一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统.pdf

本发明公开了一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统，采用含96％甲烷的天然气代替甲烷做燃料对实验气体进行加热，实现模拟飞行马赫数4～7范围内的超燃冲压发动机地面实验来流条件。空气主路管路连接至空氧混合器，空气参混路管路连接至混合器，混合器用于高温和常温空气参混后进行低马赫数的实验，燃烧加热器连接实验模型。氧气路管路连接至空氧混合器，氧气和空气混合后分两路流入燃烧加热器；天然气路管路与燃烧加热器连接；氮气吹除路管路连接在天然气路气动阀后面，用于燃烧实验结束后管道内的剩余气体的吹除，控制系统在预设时序控制下，点火器点燃产生高温高压燃气；燃气在超音速喷管中加速后进入实验模型。

1.  一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统，其特征在于:包括 空气配气系统、氧气配气系统、天然气配气系统、氮气吹除及控制配气系统、 冷却水系统、控制系统、燃烧加热器、混合器、空氧混合器、超音速喷管、实 验模型，空气配气系统的空气主路管路连接至空氧混合器，空气参混路管路连 接至混合器；燃烧加热器出口与混合器连接，混合器出口与超音速喷管连接， 超音速喷管与实验模型连接；氧气配气系统的氧气路管路连接至空氧混合器， 氧气和空气混合后分两路流入燃烧加热器；天然气配气系统的天然气路管路与 燃烧加热器连接；氮气吹除及控制配气系统的氮气吹除路管路连接至天然气路 气动阀后面，用于燃烧实验结束后吹除管道内剩余的天然气，氮气控制路依次 与空气主路电磁阀、空气参混路电磁阀、氧气路电磁阀、天然气源头电磁阀、 天然气末端电磁阀、氮气吹除电磁阀连接；冷却水系统控制冷却水箱对燃烧加 热器、超音速喷管、实验模型冷却通道进行冷却水供应；控制系统在预设时序 控制下，将配气后流量的天然气、氧气、空气注入燃烧加热器，点火器点燃产 生高温高压燃气，燃气在超音速喷管中加速后进入实验模型。

一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统
技术领域
本发明涉及超燃冲压发动机地面实验技术领域，具体地说，涉及一种甲烷 燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统。
背景技术
目前，超燃冲压发动机地面实验采用燃烧加热器较为普遍。现有公开的技 术文献中,中国空气动力研究与发展中心采用氢气和氧气混合进行加热,即氢氧 燃烧加热器；北京机械动力研究所采用煤油和氧气混合进行加热，即煤油燃烧 加热器；国防科技大学采用酒精和氧气混合进行加热，即酒精燃烧加热器。美 国的八英尺高温结构风洞，建立的甲烷燃烧加热器。八英尺高温结构风洞最高 加热总温为2000K(文献AIAA paper 96-2197)，主要运用于超然冲压发动机地 面性能实验。国内尚没有甲烷燃烧加热器用于超音速燃烧实验。采用甲烷燃烧 加热器，以及和甲烷成份相近的天然气代替甲烷做燃料，使用便捷，可大幅降 低实验费用。同时甲烷燃烧加热最高加热总温可达2700K，满足飞行马赫数7条 件的地面实验需求。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种甲烷燃烧加热的超燃冲压 发动机燃烧室实验系统，采用含96％甲烷的天然气代替甲烷做燃料对实验气体进 行加热，实现模拟飞行马赫数4～7范围内的超燃冲压发动机地面实验来流条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括空气配气系统、氧气配气 系统、天然气配气系统、氮气吹除及控制配气系统、冷却水系统、控制系统、 燃烧加热器、混合器、空氧混合器、超音速喷管、实验模型，空气配气系统的 空气主路管路连接至空氧混合器，空气参混路管路连接至混合器；燃烧加热器 出口与混合器连接，混合器出口与超音速喷管连接，超音速喷管与实验模型连 接；氧气配气系统的氧气路管路连接至空氧混合器，氧气和空气混合后分两路 流入燃烧加热器；天然气配气系统的天然气路管路与燃烧加热器连接；氮气吹 除及控制配气系统的氮气吹除路管路连接至天然气路气动阀后面，用于燃烧实 验结束后吹除管道内剩余的天然气，氮气控制路依次与空气主路电磁阀、空气 参混路电磁阀、氧气路电磁阀、天然气源头电磁阀、天然气末端电磁阀、氮气 吹除电磁阀连接；冷却水系统控制冷却水箱对燃烧加热器、超音速喷管、实验 模型冷却通道进行冷却水供应；控制系统在预设时序控制下，将配气后流量的 天然气、氧气、空气注入燃烧加热器，点火器点燃产生高温高压燃气，燃气在 超音速喷管中加速后进入实验模型。
有益效果
本发明提出的一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统，采用 含96％甲烷的天然气代替甲烷做燃料对实验气体进行加热，实现模拟飞行马赫数 4～7范围内的超燃冲压发动机地面实验来流条件。空气主路管路连接至空氧混 合器，空气参混路管路连接至混合器，混合器用于高温和常温空气参混后进行 低马赫数的实验，燃烧加热器连接实验模型。氧气路管路连接至空氧混合器， 氧气和空气混合后分两路流入燃烧加热器；天然气路管路与燃烧加热器连接； 氮气吹除路管路连接至天然气路气动阀后面，用于燃烧实验结束后管道内的剩 余气体的吹除，控制系统在预设时序控制下，点火器点燃产生高温高压燃气； 燃气在超音速喷管中加速后进入实验模型。
本发明实验系统，按照预定压力、温度、流量要求的实验气体的持续供给， 提供超然冲压发动机直连式地面实验的实验条件；根据要求的温度、流量确定 空气、氧气、天然气的流量，通过各管路不同孔径的孔板流量计精确控制各管 路流量。实验系统运行成本低、运行效率高。实验系统完全满足模拟飞行马赫 数4～7，高度15～27km，总温1100～2200K的地面试验要求；加热器出口最大 流量为2.5kg/s，最高总压为4.0MPa，主要技术指标如下表所示:

附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃 烧室实验系统作进一步的详细说明。
图1为本发明甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统示意图。
图2为空气主路连接结构示意图。
图3为氧气路连接结构示意图。
图4为天然气路连接结构示意图。
图5为氮气路连接结构示意图。
图6为各通道孔板前压力、空氧混合器压力及燃烧加热器室腔压力随时间 变化曲线图。
图中:
1.氮气控制路 2.氮气吹除路 3.天然气路 4.氧气路 5.空气主路 6.空气参混路 7.空氧混合器 8.冷却水箱 9.实验模型 10.超音速喷管 11.混合器 12.燃烧加热器 13.空气主路电磁阀 14.空气参混路电磁阀 15.氧气路电磁阀 16.天然气源头电磁阀 17.天然气末端电磁阀 18.氮气吹除电磁阀 19.空气气源 20.过滤器 21.源头气动阀 22.截止阀 23.源头压力表 24.源头放气阀 25.空气减压器 26.低压压力表 27.低压放气阀 28.低压截止阀 29.空气路气动阀 30.压力表 31.孔板流量计 32.氧气气瓶组 33.氧气路气动阀 34.氧气路孔板流量计 35.单向阀 36.天然气气瓶组 37.天然气源头气动阀 38.天然气路末端气动阀 39.天然气路孔板流量计 40.氮气路气瓶组 41.氮气吹除气动阀
具体实施方式
本实施例是一种甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统。
参阅图1～图5,本实施例甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统， 由空气配气系统、氧气配气系统、天然气配气系统、氮气吹除及控制配气系统、 冷却水系统、控制系统、燃烧加热器、混合器、空氧混合器、超音速喷管、实 验模型、以及连接附件组成。空气配气系统的空气主路5管路连接至空氧混合 器7，空气参混路6管路连接至混合器11；燃烧加热器12出口与混合器11连 接，混合器11出口与超音速喷管10连接，超音速喷管10与实验模型9连接。 空气参混路6管路连接至与燃烧加热器12出口连接的混合器11，用于高温空气 和常温空气参混后进行马赫数4、马赫数5的实验；高马赫数6、马赫数7时空 气参混路不工作，混合器11拆除，燃烧加热器12与实验模型9连接。氧气配 气系统的氧气路4管路连接至空氧混合器，氧气和空气混合后分两路流入燃烧 加热器12；天然气配气系统的天然气路3管路与燃烧加热器12连接；氮气吹除 及控制配气系统的氮气吹除路2管路连接至天然气路气动阀后面，用于燃烧实 验结束后吹除管道内的剩余的天然气，氮气控制路1依次与空气主路电磁阀13、 空气参混路电磁阀14、氧气路电磁阀15、天然气源头电磁阀16、天然气末端电 磁阀17、氮气吹除电磁阀18连接，氮气控制路配气后用于用于各个气动阀的驱 动气。冷却水系统控制冷却水箱8对燃烧加热器12、超音速喷管10、实验模型 9冷却通道进行冷却水供应。控制系统在预设时序控制下，将配气后流量的天然 气、氧气、空气注入燃烧加热器12，点火器点燃后产生高温高压燃气；燃气在 超音速喷管10中加速，在试验段前形成满足速度、温度、压力和氧含量的参数 要求的气流，然后进入实验模型9。待实验结束，由控制系统停止供应天然气、 氧气、空气，氮气吹除天然气管路中剩余天然气。对燃烧加热器12、超音速喷 管10冷却通道进行冷却的冷却水继续工作一段时间后关闭，试验结束。
甲烷燃烧加热的超燃冲压发动机燃烧室实验系统实现了可靠点火和稳定燃 烧，提供的燃烧室来流条件如下:燃烧加热器出口流量为1～2.5kg/s，总压为 1.0～4.0MPa，总温900K～2100K，模拟飞行马赫数4～7，飞行高度15～27km。
例:要求燃烧加热器燃气总温2580K，总压1.5MPa，流量0.78kg/s，氧气体 积含量21％。
步骤1,计算各管路流量如下:
空气路:流量0.515kg/s；氧气路:流量0.209kg/s；天然气路:流量 0.06kg/s。总流量:0.784kg/s。
步骤2,各管路配气压力设置如下:
空气路配气压力:3.55MPa，流量0.515kg/s；
氧气路配气压力:4.3MPa，流量0.209kg/s；
天然气路配气压力:6.7MPa，流量0.06kg/s。
步骤3,实验开始前，对燃烧加热器12及超音速喷管10冷却通道进行冷却 水供应，以确保安全的使用环境。空气气源19供输气体至源头放气阀24后分 成两路，一路由空气减压器25连接在源头放气阀24的后面,通过管路及连接 附件连接至混合器11；另一路由空气气源19通过管路连接至空氧混合器7,连 接管路上连接有过滤器20、源头气动阀21、截止阀22、源头压力表23、源头 放气阀24、空气减压器25、低压压力表26、低压放气阀27、低压截止阀28、 空气路气动阀29、压力表30、孔板流量计31。氧气气瓶组32与氧气路气动阀 33、氧气路孔板流量计34、单向阀35通过管路连接至空氧混合器7。天然气气 瓶组36与天然气源头气动阀37、天然气路末端气动阀38、天然气路孔板流量 计39通过管路连接至燃烧加热器12。氮气路气瓶组40一路连接氮气吹除路2 及压力表、单向阀,通过氮气吹除气动阀41至天然气吹除；氮气路气瓶组40 另一路与氮气控制路1及连接附件连接。通过空气减压器、氧气路减压器、天 然气路减压器对各管路压力进行控制，配气压力确定时，孔板流量计31上游压 力确定，各管路流量也确定，各管路流量通过更换不同孔径的孔板进行调节。 上述预定流量的空气、氧气、天然气、按照预定时序开启空气主路电磁阀13、 空气参混路电磁阀14、氧气路电磁阀15、天然气源头电磁阀16、天然气末端电 磁阀17、氮气吹除电磁阀18，各路气体注入燃烧加热器12，在点火器点燃后产 生高温高压燃气。燃气在超音速喷管10中加速，在试验段9前形成满足速度、 温度、压力和氧含量参数要求的气流，点火试验结束后，由控制系统按照预定 时序关闭空气主路电磁阀13、空气参混路电磁阀14、氧气路电磁阀15、天然气 末端电磁阀17，停止供应天然气、氧气、空气，开启氮气吹除电磁阀18，对天 然气管路末端电磁阀17管路内剩余天然气进行吹除；冷却水继续工作一段时间 后关闭，单次试验结束。
步骤4,天然气点火燃烧实验，采集得到的各通道孔板前压力、空氧混合器 压力及燃烧加热器内腔压力随时间变化，变化曲线如图6所示。