[發(fā)明專利]碳氫燃料的加熱裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110456405.2
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102518534A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘戰(zhàn);王振國;丁猛;張建強;李清廉;周進;劉衛(wèi)東;梁劍寒;李大鵬;王翼;李慶
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: F02M31/16
• 分類號: F02M31/16
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 吳貴明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及加熱裝置領(lǐng)域，特別地，涉及一種用于碳氫燃料加熱的加熱裝置。

背景技術(shù)

超聲速燃燒沖壓發(fā)動機以液態(tài)碳氫化合物為燃料時，液態(tài)碳氫燃料通常先被用作冷卻劑對發(fā)動機進行再生冷卻，然后再噴注進燃燒室參與燃燒，因此噴注進入燃燒室參與燃燒的是被加熱后的碳氫燃料(以下簡稱“加熱燃料”)。研究表明，加熱燃料噴注特性、混合特性和燃燒特性與液態(tài)碳氫燃料存在很大差別，研制再生冷卻式超聲速燃燒沖壓發(fā)動機需要進行大量地面試驗以深入掌握其燃燒性能和工作穩(wěn)定性。實際的再生冷卻式超聲速燃燒沖壓發(fā)動機工作過程中，燃料在冷卻流道內(nèi)的流動與傳熱過程十分復(fù)雜，冷卻發(fā)動機后的燃料溫度和成分是一系列復(fù)雜因素相互作用的結(jié)果。為將加熱燃料在超聲速燃燒沖壓發(fā)動機內(nèi)的燃燒過程與其它因素獨立開以開展深入研究，就需要模擬冷卻沖壓發(fā)動機后、噴注進入燃燒室前的加熱燃料，這對適用于不同類型地面試驗的碳氫燃料加熱裝置提出了研制需求。可見，碳氫燃料加熱裝置是采用再生冷卻工作方式的沖壓發(fā)動機地面自由射流與直連式試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

現(xiàn)有技術(shù)采用二級電加熱的煤油加熱方案。該煤油加熱裝置的第一級加熱器采用儲熱式電加熱系統(tǒng)，在該第一級加熱器中可將管內(nèi)0.8kg的煤油在5.5MPa下加熱至570K；第二級加熱器管道結(jié)構(gòu)與第一級一樣，通過在兩端連接的80～100V直流電直接通電加熱，這樣，從第二級加熱器的出口流出的煤油溫度可達到950K以上。然而，該種加熱裝置方案存在以下不足：1、被加熱的煤油流量偏小，無法滿足較大尺度超燃沖壓發(fā)動機的使用需求；2、被加熱的煤油流量難以精確控制和測量。

此外，還有一種常用的加熱裝置首先通過預(yù)熱器將常溫燃料預(yù)熱到600K，然后將預(yù)熱后的燃料通入名為化學(xué)反應(yīng)器的難熔鎳基合金管進一步加熱到設(shè)定溫度。然而，這種加熱方案不能滿足較大尺度的超燃沖壓發(fā)動機的使用需求。

綜上所述，目前國內(nèi)外已用于或可能用于超燃沖壓發(fā)動機地面試驗系統(tǒng)的碳氫燃料加熱裝置普遍存在燃料流量較小、加熱燃料流量不能精確控制與測量等問題，難以滿足大尺度發(fā)動機的使用需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種碳氫燃料的加熱裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中燃料流量小、加熱燃料流量不能精確控制與測量等技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種碳氫燃料的加熱裝置，包括燃氣發(fā)生器及換熱器；換熱器包括一個螺旋換熱管，且碳氫燃料在螺旋換熱管內(nèi)流過；燃氣發(fā)生器包括用于供能燃料燃燒的燃燒室；燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的高溫燃氣流入換熱器后，并流經(jīng)螺旋換熱管的外側(cè)。

進一步地，換熱器包括第一殼體及第二殼體；第一殼體包括換熱室；第二殼體固定在換熱室內(nèi)，螺旋換熱管套裝在第二殼體上。

進一步地，碳氫燃料的加熱裝置還包括連接件；燃燒室通過連接件固定在第一殼體的第一端；連接件設(shè)有一個燃氣通道，且燃氣通道將燃燒室和換熱室連通。

進一步地，燃氣通道沿高溫燃氣的流動方向呈先收縮后擴張的拉瓦爾噴管狀，燃氣通道的最小橫截面積處為燃氣通道的喉部。

進一步地，燃氣通道的喉部的橫截面積與流經(jīng)燃氣通道的高溫燃氣的質(zhì)量流量之間的關(guān)系如下：其中，M為流經(jīng)燃氣通道的喉部的高溫燃氣的質(zhì)量流量，At為燃氣通道的喉部的截面面積，Pc為燃燒室內(nèi)的高溫燃氣壓強，k和Rg分別為高溫燃氣的比熱比和氣體常數(shù)，Tc為燃燒室內(nèi)高溫燃氣的溫度。

進一步地，第一殼體的第二端固定有節(jié)流板；節(jié)流板上還設(shè)有排氣通道；排氣通道沿高溫燃氣流動方向呈先收縮后擴張的拉瓦爾噴管狀，排氣通道的最小橫截面積處為排氣通道的喉部。

進一步地，排氣通道的喉部的橫截面積與流經(jīng)排氣通道的高溫燃氣的質(zhì)量流量之間的關(guān)系如下：其中，N為流過排氣通道的高溫燃氣的質(zhì)量流量，Ab為排氣通道的喉部的截面面積，Pd為換熱室內(nèi)的高溫燃氣壓強，k和Rg分別為高溫燃氣的比熱比和氣體常數(shù)；Tc為高溫燃氣在換熱器內(nèi)進行換熱后的溫度。

進一步地，連接件設(shè)有一個通孔；節(jié)流板設(shè)有通孔；螺旋換熱管包括進口管段和出口管段；進口管段穿過節(jié)流板的通孔后與提供待加熱碳氫燃料的設(shè)備連接；出口管段穿過連接件的通孔后與需要熱態(tài)碳氫燃料的設(shè)備連接。

進一步地，進口管段上安裝有一個質(zhì)量流量控制器。

進一步地，燃燒室上還固定有用于注射供能燃料和氧化劑的噴注器；噴注器上設(shè)有分別用于控制噴入燃燒室內(nèi)的供能燃料和氧化劑的兩個質(zhì)量流量控制器；噴注器包括固定在燃燒室的本體及安裝在本體上的若干用于噴射供能燃料和氧化劑的噴嘴；噴嘴與燃燒室連通。