一种试验气体污染对超音速燃烧室性能影响的试验系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空发动机试验技术领域，具体地说，涉及一种试验气体污染对超音 速燃烧室性能影响的试验系统。
【背景技术】
[0002] 在超音速燃烧室技术研宄过程中，地面试验具有关键性和基础性的作用。地面试 验要求模拟真实飞行环境所需的高焓气体状态，超音速燃烧室地面试验数据外推应用到 真实飞行条件的不确定性主要来自两方面，即来流条件的差别和试验模型的差别。前者除 与流场品质问题相关外，主要是来流参数和试验空气组分的差别，即涉及到试验空气"污染 效应"问题；后者主要是试验模型尺度、结构与飞行试验模型的差别，即涉及到试验模型"尺 度效应"与结构影响问题。与常规气动力试验、气动热结构试验相比，在超音速燃烧室性能 试验中，"污染效应"问题更为突出，由于其重要性和复杂性，一直受到了科研人员的广泛关 注和持续研宄。
[0003] 现有公开的技术文献中，如日本RJTF设备"ComparisonofScramjetEngine PerformanceinMach6VitiatedandStorage-HeatedAir[J].JournalofPropulsion andPower,Vol. 13 (5)，September-October, 1997. " ；美国维吉尼亚大学开展的对比试验 "TestGasVitiationEffectsinaDuaI-ModeScramjetCombustor[J].Journalof PropulsionandPower,Vol. 23 (3) ,July-August2007." 均可视为严格对比试验，S卩米用 纯净空气，蓄热式加热或电阻加热，和污染空气来流在匹配重要参数的前提下进行对比试 验，可有效地分离出试验空气中的净"污染效应"。
[0004] 上个世纪90年代，日本宇航院研宄人员在冲压发动机试验设备上进行了模拟 马赫数6.0状态下氢燃料超燃冲压发动机的整机自由射流对比试验，"Comparisonof ScramjetEnginePerformanceinMach6VitiatedandStorage-HeatedAir[J].Journal ofPropulsionandPower,Vol. 13(5)，September-October,l"7."。RJTF设备在模拟马 赫数6. 0状态时可选择蓄热加热和燃烧加热中任一种。这种污染对比试验系统需要同时 具备燃烧加热设备和纯净空气加热设备，使得试验的成本较高。Virginia大学研宄人员 利用电阻加热设备，针对氢燃料超声速燃烧室开展了纯净空气来流和H2OAXV污染空气来 流下直连式对比试验研宄，"TestGasVitiationEffectsinaDual-ModeScramjet Combustor[J].JournalofPropulsionandPower,Vol. 23 (3) ,July-August2007."。利 用其现有电阻加热器可产生最高1300K左右的高焓纯净空气来流，同时通过在电阻加热器 进口空气来流中添加H20、0)2污染组分并补入O2来模拟燃烧加热污染空气；因此具备在同 一设备、模型上开展模拟飞行马赫数5. 0状态下直连式燃烧室对比试验能力。污染试验气 体中氧摩尔分数为21%，并匹配两种来流的燃烧室进口总温。相关文献中提到了维吉尼亚 大学所使用的污染气体添加措施，但并未公开相关的技术资料，并且维吉尼亚大学所使用 的污染气体添加措施中，污染组分中〇 2和CO2是在主流空气加热之前加入进去，会造成加 热器氧化、老化加快，降低加热器的使用寿命，增加试验成本。
【发明内容】
[0005] 为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种试验气体污染对超音速燃烧室性 能影响的试验系统；在纯净空气试验系统的基础上，通过在混合器内添加水蒸气和二氧化 碳污染组分，使得试验系统具有在同一设备上开展模拟飞行马赫数4. 0状态下燃烧室污染 对比试验能力。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括纯净空气试验系统、污染气体 添加系统、燃料供应系统、混合器、喷管、燃烧室试验模型，纯净空气试验系统包括空气气 源、主路空气流量调节阀、电阻加热器，空气气源通过主路空气流量调节阀与电阻加热器连 接，混合器位于电阻加热器与喷管之间，喷管与燃烧室试验模型连接；污染气体添加系统包 括水添加系统、二氧化碳添加系统、氧气添加系统，水添加系统中的水活塞缸与水加热器连 接，二氧化碳添加系统中的二氧化碳气源与流量调节阀及附件连接，水添加系统与二氧化 碳添加系统通过管路和混合器连接，氧气添加系统中的氧气气源通过流量调节阀及附件与 混合器连接；燃料供应系统中的燃料罐通过流量调节阀与燃烧室试验模型连接；试验步骤 如下：
[0007] (1)调节主路空气流量调节阀和电阻加热器功率，将空气加热至800~1000K，在 燃烧室试验模型中的流场稳定后，开启燃料供给系统，进行纯净空气来流的超音速燃烧室 性能试验；
[0008] (2)完成纯净空气试验后，调节主路空气流量调节阀及电阻加热器功率，当电阻加 热器出口空气达到所需状态后，开启污染气体添加系统，高温空气、二氧化碳、水蒸气、氧气 在混合器内按一定比例混合均匀，混合器出口气体的氧气摩尔分数为21% ;其中，水加热 器内液态水被加热至400~750°C的水蒸气，喷入混合器；在燃烧室试验模型中的流场稳定 后，开启燃料供应系统，按预定的时序控制向燃烧室试验模型喷射、燃烧，进行污染气体来 流的超音速燃烧室性能试验；
[0009] (3)根据采集到的超音速燃烧室试验数据，分析污染组分水及二氧化碳对超音速 燃烧室性能的影响。
[0010] 有益效果
[0011] 本发明提出的一种试验气体污染对超音速燃烧室性能影响的试验系统，通过在混 合器中添加经由电阻加热器输供的高焓纯净空气与水添加系统喷入的水蒸气、二氧化碳添 加系统喷入的二氧化碳及氧气添加系统喷入的氧气充分混合，通过喷管进入到燃烧室试验 模型中；燃料供应系统按预定的时序控制向燃烧室试验模型喷射、燃烧，实现纯净空气和污 染气体的对比试验，可有效地"分离"出试验工质组分组成差异、来流参数差别对超音速燃 烧室工作过程及性能的影响。在同一试验车次中，可先进行纯净空气试验，再进行相应的污 染气体试验，既提高了试验效率，同时也节省了试验成本。污染气体添加系统的工作性能可 很好的满足模拟Ma4飞行状态下的燃烧室进口污染空气参数。
【附图说明】
[0012] 下面结合附图和实施方式对本发明一种试验气体污染对超音速燃烧室性能影响 的试验系统作进一步的详细说明。
[0013]图1为试验气体污染对超音速燃烧室性能影响的试验系统示意图。
[0014] 图中：
[0015] 1.空气气源2.主路空气流量调节阀3.电阻加热器4.混合器5.喷管6.燃烧 室试验模型7.氧气气源8.燃料罐9.水加热器10.水活塞缸11.二氧化碳气源12.氧 气添加系统13.燃料供应系统14.二氧化碳添加系统15.水添加系统
【具体实施方式】
[0016] 本实施例是一种试验气体污染对超音速燃烧室性能影响的试验系统。
[0017] 以马赫数4,总温为880K，纯净空气与污染气体的对比试验为例。表1为超音速燃 烧室进口各组分的摩尔分数。
[0018] 表1超音速燃烧室进口状态参数
[0019]
【主权项】
1. 一种试验气体污染对超音速燃烧室性能影响的试验系统，其特征在于：包括纯净空 气试验系统、污染气体添加系统、燃料供应系统、混合器、喷管、燃烧室试验模型，纯净空气 试验系统包括空气气源、主路空气流量调节阀、电阻加热器，空气气源通过主路空气流量调 节阀与电阻加热器连接，混合器位于电阻加热器与喷管之间，喷管与燃烧室试验模型连接； 污染气体添加系统包括水添加系统、二氧化碳添加系统、氧气添加系统，水添加系统中的水 活塞缸与水加热器连接，二氧化碳添加系统中的二氧化碳气源与流量调节阀及附件连接， 水添加系统与二氧化碳添加系统通过管路和混合器连接，氧气添加系统中的氧气气源通过 流量调节阀及附件与混合器连接；燃料供应系统中的燃料罐通过流量调节阀与燃烧室试验 模型连接；试验步骤如下： (1) 调节主路空气流量调节阀和电阻加热器功率，将空气加热至800~1000K，在燃烧 室试验模型中的流场稳定后，开启燃料供给系统，进行纯净空气来流的超音速燃烧室性能 试验； (2) 完成纯净空气试验后，调节主路空气流量调节阀及电阻加热器功率，当电阻加热器 出口空气达到所需状态后，开启污染气体添加系统，高温空气、二氧化碳、水蒸气、氧气在混 合器内按一定比例混合均匀，混合器出口气体的氧气摩尔分数为21% ;其中，水加热器内 液态水被加热至400~750°C的水蒸气，喷入混合器；在燃烧室试验模型中的流场稳定后， 开启燃料供应系统，按预定的时序控制向燃烧室试验模型喷射、燃烧，进行污染空气来流的 超音速燃烧室性能试验； (3) 根据采集到的超音速燃烧室试验数据，分析污染组分水及二氧化碳对超音速燃烧 室性能的影响。
【专利摘要】本发明公开了一种试验气体污染对超音速燃烧室性能影响的试验系统，通过在混合器中添加由电阻加热器输供的高焓纯净空气与水添加系统喷入的水蒸气、二氧化碳添加系统喷入的二氧化碳及氧气添加系统喷入的氧气充分混合；通过喷管进入到燃烧室试验模型中，实现纯净空气和污染气体的对比试验，可有效地“分离”出试验工质组分组成差异、来流参数差别对超音速燃烧室工作过程及性能的影响。在同一试验车次中，可先进行纯净空气试验，再进行相应的污染气体试验；试验系统在提高试验效率的同时，也节省了试验成本。污染气体添加系统的工作性能可很好的满足模拟Ma4飞行状态下的燃烧室进口污染气体参数。
【IPC分类】G01M15-14
【公开号】CN104764610
【申请号】CN201510144048
【发明人】宋文艳, 石德永, 李建平, 陈亮, 唐军, 张冬青, 王艳华
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月30日