混合。喷注单元的改进可以达到一定程度提高雾化、混合的效果，从而增强点火性能，但燃料和氧化剂均通过喷注器注入加热器中，点火性能提升空间有限。

[0005] 三是从加热器整体结构上考虑，必须将加热器点火区域燃料和氧化剂的当量比控制在恰当的范围才能保证可靠的点火。实际设计中，将部分空气以掺混气的形式在燃烧室下游混入。保证燃烧室内以较高的温度进行燃烧，有利于点火和火焰稳定。掺混降温形式的原理如图1所示，试验气流方向为从左至右（以下皆同）。燃料和氧化剂在燃烧室中燃烧产生高温燃气，经过混气装置掺混常温空气降低试验气流的温度，通过减压段进入喷管，最后通过喷管膨胀加速形成满足试验需求的气流。喷管的出口通常有矩形和圆形两种。该构型加热器设计不适用于环形进气模式下的燃烧室设计。

发明内容

[0006] 为克服现有技术的不足，本发明提供了一种环形燃烧型空气加热器，解决现有技术存在的点火性能提升空间有限、点火稳定性差、可靠性差、难以应用于环形发动机进气试验场景等问题。

[0007] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

[0008] 一种环形燃烧型空气加热器，包括依次连通的空氧混合段、喷注器、燃烧室、混合段、喷管段，所述燃烧室的出口尺寸小于所述混合段的入口口径，所述混合段连接有掺混空气口，所述燃烧室连接有点火器。

[0009] 作为一种优选的技术方案，还包括扰流柱，所述扰流柱由所述燃烧室经所述混合段延伸至所述喷管段。

[0010] 作为一种优选的技术方案，所述扰流柱为圆柱体结构。

[0011] 作为一种优选的技术方案，所述扰流柱靠近所述燃烧室的一端设有弧形部，所述弧形部向靠近所述燃烧室的方向凸起。

[0012] 作为一种优选的技术方案，所述燃烧室、所述混合段均为圆筒状结构。

[0013] 作为一种优选的技术方案，喷管段包括向所述扰流柱凸起的凸起部。

[0014] 作为一种优选的技术方案，所述掺混空气口设于所述混合段外侧。

[0015] 作为一种优选的技术方案，点火器设于所述燃烧室外侧。

[0016] 作为一种优选的技术方案，还包括与所述喷管段连接的出口法兰。

[0017] 本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

[0018] （1）本发明采用扩张型的“燃烧室‑混合段”结构，将富余的常温空气，能够适应多种燃料的低总温燃烧型空气加热器，具有良好的点火性能；对点火燃料和氧气配比要求低，可以在较宽的当量比范围内实现加热器的稳定点火，并保证加热器出口流场的品质；

[0019] （2）本发明不需要改变喷注器和点火器的设计，通过混合段增加扰流柱形式，满足环形发动机进气需求，具有稳定性高，可靠性强的特点，便于在环形发动机进气试验中进行工程化应用；

[0020] （3）本发明结构原理简单，点火稳定性高，便于低总温燃烧型空气加热器的工程化应用。

附图说明

[0021] 图1为现有技术的一种燃烧型空气加热器的结构示意图；

[0022] 图2为本发明的原理示意图；

[0023] 图3为本发明的结构示意图；

[0024] 图4为采用本发明进行加热器点火的的压力曲线图。

[0025] 附图中标记及相应的零部件名称：1、空氧混合段，2、喷注器，3、燃烧室，4、混合段，5、喷管段，6、扰流柱，7、出口法兰，31、点火器，41、掺混空气口，51、凸起部，61、弧形部。

具体实施方式

[0026] 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。

[0027] 实施例1

[0028] 如图1至图4所示，本发明提供了一种环形燃烧型空气加热器，包括空氧混合段1、喷注器2、燃烧室3、混合段4、喷管段5、扰流柱6、出口法兰7等，燃烧加热器结构如图3所示。其中，所述扰流柱6靠近所述燃烧室3的一端设有弧形部61，所述弧形部61向靠近所述燃烧室3的方向凸起；喷管段5包括向所述扰流柱6凸起的凸起部51。

[0029] 如图2所示，加热器一种突扩形式的变几何结构，空气燃烧加热器的下游（混合段）流道面积扩大，将一部分多余的氧化剂（空气）从混合段注入燃烧加热器中，混合段下游流道的中间部分布置圆柱形的扰流柱，扰流柱和混合段之间布置喷管，气流通过环形喷管形成满足试验需求的来流参数。该构型的空气燃烧加热器可以实现稳定的点火，同时保证环形发动机入口处的参数条件。

[0030] 本发明的低总温燃烧型空气加热器工作时，气流方向从左至右，如图3所示。喷注器2、燃烧室3、混合段4和喷管段5各部段之间采用法兰连接形式。其中喷注器2主要完成燃料、氧气和空气等燃烧介质的注入和混合，其中空气和氧气进入喷注器2的空氧混合腔然后通过喷嘴外壁面注入燃烧室3，燃料通过燃料腔后经过喷嘴内壁面注入燃烧室3，在喷注器2底板下游附近形成燃料、氧气和空气的混合气，通过燃烧室3上游壁面处的点火器31点火燃烧。燃烧后的气体流入下游混合段4与壁面喷入掺混空气（由掺混空气口41进入）进一步混合降低气流的总温，保证气流流场的均匀性。最后降温后的气流经过喷管段5进入试验模型。

[0031] 本发明的设计方法和结构能够适应多种低总温空气燃烧加热器，有利于低总温空气燃烧加热器的点火启动，可以实现低总温空气燃烧加热器的有效点火，满足环形发动机试验参数需求，同时可以保证良好的加热器出口流场品质。整个加热器设计简洁、点火稳定性高，有益于低总温空气燃烧加热器的推广和应用。

[0032] 加热器的燃料、氧气和空气等燃烧介质流量控制按照气态和液态分别如公式（1）和公式（2）所示。其中，液态燃料采用汽蚀管控制流量，气态燃料采用文氏管控制流量。汽蚀管和文氏管的尺寸及其上游的压力决定了流量的大小。

[0033] （1）

[0034] （2）

[0035] 其中： ——燃料流量，kg/s；

[0036] ——气体流量，kg/s；

[0037] ——内喷嘴流通面积；

[0038] ——气体入口通流面积；

[0039] ——内喷嘴压降；

[0040] ——气体入口压力；

[0041] ——比热比，取1.4；

[0042] ——马赫数，取1；

[0043] ——气体常数；

[0044] ——温度，取300K；

[0045] ——内喷嘴流量系数；

[0046] ——液体燃料密度。

[0047] 本发明设计的加热器具有较宽的低总温工作范围，及可根据试验气流的温度需求，调整燃烧室3的点火温度和掺混空气的流量，在保证加热器可靠点火的前提下，满足试验气流的参数需求。图4给出了试验气流压力曲线，其中上游燃烧室3燃烧温度为1200K，在混合段4掺混后的试验气流为400K。

[0048] 本发明针对环形低总温燃烧型空气加热器的点火问题，借助一种扩张掺混结构将空气燃烧室加热器局部点火当量比提高，发明了一种燃烧型空气加热器。在该空气燃烧加热器通过在喷注器2注入燃料、氧气和空气，在燃烧室3中形成接近恰当当量比的高温混合气体，提高了加热器点火的稳定性。同时为保证加热器整体的配气的温度，在燃烧室3后端的混合段4掺混常温空气，从而达到加热器稳定点火和较好流场品质的需求。

[0049] 本发明采用扩张型的“燃烧室‑混合段”结构，将富余的常温空气，能够适应多种燃料的低总温燃烧型空气加热器，具有良好的点火性能；对点火燃料和氧气配比要求低，可以在较宽的当量比范围内实现加热器的稳定点火，并保证加热器出口流场的品质。

[0050] 本发明的燃烧型空气加热器不需要改变喷注器2和点火器31的设计，通过混合段4增加扰流柱6形式，满足环形发动机进气需求，具有稳定性高，可靠性强的特点，便于在环形发动机进气试验中进行工程化应用。

[0051] 本发明结构原理简单，点火稳定性高，便于低总温燃烧型空气加热器的工程化应用。

[0052] 如上所述，可较好地实现本发明。

[0053] 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。

[0054] 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。