[發(fā)明專利]一種高溫高壓燃料流量的控制裝置及其構(gòu)造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510418896.X
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號(hào): CN105003356B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仲峰泉;邢云緋;張新宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): F02K9/44
• 分類號(hào): F02K9/44;F02K9/58
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料輸運(yùn)與控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種高溫高壓燃料流量的控制裝置，以及這種控制裝置的構(gòu)造方法。

背景技術(shù)

碳?xì)淙剂?如煤油)是航天、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料形式，并且在很多發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中充當(dāng)了冷卻介質(zhì)。這一類燃料首先充當(dāng)冷卻介質(zhì)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)壁面，而后再經(jīng)過壓力、流量調(diào)節(jié)被噴注到燃燒室混合、燃燒的運(yùn)行方式被稱為燃料冷卻或者再生冷卻技術(shù)。例如，錢學(xué)森在其論著《星際航行概論》中介紹了美國H-1液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在噴管喉道區(qū)域采用燃料冷卻技術(shù)。近幾十年來，再生冷卻技術(shù)也被運(yùn)用于高超聲速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，1971年，Lander在《飛機(jī)雜志》發(fā)表的論文中詳細(xì)描述了碳?xì)淙剂显诟叱曀亠w行器熱防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料冷卻相比，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃料總量少，但需要冷卻的面積卻很大；因此，燃料的溫升幅度大，在冷卻結(jié)構(gòu)出口燃料處于高溫、高壓狀態(tài)。燃料的高溫、高壓狀態(tài)給流量調(diào)節(jié)與控制帶來了極大的困難。

眾所周知，目前各類流量控制裝置主要通過多層金屬結(jié)構(gòu)的限流元件來實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。因此，流量控制器只能工作在較低的溫度范圍內(nèi)(常溫至200℃)。當(dāng)流體溫度過高、壓力過大時(shí)，限流元件將失效甚至損壞。目前，國內(nèi)外對(duì)于高溫、高壓燃料如何實(shí)現(xiàn)流量的精確控制處于研究階段，尚未形成成熟的技術(shù)與器件。因此，研制燃料在高溫、高壓條件下的流量控制裝置具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高溫高壓燃料流量的控制裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種高溫高壓燃料流量的控制裝置，其包括一系列不同喉道直徑的音速噴管，通過閥門控制各個(gè)音速噴管的開啟，燃料的流量與喉道直徑的平方呈正比，該系列音速噴管的喉道面積按照2倍的關(guān)系逐次增大，從而確保最大喉道面積與最小喉道面積的連續(xù)變化，并且變化量的精度等于最小喉道面積，從而獲得1/2^{噴管數(shù)目-1}的流量控制精度。

本發(fā)明基于流量與喉道直徑的關(guān)系以及等比數(shù)列原理，通過不同尺寸的音速噴管組合來實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

還提供了這種高溫高壓燃料流量的控制裝置的構(gòu)造方法，包括以下步驟：

(1)開始；

(2)基于燃料種類與管道入口壓力、溫度來確定流量系數(shù)C；

(3)根據(jù)流量的調(diào)節(jié)精度要求來確定音速噴管數(shù)目N；

(4)基于最大流量需求確定最小音速噴管的喉道直徑d₁；

(5)確定各音速噴管的喉道直徑d_i；

(6)確定控制各個(gè)噴管流通的截止閥尺寸；

(7)結(jié)束。

附圖說明

圖1是收縮/擴(kuò)張管道的流動(dòng)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是基于等比數(shù)列特征的喉道面積變化的示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

碳?xì)淙剂系呐R界溫度一般在330℃左右。當(dāng)溫度高于臨界值時(shí)，燃料將進(jìn)入氣態(tài)或者超臨界態(tài)。處于氣態(tài)或者超臨界態(tài)的燃料具有一個(gè)重要的特征，即通過變截面管道可以加速，從而在管道截面最小處形成聲速流動(dòng)。圖1給出了收縮/擴(kuò)張管道的流動(dòng)特征。對(duì)于最小截面(即喉道)形成聲速的管道流動(dòng)，其質(zhì)量流量與喉道直徑具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如公式(1)所示。

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