[发明专利]一种高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室头部

说明书

技术领域

本发明属于高超声速风洞的技术领域，具体地涉及一种高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室头部。

背景技术

高超声速飞行器及发动机技术的发展极大地依赖于地面风洞设备(即，自由射流等地面模拟高空高速环境的设备)的建设。其中，能够长时间运行的高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室是必不可少的设备。

自由射流等地面模拟高空高速环境的设备具有高焓、高速、高压和长期使用的特点，在地面模拟高速环境一般需要加热空气并补充氧气，氧气的组分需要与高空一致。它的难点是压力较高，一般要达到10MPa的压力，目前的燃烧室只有火箭燃烧室能够达到这一设计压力，但火箭燃烧室的结构并不是按照长时间运行设计的，而且火箭的燃料大都是液体燃料，它还存在燃烧不够完全的问题。而地面模拟设备需要使用10年甚至更长时间，而且燃烧要完全。

而采用氢气、氧气和空气的燃烧可以获得目前公认的污染最小的高焓气体。但是这些气体燃烧的问题是工作范围较窄，也就是只能工作在特定范围内，因为一旦脱离这个范围，火焰就会熄火。

而地面模拟设备需要模拟包线范围内所有状态，所以参数变化范围较大，目前一般配备多组加热器来解决这个问题，缺点是占用空间大、制造成本高、操作复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室头部,其大大节省空间、降低制造成本、操作比较简单。

本发明的技术解决方案是：这种高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室头部，其包括氢氧喷注环、内环空气喷注单元和外环空气喷注单元，氢氧喷注环突出于内环空气喷注单元和外环空气喷注单元，并且与点火器位于同一平面内，氢氧喷注环具有氢气流道、氧气流道、以及若干个朝向点火器的氢气喷口和氧气喷口，内环空气喷注单元具有内环空气流道、若干个内环空气喷口，每个内环空气喷口设在氢气喷口和氧气喷口的间隙处，外环空气喷注单元具有外环空气流道、若干个朝向燃烧室内壁的外环空气喷口。

本发明通过氢氧喷注环使得氢氧直接燃烧，氢氧比例在燃烧温度900-2100K范围内都可稳定；空气通过设在氢气喷口和氧气喷口的间隙处的内环空气喷口进入燃烧室核心部位来冷却氢氧喷注环的内壁；空气通过外环空气喷口直接喷注到燃烧室内壁来冷却燃烧室内壁，并且与内环空气喷口的空气形成气膜来冷却氢氧喷注环的外壁，从而使得燃烧室的热损失小；所以本发明只采用这种燃烧室头部来代替多组加热器，能够模拟包线范围内所有状态，因此大大节省空间、降低制造成本、操作比较简单。

附图说明

图1是根据本发明的高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室头部的结构示意图。

图2是图1中的主要部分的结构示意图。

图3是图2的A-A向剖视图。

具体实施方式

如图1-3所示，这种高超声速高焓地面模拟设备的燃烧室头部，其包括氢氧喷注环、内环空气喷注单元和外环空气喷注单元，氢氧喷注环突出于内环空气喷注单元和外环空气喷注单元，并且与点火器(图中未示出)位于同一平面内，氢氧喷注环具有氢气流道1、氧气流道2、以及若干个朝向点火器的氢气喷口11和氧气喷口21，内环空气喷注单元具有内环空气流道8、若干个内环空气喷口81，每个内环空气喷口设在氢气喷口和氧气喷口的间隙处，外环空气喷注单元具有外环空气流道3、若干个朝向燃烧室内壁的外环空气喷口31。氢气和氧气在氢氧通道4中混合，外环空气通过外环空气通道5后冷却氢氧喷注环的外壁和燃烧室壁面，内环空气通过内环空气流道8与氢气流道1的缝隙以及内环空气流道8与氧气流道2的缝隙进入氢氧通道4来冷却氢氧喷注环的内壁。

本发明通过氢氧喷注环使得氢氧直接燃烧，氢氧比例在燃烧温度900-2100K范围内都可稳定；空气通过设在氢气喷口和氧气喷口的间隙处的内环空气喷口进入燃烧室核心部位来冷却氢氧喷注环的内壁；空气通过外环空气喷口直接喷注到燃烧室内壁来冷却燃烧室内壁，并且与内环空气喷口的空气形成气膜来冷却氢氧喷注环的外壁，从而使得燃烧室的热损失小；所以本发明只采用这种燃烧室头部来代替多组加热器，能够模拟包线范围内所有状态，因此大大节省空间、降低制造成本、操作比较简单。

另外，由于内环空气喷注单元的内环空气喷口设在氢气喷口和氧气喷口的间隙处，而外环空气喷注单元的外环空气喷口是直喷的，所以外环空气喷注的量要高于内环的空气量，主要是冷却氢氧喷注环的外壁以及与高温燃气掺混。最终燃烧后，氢全部转化为水、而氧气的摩尔含量与空气中氧含量一致，是21％。这样到燃烧室出口时，氧含量摩尔比例是与空气一致的。