燃烧室入口水分布模拟装置及其液相发生单元的制作方法

1.本发明涉及航空发动机试验领域，尤其涉及一种燃烧室试验装置、燃烧室入口水分布模拟装置及其液相发生单元。


背景技术：

2.飞机在运行时常会遭遇大雨，当发动机处于高推力工况时，高速旋转的风扇叶片将绝大部分雨水离心到外涵道并排出，进入核心机的少量雨水在较高的压气机温度下也可被完全汽化。而当发动机处于空中慢车工况时，风扇叶片转速和压气机温度均不高，使得进入核心机的水气比增加，且液态水的汽化效果变差，导致大量液态水进入燃烧室。液态水进入燃烧室后迅速汽化并产生大量水蒸气，迫使火焰筒内的油气混合物外溢，导致油气比的降低和熄火裕度的减小。液态水也会直接影响燃油的雾化效果和燃烧过程，破坏流场，降低主燃区的温度和燃烧效率，导致燃烧室熄火和发动机失效。
3.航空发动机适航规章对在持续吸雨条件下的发动机性能提出了明确要求，工业方通常通过整机试验来表明持续吸雨条件下的发动机适航符合性。在整机试验开展之前，需通过部件级试验验证或修正部件吸雨计算模型，降低整机试验的失败风险。
4.故亟需提供一种能够有效模拟吸雨条件下燃烧室入口水分布的试验装置。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种液相发生单元，其能够为模拟吸雨条件下燃烧室入口的水分布提供基础。
6.本发明的另一个目的在于提供一种燃烧室入口水分布模拟装置，其包括如前所述的液相发生单元。
7.本发明的又一目的在于提供一种燃烧室试验装置，其包括如前所述的燃烧室入口水分布模拟装置。
8.为实现前述目的的液相发生单元，包括：
9.外壳体，具有壳体内腔，所述壳体内腔具有第一进气口以及第一出气口；
10.水滴发生装置，具有水滴发生喷嘴，所述水滴发生喷嘴设置于所述壳体内腔中，并朝向所述第一出气口设置；以及
11.水膜发生装置，设置于所述第一出气口处，用于在所述第一出气口内壁上生成水膜。
12.在一个或多个实施方式中，所述外壳体中设置有出气管，所述第一出气口形成于所述出气管的出口端，所述水滴发生喷嘴朝向所述出气管的进口端设置，所述水膜发生装置在所述出气管内壁上生成水膜；
13.其中，所述水滴发生喷嘴与所述进口端之间隔开一端距离。
14.在一个或多个实施方式中，所述外壳体具有相对设置的第一壁体以及第二壁体，所述第一进气口以及所述第一出气口分别设置于所述第一壁体以及所述第二壁体上；
15.其中，所述第一壁体以及所述第二壁体之间限定所述外壳体的长度，所述一端距离的长度为所述外壳体的长度的二分之一至三分之二之间。
16.在一个或多个实施方式中，所述出气管具有突出于所述第二壁体，并朝向所述壳体内腔延伸的一段。
17.在一个或多个实施方式中，所述外壳体的底壁开设有收集开口，所述液相发生单元还包括第一集水装置，所述第一集水装置与所述收集开口相连通；
18.其中，所述收集开口与所述第一集水装置之间设置有计量装置。
19.为实现前述另一目的的燃烧室入口水分布模拟装置，用于模拟吸雨条件下的燃烧室入口的水分布，包括加热单元以及如前所述的液相发生单元；
20.其中，沿气流方向，所述加热单元设置于所述液相发生单元的上游位置。
21.在一个或多个实施方式中，所述加热单元包括加热单元壳体，所述加热单元壳体具有第二进气口以及第二出气口，所述第二出气口与所述第一进气口连通，之间设置有第一阀门，其中，所述加热单元壳体内设置有：
22.导流件，用于将气流自所述第二进气口导入所述加热单元壳体中；
23.加热件，用于对导入的气流进行加热；以及
24.感温件；
25.其中，所述加热单元壳体采用保温材料制成。
26.在一个或多个实施方式中，所述第一进气口与所述水滴发生装置之间设置有蜂窝整流器。
27.为实现前述又一目的的燃烧室试验装置，包括燃烧室试验件以及如前所述的燃烧室入口水分布模拟装置；
28.其中，沿气流方向，所述燃烧室入口水分布模拟装置设置于所述燃烧室试验件的上游位置。
29.在一个或多个实施方式中，沿气流方向，所述燃烧室试验件的下游位置还设置有水气分离装置，所述水气分离装置具有分离装置壳体，所述分离装置壳体具有第三进气口以及第三出气口，所述第三进气口与所述燃烧室试验件出口侧连通，其中，所述分离装置壳体内还设置有挡水板组件。
30.本发明的进步效果包括以下之一或组合：
31.1)本液相发生单元中位于第一出气口处的水膜发生装置以及朝向第一出气口设置的水滴发生喷嘴所产生的液滴以及水膜能够模拟符合真实扩压器-燃烧室入口的液相状态，为整机持续吸雨适航符合性验证试验的设计提供有力支撑。
32.2)本燃烧室入口水分布模拟装置通过使得气流沿气流方向依次通过加热单元以及液相发生单元时，被加热的气流将带着水滴发生喷嘴所产生的液滴进入第一出气口，从而和水膜发生装置产生的水膜共同组成符合真实扩压器-燃烧室入口的气液两相流，以准确模拟燃烧室入口水分布特点。
附图说明
33.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
34.图1示出了一实施方式下燃烧室试验装置的示意图；
35.图2示出了一实施方式下液相发生单元中的示意图；
36.图3示出了一实施方式下加热单元的示意图；
37.图4示出了一实施方式下水气分离装置的示意图。
具体实施方式
38.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本技术的保护范围进行限制。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。
39.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。另外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本技术保护范围的限制。
40.需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、顶、底仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
41.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
42.本燃烧室试验装置能够有效模拟吸雨条件下燃烧室入口的水分布，如图1示出了燃烧室试验装置一实施方式下的示意图，燃烧室试验装置中包括燃烧室试验件9，气流在燃烧室试验装置中沿箭头a所指示方向流动。该燃烧室试验件9在图中并未详细示出，仅示出了其在燃烧室试验装置中布设的位置。可以理解的是，其可以是现有技术中常用的试验件结构，在此不多赘述。
43.在燃烧室试验件9的上游位置设置有燃烧室入口水分布模拟装置，该燃烧室入口水分布模拟装置是由加热单元1以及液相发生单元2组成，液相发生单元2布设于加热单元1在气流方向的下游位置。
44.为模拟吸雨条件下的燃烧室入口的水分布，本液相发生单元2一实施方式下的结构如图2所示，其包括：外壳体20、水滴发生装置21以及水膜发生装置22。外壳体20内部具有壳体内腔200，该壳体内腔200具有第一进气口201以及第一出气口202，气流能够自第一进气口201进入到壳体内腔200中后，自第一出气口202排出。
45.水滴发生装置21具有水滴发生喷嘴210，该水滴发生喷嘴210如图所示、伸入地设置于壳体内腔200中，并朝向第一出气口202设置，以使得自水滴发生喷嘴210喷出的水滴能够朝向第一出气口202喷射，使大部分水滴能够喷射进入到第一出气口202中。水膜发生装
置22设置于第一出气口202处，其在工作时能够在第一出气口202的内壁202a上生成水膜。需要说明的是，该水膜结构是指呈贴附于第一出气口202的内壁202a上、呈膜状的水层结构。
46.可以理解的是，文中所指的水膜发生装置22可以是一种现有的水膜生成器，能够在壁面上形成膜状水层的装置。
47.其中，第一出气口202与位于其气流方向a下游侧的燃烧室试验件9，使得位于第一出气口202处的水膜发生装置22以及朝向第一出气口202设置的水滴发生喷嘴210所产生的液滴以及水膜能够模拟符合真实扩压器-燃烧室入口的液相状态，为整机持续吸雨适航符合性验证试验的设计提供有力支撑。
48.同时，当气流沿气流方向a依次通过加热单元1以及液相发生单元2时，被加热的气流将带着水滴发生喷嘴210所产生的液滴进入第一出气口202，从而和水膜发生装置22产生的水膜共同组成符合真实扩压器-燃烧室入口的气液两相流，以准确模拟燃烧室入口水分布特点。
49.虽然本燃烧室试验装置、燃烧室入口水分布模拟装置及其液相发生单元的一个实施例如上所述，但是在其他实施例中，本燃烧室试验装置、燃烧室入口水分布模拟装置及其液相发生单元相对于上述实施例在许多方面都可以具有更多的细节，并且这些细节的至少一部分可以具有多样的变化。下面以一些实施例对这细节和些变化中的至少一部分进行说明。
50.请继续参见图2，在本液相发生单元的一个实施方式中，外壳体20中设置有出气管23，该出气管23具有进口端230以及出口端231，第一出气口202形成于该出气管23的出口端231处，水滴发生喷嘴210是朝向出气管23的进口端230设置，水膜发生装置22所生成的水膜是形成于出气管23的内壁上(即内壁202a上)。其中，部分水滴自水滴发生喷嘴210喷出时可能存在竖直方向的初速度，因此水滴发生喷嘴210与出气管23的进口端230之间如图中所示地间隔开一段距离，以使得存在竖直方向初速度的水滴无法进入进口端230，避免在内壁202a上积聚形成水膜，从而影响出口端231的水膜、水滴比例。
51.进一步地，在本液相发生单元的一个实施方式中，外壳体20是入图所示，具有相对设置的第一壁体203以及第二壁体204，第一进气口201以及第一出气口202分别设置于第一壁体203以及第二壁体204上。其中，第一壁体203与第二壁体204之间的距离限定出外壳体20的长度，如前所述水滴发生喷嘴210与出气管23的进口端230之间所间隔开的一段距离的长度为外壳体20的长度的二分之一至三分之二之间。
52.进一步地，在本液相发生单元的一个实施方式中，由于当水滴自水滴发生喷嘴210中喷出时，有部分液滴未进入到出气管23中，而是击打在第二壁体204上，并顺着第二壁体204向下流动。为防止这些沿第二壁体204向下流动的液滴进入到出气管23中，出气管23具有突出于所述第二壁体的一段232，该突出的一段232朝向壳体内腔200延伸，从而避免了未进入到出气管23中的液滴对燃烧室入口水分布造成影响，提升水分布模拟的可靠性。
53.进一步地，在本液相发生单元的一个实施方式中，外壳体20具有底壁205，该底壁开设有收集开口206，液相发生单元2中还包括第一集水装置24，该第一集水装置24与收集开口206相连通，从而用于收集如前所述、未进入到出气管23中的液体。其中，在收集开口206与第一集水装置24之间还设置有计量装置25，通过该计量装置25能够计量进入到第一
集水装置24的液体量，从而能够计算以水滴态存在的液态水水气比，从而为研究不同水气比对燃烧室性能的影响以及不同水气比与进入主燃区水量之间的关系提供基础。在一个具体的实施方式中，计量装置25为流量计。
54.在本液相发生单元的一个实施方式中，本燃烧室试验装置中还包括有控制单元，该控制单元根据计量装置25所计量得到的水流流量计算水气比，并根据所欲获得水气比调整水滴发生喷嘴210的喷水量，以获得试验所需的水气比。该控制单元可以是一种计算机。
55.在本液相发生单元的一个实施方式中，底壁205自水滴发生喷嘴210朝向收集开口206处倾斜，以便于水流朝向第一集水装置24流动。
56.在本液相发生单元的一个实施方式中，水滴发生装置21包括水滴发生器211以及喷管212，水滴发生器211设置于外壳体20外侧，可与外部水源连通，以通过喷管212朝向水滴发生喷嘴210输送水，喷管212自外壳体20外侧伸入至壳体内腔200中，水滴发生喷嘴210设置于喷管212伸入壳体内腔200内侧的一端。在一个具体的实施方式中，水滴发生喷嘴210的喷口直径为60～61μm，以产生能够模拟吸雨条件下燃烧室入口水分布的液滴。
57.在本液相发生单元的一个实施方式中，外壳体20为稳压筒，以实现外壳体20内压力可调，为模拟吸雨条件下燃烧室入口水分布的状况进一步提供基础。
58.在本液相发生单元的一个实施方式中，第一进气口201与水滴发生装置21之间设置有蜂窝整流器26，以使得热空气经过蜂窝整流器21后能够形成均匀稳定的流场，为模拟吸雨条件下燃烧室入口水分布的状况进一步提供基础。
59.图3示出了一实施方式下加热单元的示意图，加热单元1包括加热单元壳体10，加热单元壳体10具有第二进气口101以及第二出气口102，第二出气口102与第一进气口201相连通，且第二出气口102与第一进气口201之间设置有第一阀门11。其中，加热单元壳体10内设置有导流件12、加热件13以及感温件14。导流件12用于将气流自第二进气口101导入至加热单元壳体10中，加热件13用于对导入的气流进行加热，感温件14均布于热单元壳体10内，以对测量被加热的气流温度进行测量并反馈至控制单元。加热单元壳体10采用保温材料制成，以保证加热单元壳体10内的被加热的气流温度不会流失。在一些具体的实施方式中，导流件12为导流风扇、加热件13为电热丝、感温件14为热电偶。
60.在一个具体的实施方式中，第二进气口101处设置有第二阀门15。
61.当需要使用本模拟扩压器-燃烧室入口水分布状态开展燃烧室吸雨性能试验时，首先向加热单元壳体10内通入增压空气，开启导流件12和加热件13以提高换热效率并促进腔内温度均匀分布，关闭加热单元壳体10第一阀门11，加压加温腔内空气。腔内分布的感温件14可实时测量空间各点温度，待腔内温度、压力达到预期要求，且温度分布均匀后，管壁第二阀门15以停止外部供气，完成空气的增压加热，同时打开第一阀门11，以允许增压加热后的空气进入到如前所述一个或多个实施方式中的液相发生单元2中。
62.在一个具体的实施方式中，第一进气口201以及第一出气口202处分别设置有第三阀门28以及第四阀门29，以在合适的时候对液相发生单元2进行启闭。
63.在一个具体的实施方式中，加热单元壳体10配置为蓄压壳体，从而能够向加热单元壳体10中通入具有压力的气体。在一个具体的实施方式中，该蓄压壳体采用可承受最高压力达3500kpa，最高温度达900k的壳体材料制成。
64.在燃烧室试验装置的一个实施方式中，沿气流方向a，在燃烧室试验件9的下游位
置还设置有水气分离装置4，该水气分离装置4具有分离装置壳体40，该分离装置壳体40具有第三进气口401以及第三出气口402，该第三进气口401与燃烧室试验件9的出口侧连通。
65.如图4示出了一实施方式下水气分离装置的示意图，其包括设置于分离装置壳体40内的挡水板组件41，水气比过大或燃烧室试验件9发生熄火时，燃烧室试验件9出口将存在液态水。水气混合物中的液态水冲击挡水板组件41后被分离，水通过分离装置壳体40收集，空气通过第三出气口402排出。
66.在燃烧室试验装置的一个实施方式中，水气分离装置4与加热单元1之间和/或液相发生单元2与加热单元1之间可拆卸连接，以实现水气分离装置4、加热单元1以及液相发生单元2之间为模块化的设计，使用灵活度高。
67.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。