专利名称：碳氢燃料的加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及加热装置领域，特别地，涉及一种用于碳氢燃料加热的加热装置。
技术背景
超声速燃烧冲压发动机以液态碳氢化合物为燃料时，液态碳氢燃料通常先被用作冷却剂对发动机进行再生冷却，然后再喷注进燃烧室参与燃烧，因此喷注进入燃烧室参与燃烧的是被加热后的碳氢燃料(以下简称“加热燃料”)。研究表明，加热燃料喷注特性、混合特性和燃烧特性与液态碳氢燃料存在很大差别，研制再生冷却式超声速燃烧冲压发动机需要进行大量地面试验以深入掌握其燃烧性能和工作稳定性。实际的再生冷却式超声速燃烧冲压发动机工作过程中，燃料在冷却流道内的流动与传热过程十分复杂，冷却发动机后的燃料温度和成分是一系列复杂因素相互作用的结果。为将加热燃料在超声速燃烧冲压发动机内的燃烧过程与其它因素独立开以开展深入研究，就需要模拟冷却冲压发动机后、喷注进入燃烧室前的加热燃料，这对适用于不同类型地面试验的碳氢燃料加热装置提出了研制需求。可见，碳氢燃料加热装置是采用再生冷却工作方式的冲压发动机地面自由射流与直连式试验系统的关键设备。
现有技术采用二级电加热的煤油加热方案。该煤油加热装置的第一级加热器采用储热式电加热系统，在该第一级加热器中可将管内0. 8kg的煤油在5. 5MPa下加热至570K ； 第二级加热器管道结构与第一级一样，通过在两端连接的80 100V直流电直接通电加热， 这样，从第二级加热器的出口流出的煤油温度可达到950K以上。然而，该种加热装置方案存在以下不足1、被加热的煤油流量偏小，无法满足较大尺度超燃冲压发动机的使用需求； 2、被加热的煤油流量难以精确控制和测量。
此外，还有一种常用的加热装置首先通过预热器将常温燃料预热到600K，然后将预热后的燃料通入名为化学反应器的难熔镍基合金管进一步加热到设定温度。然而，这种加热方案不能满足较大尺度的超燃冲压发动机的使用需求。
综上所述，目前国内外已用于或可能用于超燃冲压发动机地面试验系统的碳氢燃料加热装置普遍存在燃料流量较小、加热燃料流量不能精确控制与测量等问题，难以满足大尺度发动机的使用需求。发明内容
本发明目的在于提供一种碳氢燃料的加热装置，以解决现有技术中燃料流量小、 加热燃料流量不能精确控制与测量等技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳氢燃料的加热装置，包括燃气发生器及换热器；换热器包括一个螺旋换热管，且碳氢燃料在螺旋换热管内流过；燃气发生器包括用于供能燃料燃烧的燃烧室；燃烧室内产生的高温燃气流入换热器后，并流经螺旋换热管的外侧。
进一步地，换热器包括第一壳体及第二壳体；第一壳体包括换热室；第二壳体固定在换热室内，螺旋换热管套装在第二壳体上。
进一步地，碳氢燃料的加热装置还包括连接件；燃烧室通过连接件固定在第一壳体的第一端；连接件设有一个燃气通道，且燃气通道将燃烧室和换热室连通。
进一步地，燃气通道沿高温燃气的流动方向呈先收缩后扩张的拉瓦尔喷管状，燃气通道的最小横截面积处为燃气通道的喉部。
进一步地，燃气通道的喉部的横截面积与流经燃气通道的高温燃气的质量流量之I间的关系如下M= ,'k(^)1^-^其中，M为流经燃气通道的喉部的高温燃气的质量流量， 、 ，At为燃气通道的喉部的截面面积，Pc为燃烧室内的高温燃气压强，k和Rg分别为高温燃气的比热比和气体常数，Tc为燃烧室内高温燃气的温度。
进一步地，第一壳体的第二端固定有节流板；节流板上还设有排气通道；排气通道沿高温燃气流动方向呈先收缩后扩张的拉瓦尔喷管状，排气通道的最小横截面积处为排气通道的喉部。
进一步地，排气通道的喉部的横截面积与流经排气通道的高温燃气的质量流量之I-间的关系如下Ν = υ^β ^其中，N为流过排气通道的高温燃气的质量流量，Ab为 1 \k+l/ %-'R|Tc排气通道的喉部的截面面积，Pd为换热室内的高温燃气压强，k和Rg分别为高温燃气的比热比和气体常数；Tc为高温燃气在换热器内进行换热后的温度。
进一步地，连接件设有一个通孔；节流板设有通孔；螺旋换热管包括进口管段和出口管段；进口管段穿过节流板的通孔后与提供待加热碳氢燃料的设备连接；出口管段穿过连接件的通孔后与需要热态碳氢燃料的设备连接。
进一步地，进口管段上安装有一个质量流量控制器。
进一步地，燃烧室上还固定有用于注射供能燃料和氧化剂的喷注器；喷注器上设有分别用于控制喷入燃烧室内的供能燃料和氧化剂的两个质量流量控制器；喷注器包括固定在燃烧室的本体及安装在本体上的若干用于喷射供能燃料和氧化剂的喷嘴；喷嘴与燃烧室连通。
本发明具有以下有益效果本发明的碳氢燃料的加热装置通过供能燃料和氧化剂在燃气发生器的燃烧室内充分燃烧释放的化学能，可以为换热器长时间提供大功率的加热源，突破了采用电加热方案时的功率限制，可实现大流量碳氢燃料的加热，以满足大尺度超燃冲压发动机地面试验的需求。此外，燃气发生器设有质量流量控制器，用于控制喷入燃烧室内的燃烧供能燃料和氧化剂的质量流量，使得燃烧室内所产生的高温燃气温度和质量流量可以精确控制；螺旋换热管的进口管段也设有质量流量控制器，用于控制进入螺旋换热管内的待加热的碳氢燃料的质量流量，当流动与传热达到平衡后，螺旋换热管进口管段和出口管段的碳氢燃料的质量流量相同，这样通过进口管的质量流量控制器就可以精确控制加热后的加热燃料的质量流量；这样，达到换热平衡后，螺旋换热管的出口管段的加热燃料的温度恒定，不随时间变化。且高温燃气在燃烧室中充分反应后才进入换热器参与换热，因此消除了燃气发生器和换热器内部发生烧蚀的隐患。此外，燃气发生器和换热器均采用热沉方式实现热防护且无动件，有效简化了结构，且整个系统技术成熟、可靠性高、安全性好。5
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中
图1是本发明优选实施例的碳氢燃料的加热装置的结构示意图，该碳氢燃料的加热装置包括连接件、换热器及螺旋换热管；
图2是本发明图1的碳氢燃料的加热装置的连接件的结构示意图3是本发明图1的碳氢燃料的加热装置的螺旋换热管的结构示意图；以及
图4是本发明图1的碳氢燃料的加热装置的螺旋换热管及换热器安装在一起的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参照图1，本发明优选实施例的碳氢燃料的加热装置包括燃气发生器1、连接件 2及换热器3。换热器3包括有螺旋换热管4，待加热的碳氢燃料可操作地在螺旋换热管4 内流过。燃气发生器1内的供能燃料燃烧产生的高温燃气通过连接件2进入换热器3，并流过螺旋换热管4的外侧，以用于和螺旋换热管4内的待加热的碳氢燃料进行热交换，从而使得待加热的碳氢燃料达到预定的温度。
燃气发生器1包括圆筒状的燃烧室11及固定在燃烧室11的第一端的喷注器12。 喷注器12包括固定在燃烧室11的第一端的本体121及固定在本体121上的若干喷嘴123。 优选地，燃烧室11的第一端设有固定法兰111，本体121通过螺钉等紧固件固定在固定法兰111上。供能燃料和氧化剂通过喷嘴123按照设定好的质量流量注入到燃烧室11内，并在燃烧室11内充分燃烧形成高温高压燃气，为换热器3提供足够的加热燃气，从而为换热管4内的待加热的碳氢燃料提供足够的能量。优选地，喷注器12上设有两个质量流量控制器，以分别控制经过喷嘴123喷入燃烧室11内的供能燃料及氧化剂的质量流量，使得燃烧室11内所产生的高温燃气的温度和质量流量可以精确控制。
请结合参见图2，连接件2的第一端固定在燃烧室11的第二端。优选地，燃烧室11 的第二端设有固定法兰113，连接件2的第一端设有法兰21，通过固定法兰113和法兰21 的相互固定而将燃烧室11的第二端与连接件2的第一端固定在一起。连接件2的第二端设有一个安装法兰23，通过安装法兰23可以将连接件2的第二端固定在换热器3上。安装法兰23上设有一个通孔231。连接件2设有一个贯穿连接件2的第一端和第二端的燃气通道25。燃气通道25呈拉瓦尔喷管状，沿高温燃气的流动方向燃气通道25包括分别位于连接件2的第一端的收缩段和第二端的扩张段251，燃气通道25的最小横截面积处为燃气通道的喉部253。燃气发生器1内产生的高温燃气通过燃气通道25流入换热器3的过程中， 在该喉部253处达到壅塞(即高温燃气在喉部253处的流动速度达到当地音速)。其中，喉部253的横截面积与流经燃气通道25的高温燃气的质量流量之间的关系如下
权利要求
1.一种碳氢燃料的加热装置，其特征在于，包括燃气发生器及换热器；所述换热器包括一个螺旋换热管，且所述碳氢燃料在所述螺旋换热管内流过；所述燃气发生器包括用于供能燃料燃烧的燃烧室；所述燃烧室内产生的高温燃气流入所述换热器后，并流经所述螺旋换热管的外侧。
2.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述换热器包括第一壳体及第二壳体；所述第一壳体包括换热室；所述第二壳体固定在所述换热室内，所述螺旋换热管套装在所述第二壳体上。
3.根据权利要求2所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述碳氢燃料的加热装置还包括连接件；所述燃烧室通过所述连接件固定在所述第一壳体的第一端；所述连接件设有一个燃气通道，且所述燃气通道将所述燃烧室和所述换热室连通。
4.根据权利要求3所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述燃气通道沿所述高温燃气的流动方向呈先收缩后扩张的拉瓦尔喷管状，所述燃气通道的最小横截面积处为所述燃气通道的喉部。
5.根据权利要求4所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述燃气通道的喉部的横截面积与流经所述燃气通道的高温燃气的质量流量之间的关系如下！ ^其中，M为流经所述燃气通道的喉部的高温燃气的质量流量，At为所述燃气通道的喉部的截面面积，Pc为所述燃烧室内的高温燃气压强，k和Rg分别为高温燃气的比热比和气体常数，Tc为所述燃烧室内高温燃气的温度。
6.根据权利要求3所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述第一壳体的第二端固定有节流板；所述节流板上还设有排气通道；所述排气通道沿所述高温燃气流动方向呈先收缩后扩张的拉瓦尔喷管状，所述排气通道的最小横截面积处为所述排气通道的喉部。
7.根据权利要求6所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述排气通道的喉部的横截面积与流经所述排气通道的高温燃气的质量流量之间的关系如下 其中，N为流过所述排气通道的高温燃气的质量流量，Ab为所述排气通道的喉部的截面面积，Pd为所述换热室内的高温燃气压强，k和Rg分别为高温燃气的比热比和气体常数; Tc为高温燃气在所述换热器内进行换热后的温度。
8.根据权利要求6所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述连接件设有一个通孔；所述节流板设有通孔；所述螺旋换热管包括进口管段和出口管段；所述进口管段穿过所述节流板的通孔后与提供所述待加热碳氢燃料的设备连接； 所述出口管段穿过所述连接件的通孔后与需要所述热态碳氢燃料的设备连接。
9.根据权利要求8所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述进口管段上安装有一个质量流量控制器。
10.根据权利要求1所述的碳氢燃料的加热装置，其特征在于，所述燃烧室上还固定有用于注射供能燃料和氧化剂的喷注器；所述喷注器上设有分别用于控制喷入所述燃烧室内的供能燃料和氧化剂的两个质量流量控制器；所述喷注器包括固定在所述燃烧室的本体及安装在所述本体上的若干用于喷射供能燃料和氧化剂的喷嘴；所述喷嘴与所述燃烧室连通。
全文摘要
本发明提供了一种碳氢燃料的加热装置，包括燃气发生器及换热器；换热器包括一个螺旋换热管，且碳氢燃料在螺旋换热管内流过；燃气发生器包括用于供能燃料燃烧的燃烧室；燃烧室内产生的高温燃气流入换热器后，并流经螺旋换热管的外侧。本发明的碳氢燃料的加热装置通过供能燃料和氧化剂在燃气发生器的燃烧室内充分燃烧释放的化学能，可以为换热器长时间提供大功率的加热源，突破了采用电加热方案时的功率限制，可实现大流量碳氢燃料的加热，以满足大尺度超燃冲压发动机地面试验的需求。此外，燃气发生器和螺旋换热管的进口管段均设有质量流量控制器，燃烧供能燃料和氧化剂的质量流量及进入螺旋换热管内的待加热的碳氢燃料的质量流量均可以精确控制。
文档编号F02M31/16GK102518534SQ20111045640
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者丁猛, 刘卫东, 周进, 张建强, 李大鹏, 李庆, 李清廉, 梁剑寒, 王振国, 王翼, 钟战 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学