一种基于蓄热式加热器的预热系统设计方案

摘要

本发明公开的一种基于蓄热式加热器的预热系统设计方案，采用天然气作为燃料，可用于蓄热阵最大预热温度为2300K的蓄热式加热器的预热设计。预热系统包括:预热燃烧器本体、助燃空气进气管路、天然气进气管路、预热燃气排放管路、高压空气管路、膜片保护管路、高温快速蝶阀。预热燃烧器内点燃天然气，产生高温燃气；助燃空气进气管路提供过量的助燃空气，另预留氧气接口，可在加热温度2200K状态下采用补氧燃烧的技术；天然气进气管路提供适量的天然气；高温燃气预热后，从预热燃气排气管道排出，预热燃气排气管道采用引射掺混方式以降低排放燃气的温度；预热过程由高压空气管路和膜片保护管路提供少量高压冷空气冷却加热器；加热器工作期间由高温快速蝶阀保护预热燃烧器。

说明书

技术领域

本发明涉及超燃冲压发动机地面实验技术领域，具体地说，涉及一种蓄热式加热器的超燃冲压发动机燃烧室试验系统领域。

背景技术

目前，西方发达国家开始采用蓄热式加热器用于超燃冲压发动机地面实验，其中加热器的预热方式大多数为高温燃气预热。此类加热器可为超燃冲压发动机地面试验提供高温“纯净”空气，使试验可以进行更高马赫数的飞行试验，极大促进了超燃冲压发动机的试验研究。美国流体动力工程公司Channel-9风洞中的空心砖型蓄热式加热器预热方式采用丙烷燃烧加热与电加热并行方式，可进行马赫数7至14的气动推力试验；日本宇航院RJTF风洞中的空心砖型蓄热式加热器采用高温燃气预热。可进行马赫数4、6、8的飞行试验；法国空间局S4高超声速下吹式风洞中的氧化铝卵石床蓄热式加热器采用丙烷/空气燃烧的高温燃气来预热，可进行马赫数6.4～10范围的风洞试验任务。截至目前，国内还没有用于高超声速风洞的蓄热式加热器，更没有用于此类加热器的预热燃烧系统。

预热燃烧器技术是蓄热式加热器系统的关键技术问题，需要实现预热燃烧器在预热和加热器工作这两种差别比较大的状态下的安全可靠对接，确保天然气等燃料完全燃烧和获得稳定的燃气气流，燃料完全燃烧可避免加热器内产生“污染”气体，保证加热器出口为“纯净”气体。预热过程中既要高温快速加热蓄热砖，又要避免蓄热阵的初始预热温度型斜率超过其最大允许值。预热系统既要设计成不同流量燃烧，又要有严格的冷却措施，以保证加热器的性能达到要求。

发明内容

本发明为解决蓄热式加热器的预热问题所采用的预热系统包括:预热燃烧器本体、助燃空气进气管路、天然气进气管路、预热燃气排放管路、高压空气管路、膜片保护管路、高温快速蝶阀。

预热燃烧器(图2)主要包括助燃空气进气口、天然气进气口、喷嘴和火花塞等主要部件组成。助燃空气进气口焊接在加热器顶部法兰面上，通过法兰与管道连接，在助燃空气进气口处布置一组旋风叶片，可使天然气和助燃空气充分混合，减少火焰长度。天然气进气管穿过助燃空气进气口喷射入加热器，在天然气进气管道下方，依次布置点火器、火检仪、压力传感器、温度传感器。点火器选择电火花塞点燃小火炬，用小火炬点燃燃烧器，火检仪用于检查天然气是否点燃、燃烧是否停止，保障设备能够安全运行；

在预热燃烧器进气管路上配置文氏流量计和涡街流量计，准确可靠地测量预热燃烧器的空气流量，确定预热燃烧器的燃气温度。另在助燃空气进气管路配置气动双位蝶阀，采用蝶阀的开度来调节助燃空气流量。助燃空气进气管路配置鼓风机1个，空气滤清器、气动双位蝶阀、文氏流量计、气动球阀各1个，压力表1个，差压传感器2个，助燃空气管路上预留氧气接口，可在加热温度2200K状态下采用补氧燃烧的技术；天然气进气管路配置手动截止阀、手动排气阀、天然气滤清器、电动减压阀、文氏流量计、气动球阀各1个，压力表1个，差压传感器2个；

预热燃气排放管路(图3)初始段管内浇注一层隔热材料，其后连接一个高温高压球阀，之后用一个鼓风机采用引射的方式抽吸燃气，一方面可以使燃气顺利排除，另一方面通过参混冷空气以降低排放燃气的温度，有利于保护排放管道。预热燃气排放管路包括初始隔热管段、电动高温高压球阀1个、温度传感器1个、引射参混系统、参混尾气排放管段；

为了避免预热燃烧器工作时高温高压空气对燃烧喷注管道造成破坏，工作时通过膜片气路从上部持续通入小流量的高压冷空气，既可避免高温空气与相应部件的直接接触，也可带走高温空气的辐射热。高压空气管路配置手动截止阀、手动排气阀、电动调压阀、文氏流量计、气动球阀各1个，压力表1只，差压传感器2只；膜片保护管路配置电动调压阀、电动节流阀、文氏流量计各1个，气动球阀3个，差压传感器3只。

预热燃烧器与蓄热加热器本体的连接处，设置高温快速蝶阀。在蓄热式加热器加压和工作时，通过高温蝶阀切断高温高压空气进入预热燃烧器；此外为避免蝶阀存在一定的泄露，在预热燃烧器中持续通入小流量的高压冷空气加以保护。快速蝶阀结构简单，动作灵敏，采用气动装置，可以在1秒时间内快速开启和关闭。

有益效果

本发明基于蓄热式加热器提出一种预热系统设计方案，包括预热燃烧器本体、助燃空气进气管路、天然气进气管路、预热燃气排放管路、高压空气管路、膜片保护管路、高温快速蝶阀。采用天然气作为燃料，对蓄热式加热器蓄热砖进行不同流量的高温燃气预热，同时隔热冷却措施保证预热系统的安全，可用于蓄热阵最大预热温度为2300K的蓄热式加热器的预热。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于蓄热式加热器的预热系统设计方案作进一步的详细说明。

图1蓄热式加热器管道阀门配置图。

图2预热燃烧器本体示意图。

图3预热燃气排放管路示意图。

图4加热器预热过程气体流向。

图5天然气与空气在不同混合比下的理论燃气温度曲线。

图6预热燃烧器工作曲线示意图

图中：1.鼓风机 2.空气滤清器 3.压力表 4.压力传感器 5.气动双位蝶阀 6.差压传感器 7.文氏流量计 8.气动球阀 9.减压阀 10.截止阀 11.排气阀 12.天然气瓶组13.软连接 14温度监测阵 15.节流阀 16.调压阀 17.电动高温高压球阀 18.高压空气罐19预留氧气接口 20、点火器 21、压力传感器 22、火检仪 23、温度传感器 24、助燃空气进口 25、旋风叶片 26、天然气进气管 27、集气室 28、电动高温高压球阀 29、引射掺混 30、鼓风机 31、隔热材料

具体实施方式

本实施例为蓄热式加热器预热全过程。

蓄热式加热器蓄热阵最大预热温度初步设计为1900K-2000K，预热过程中要严格避免蓄热阵的初始预热温度型斜率超过其最大允许值。

图1中罐体左上管路为助燃空气进气管道，罐体右上管路为天然气进气管道，罐体左下管路为预热燃气排放管路，罐体右下管路为高压空气管路，罐体右侧管路为膜片保护管路。图4中红色粗线表示的是预热过程中通气的管路。

步骤一：参阅图1和图4，先打开预热燃气排放管路的球阀和鼓风机；再调节好助燃空气流量，打开助燃空气管路阀门；接着打开高压空气管路的阀门，使高压气体沿管路流入加热器中，此处高压气体是保护气；最后调节好天然气流量，打开天然气管路阀门，启动预热燃烧器点火器，点火成功后，高温燃气“自上而下”流经蓄热式加热器对蓄热单元进行预热。

步骤二：确定加热器预热采用三个阶段预热方案：(1)以低温、低流量的燃气流来进行一段较长时间的预热，以致达到一个相对低温的准稳态温度分布；(2)以一个高温、低流量的燃气流来进行一段较长时间的预热，以致达到一个较高温的准稳态温度分布；(3)以一个高温、大流量的燃气流进行短时间快速加热，将蓄热单元顶部高温区进一步延伸到所需的深度。前两个阶段产生所需的斜坡温度型，第三个阶段产生所需的顶部恒温段。

步骤三、计算天然气与空气在不同混合比下的理论燃气温度。天然气与空气在不同混合比下的理论燃气温度如表1，曲线如图5所示。

表1热力计算结果

从表1和图5可以看出，空气与天然气的混合比在22-24时，燃气的理论温度约为2000K。考虑燃烧效率后的燃气总温为1900K，预热燃烧器的最高工况为混合比23。为了尽量减少空气预热的污染程度，预热燃烧器中的燃气选用富氧燃烧方式。

步骤四、计算天然气和空气的流量。天然气进口通径为φ50mm，空气由天然气进气管周围进入，进口通径为φ200mm，对预热燃烧器进行的热力计算结果为预热燃烧器的最大燃气流量为0.14Kg/s。

若最大流量为0.14Kg/s，则得：

天然气的流量为：

空气流量为：

步骤五、假设从常温或者相对低温条件开始加热蓄热阵，直到所需的最大工作温度。预热燃烧器在1000K-1900K温度区域、0.01Kg/s-0.15Kg/s的流量区域内工作，如图6。最终可使加热器预热到：蓄热阵斜坡段的温度梯度dT_s/dL≤500K/m,蓄热阵底部温度低于800K，蓄热阵顶部最高温度为1900K。

步骤六、整个预热阶段由加热器本体上的温控系统监测系统监测蓄热单元纵向个截面温度状态，直到达到预定的蓄热单元纵向温度分布，同时注意控制蓄热单元底部温度不能超过预定值。预热阶段的燃气废气排放管路通过冷空气掺混至较低温度至较低温度后直排大气。

步骤七、加热器试验过程中，预热燃烧器的冷却水路保持开放，以防止被加热器出口的高温气体烧坏，加热器试验结束后首先关闭高压空气气路，然后关闭加热器出口高温截止阀，继续保持各冷却水路/气路的供应。启动预热燃烧器系统，对蓄热单元进行再热补充热量，进入下一个实验周期，加热器再热时间一般较短，试验效率较高，因此蓄热式加热试验系统往往采用多周期连续试验，能量利用率高，经济性好。