一种发动机试车台用多股高温热气与冷空气的掺混装置的制作方法

本发明涉及一种发动机试车台用多股高温热气与冷空气的掺混装置。

背景技术：

随着高超声速飞行器技术发展，超燃发动机作为首要待解决关键技术，新的发动机试车技术需要具有更为接近纯洁空气试验介质能力的试车台，用以尽力消除燃烧产物对发动机测试数据的影响，或避免出现错误的发动机测试结果。该类试车台一般采用两级加热方式，第一级采用纯净空气加热器，第二级一般采用燃烧加热器补氧气方式，从而获得更接近纯洁空气的试验介质，即较低燃烧产物质量占比的试验气流，并通过掺混装置，准确控制气流温度并使气流均匀，满足不同流量要求发动机试验要求。

相对于常规发动机试车台，新的发动机试车台要求试验介质中燃烧产物质量占比足够低，则加热后高温试验介质经过掺混装置的温度损失必须足够小。在第一级纯洁空气加热器的空气加热能力有限情况下，一般低于700℃，如果加热器后掺混装置温度损失增大，只能通过提高第二级燃烧加热器的加热能力，提高加热器出口气流温度，才能克服掺混装置后增大的气流温度损失，获得满足发动机试验要求的试验气流；同时，提高第二级燃烧加热器的加热能力，需要更多燃料的燃烧，释放更多的热能，导致试验气流中燃烧产物质量占比提高。因此，新的发动机试车需要低温度损失的气流掺混装置。

新型发动机试车台为控制燃烧产物占比在较低水平，两级加热器加热后的试验气流温度低于1150℃，经过掺混装置后的试验气流最高可达1000℃，因此，新的掺混装置需同时满足低温度损失要求和气流均匀要求。

在新型发动机试车台中，大型发动机试车台是进行发动机整机试验的必需设备。其试验气流的流量和总能量均很大，在单套两级加热器加热功率有限情况下，必须采用多套两级加热器并联加热获得多股高温热气，通过掺混装置使多股高温热气的混合，同时掺混低流量占比的冷空气，准确控制试验气流温度，并使气流均匀，满足30～80kg/s新型发动机试车台设计需求。

现有技术的不足：

a.文献《一种高温燃气掺混装置》中掺混装置是常规发动机试车台装置,此类试车台是通过一级燃烧加热器获取高温燃气并补充氧气，获得高温燃气，之后经过掺混器掺混冷空气，获得满足要求的试验介质。掺混装置来流燃烧气流温度高达1000～1600℃量级，需求试验气流温度仅为600℃量级，可掺混冷空气的质量占比很高，且掺混装置的冷却隔热方式未进行特定设计，经过后气流温度损失大。如应用于新型发动机试车台，随着冷气流量占比降低，冷空气掺混段防热结构必不能满足使用要求。

b.文献《高可靠性多叶片冷热气流掺混扰流装置》中掺混装置是常规发动机试车台装置，可实现流量5～20kg/s的1800k量级高温燃气和流量3～50kg/s的冷空气掺混，其中冷气质量占比高，总体温度损失大，不能满足新型试车台使用要求。其壁面防热方式主要通过冷气直接防热结构。如应用于新型发动机试车台，随着冷气流量占比降低，冷空气掺混段必不能满足使用要求。

c.在常规燃气流发动机试车台掺混装置中，掺混段通常采用高冷空气形成气膜冷却防热或采用水冷防热，气流均匀段采用水冷结构防热，此类结构的高温气流温度损失高，不能满足50～80kg/s新型发动机试车台的低温度损失试验需求。

d.比对同类小型发动机试车台的单股高温热气与冷空气的掺混装置，高温热气进气口和冷气吹入掺混腔的方案更为复杂，掺混段构型设计存在较大区别，单股高温热气与冷空气的掺混装置不再适用此类大型发动机试车台使用需求。

技术实现要素：

本发明的发动机试车台用多股高温热气与冷空气的掺混装置，通过特定的掺混构型设计，降低掺混装置内试验气流温度损失，满足30～80kg/新型发动机试车台的低温度损失要求和气流均匀要求，且同时满足不同流量发动机局部试验件的试验需求。

本发明发动机试车台用多股高温热气与冷空气的掺混装置包括同轴线配置的冷空气腔体、掺混段内腔体和稳流段，所述掺混段内腔体由扩张段、等直段和收缩段依次相连而构成，其前端设置有封堵住所述扩张段入口的转向平板，其后端与所述稳流段相连；所述冷空气腔体通过外壳体密封包裹住所述掺混段内腔体而构成，在所述掺混段内腔体的靠近前端的侧壁上周向均匀地设置有多个高温热气进气口，每个高温热气进气口均穿过所述外壳体与气源相连，且每个高温热气进气口的中轴线均与所述轴线垂直，在所述外壳体的靠近前端的侧壁上周向均匀地设置有多个冷空气进气口，每个冷空气进气口的中轴线均与所述轴线垂直；在所述转向平板上围绕所述轴线周向均匀地布置多个冷空气抗转向孔，每个冷空气抗转向孔轴线均与所述轴线平行；在所述扩张段上设置有多个冷空气稳流孔，在所述等直段上设置有多个冷空气掺混孔，在所述收缩段上设置有多个使冷空气逆气流吹入的冷空气吹离孔；所述稳流段包括短等直段和收缩段，在所述短等直段后部的侧壁上设置有多个调压排气孔，与调压排气孔连接的调压管道上设置有调压阀和排气降温段。

优选所述高温热气进气口以径向对冲的方式布置8个。

优选所述冷空气进气口以径向对冲的方式布置8个。

优选所述转向平板为直径是掺混段内腔体等直段直径的0.5-0.6倍的圆板，所述冷空气抗转向孔在所述转向平板上设置成内外两圈，内圈周向均匀地设置有8个，外圈周向均匀地设置有16个，所述冷空气抗转向孔具有独立管壁，贯穿所述转向平板的内外层壳体。

优选所述冷空气稳流孔设置有两排，每排沿周向均匀布置有24个，所有孔的中轴线延长线均通过所述轴线，且均与所述轴线的夹角为45°，使冷空气顺流吹入掺混段内腔体，所述冷空气抗稳流孔具有独立管壁，贯穿所述转掺混段扩张段的内外层壳体。

优选所述冷空气掺混孔沿轴向设置有4排，每排沿周向均匀设置有24个孔，所述冷空气抗掺混孔具有独立管壁，贯穿所述转掺混段等直段的内外层壳体。

优选所述冷空气吹离孔设置有两排，每排沿周向均匀布置有24个孔，所有孔的轴线延长线均通过所述轴线，且均与所述轴线成60°夹角，使冷空气逆气流吹入掺混段内腔体，所述冷空气抗吹离孔具有独立管壁，贯穿所述转掺混段收缩段的内外层壳体。

优选所述掺混段内腔体的等直段直径为所述稳流段的等直段直径的1.3倍，所述掺混段内腔体整体长度为其自身等直段直径的2倍，所述稳流段等直段长度为其自身等直段直径的3倍。

优选所述调压排气孔沿周向均匀布置为8个，孔轴线的延长线与所述轴线相交并垂直，孔径对应孔内气流速度为60～100m/s，最大流量设计要求为30kg/s。

优选所述冷空气腔体流量设计为5～10kg/s，内部周向均匀设置8个隔板，将所述冷空气腔体分割为多个独立腔体，每个独立腔体对应着相同数量的冷空气进气口、冷空气稳流孔、冷空气掺混孔、冷空气吹离孔，冷空气通道尺寸对应最大流速低于8m/s。

比对现有的掺混装置，此掺混装置通过高温热气径向对冲的掺混段内部气动构型、特定的冷空气射入方式、短的稳流段、双层壳体的总体隔热保温方案等方式，降低掺混装置的整体温度损失，且整体装置具备准确控温、压力稳定、流动均匀、发动机试验件不同流量试验等功能，同时配合高温热气流量分数档调节功能，满足30～80kg/s新型发动机试车台的低温度损失和气流均匀试验需求。

比对同类的单股高温气流与冷空气掺混装置，此装置采用高温热气径向对冲吹入、掺混段抗转向平板壳体、冷空气抗转向孔等独特设计，有益于解决大流量试车台用掺混装置的防热、降低温度损失、气流均匀等问题。

附图说明

图1是本发明掺混装置方案示意图。

符号说明:

1高温热气进气口；2冷空气进气口；3冷空气腔体；4冷空气稳流孔；5冷空气抗转向孔；6冷空气掺混孔；7冷空气吹离孔；8掺混段转向平板外层壳体；9掺混段扩张段外层壳体——水冷壳体；10掺混段直段外层壳体；11掺混段收缩段外层壳体——水冷壳体；12稳流段等直段外层壳体——水冷壳体；13阻流环；14多孔内层隔热壳体；15调压排气孔；16稳流段收缩段壳体；17特定发动机试验件节流喉道；18调压管道；19排气降温段；20调压阀

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明的发动机试车台用多股高温热气与冷空气的掺混装置如图1所示。一定流量的多股高温热气由高温热气进气口1吹入掺混段内腔体；流量可微调节的冷空气通过周向均匀分布的多个冷空气进气口进入冷空气腔体，冷空气再通过贯穿掺混段各外层壳体和多孔内层隔热壳体的冷空气稳流孔、冷空气抗转向孔、冷空气掺混孔、冷空气吹离孔吹入掺混段内腔体；在掺混段内腔体中，吹入的高温热气和冷空气完成掺混；掺混后气流进入稳流段直段内腔体完成整流，获得均匀的试验介质；均匀的试验介质通过稳流段收缩段、节流喉道供给发动机试验件，多余的试验介质依次通过调压排气孔、调压管道、排气降温段、稳流段调压阀等排入大气。本发明的方案详细说明如下：

(1)掺混装置的高温热气设计流量为50～80kg/s,冷空气设计流量为5～10kg/s，冷空气流量占比低于15％，最大排气设计流量为30kg/s，满足发动机整机试验流量范围为30～80kg/s。

(2)高温热气进气口1流量设计为50～80kg/s，高温热气进气口1周向均匀布置，优选数量为8个，进气口轴线与掺混装置轴线垂直，优选内径对应的流速不低于110m/s，高温热气进气口壁面采用水冷防热，每个高温热气进气口上游设置调压阀和进气节流喉道，且设置于两级加热器上游。通过高温热气吹入掺混段内腔体具有较高的速度，使高温热气具有更好的抗干扰性能；8个高温热气进气口1为径向对冲布置且参数完全相同，使高温热气在掺混段内腔体轴线附近径向对撞，耗散部分高温热气径向动能，降低后续整流装置长度，同时使多股高温热气更充分混合，提高气流均匀性；每个高温热气进气口1上游设置调压阀和进气节流喉道，且设置于两级加热器上游，为常温装置即可，实现分数档调节高温热气路流量；在高温热气流量分数档调节前提下，考虑到气体加热的温度滞后效应高，两级加热器更易实现出口高温气流温度调节，此种设计可降低掺混装置上游的两级加热器设计难度。

(3)掺混段内腔采用扩张再收缩气动结构，掺混段内腔体优选等直段直径为稳流段等直段直径的1.3倍，掺混段内腔体整体长度优选为等直段直径的2倍；在前端轴线附近设置转向平板结构，平板直径优选为掺混段内腔体等直段直径的0.5-0.6倍。掺混段前端轴线附近设置转向平板结构，强制高温热气转向流向稳流段方向。

(4)冷空气进气口2流量设计为5～10kg/s，为周向均匀布置，冷空气进气口轴线与掺混装置轴线垂直，优选进气口数量为8个，优选冷空气进气口内径对应的流速为20～40m/s。冷空气进气口2采用管道并联后上游设置调压阀和节流喉道，准确微调节节流喉道前压力，实现冷空气流量微调节，与高温热气直接掺混，从而实现掺混装置内高温气流温度的稳定控制；8个冷空气进气呈径向对冲布局，提高冷空气均匀性。

(5)冷空气腔体3流量设计为5～10kg/s，通过冷空气腔外壳体包裹掺混段外壳体形成封闭腔体，内部周向均匀设置多个隔板，将冷空气腔体分割为多个独立腔体，每个独立腔体对应着相同数量的冷空气进气口2、冷空气稳流孔4、冷空气掺混孔6、冷空气吹离孔7，优选隔板数量为8个，冷空气通道尺寸对应最大流速优选低于8m/s.此设计使冷空气腔体内流动均匀，确保下游掺混段壳体上冷空气稳流孔、冷空气掺混孔、冷空气吹离孔的流量按设计分配，确保在较小冷空气流量下掺混段的防热效果和隔热效果，同时确保冷空气对高温热气的低扰动。

(6)采用多孔内层隔热壳体和各段外层壳体的总体防热保温布局方案。多孔内层隔热壳体选用高温合金材料，厚度优选为3～5mm，其上均布微孔，微孔直径优选为2～3mm，优选的孔间距为20mm；多孔内层隔热壳体与各外层壳体之间设置间隙层，并在间隙层轴向设置阻流环13，防止间隙层气流沿着轴向流动，降低间隙层内气流对流换热，间隙层厚度优选为30mm或更大,阻流环13内表面与多孔内层隔热壳体焊接相连，阻流环13外表面与各段外层壳体间隙配合，阻流环沿着壁面的间距优选为600mm；掺混段转向平板、扩张段、掺混段收缩段、稳流段的外层壳体采用水冷壳体，掺混段等直段的外层壳体通过冷空气腔体的冷空气换热冷却，并按照承压要求确定各外层壳体壁厚。通过间隙层内接近静止的空气层，使多孔内层隔热壳体与各外层壳体间只能通过空气热传导和表面间辐射方式传热，在1000℃量级使用情况下这两种传热方式的传热能力弱于对流换热的传热能力，双层壳体设计使壳体隔热能力提高，在高温试验介质作用下，多孔内层壳体承受高温不承受高压，各段外层壳体承受高压不承受高温，可更易设计满足耐受高温高压需求。同时，多孔内层壳体为高温壳体，大大降低壳体与内部气流间的温差，降低高温气流的沿程传热能量损失，降低掺混装置内高温气流的温度损失。

(7)掺混段内冷空气抗转向孔5的冷空气设计流量占比优选不低于2％，孔布置为周向均匀布置，孔轴线平行于掺混装置轴线，设置内外两圈冷空气抗转向孔，内圈孔数量优选为8个，外圈孔数量优选为16个，优选孔径对应的孔内冷空气流速不低于90m/s，冷空气抗转向空具有独立管壁，贯穿掺混段转向平板内外层壳体。第一，针对高温热气发生在掺混装置轴线附近的径向对冲行为，通过这种分散的且有一定吹出速度保证的冷空气吹入方式，可降低高温热气径向对冲反流对掺混段转向平板的热冲击，提高掺混段转向平板对应的多孔内层隔热壳体耐受高温气流能力；第二，通过这种分散的冷空气稳流孔将小量冷空气吹入掺混段内腔体，可降低冷空气的扰动强度；第三，通过这种吹入方式，将掺混段内腔对冲高温空气稳定地吹离掺混段扩张段的内层隔热壳体，降低高温热气与壁面的换热效果，降低掺混装置内高温气流的温度损失；第四，冷空气抗转向孔贯穿设计使冷空气不进入内外层壳体间的间隙层，不提高间隙层内气流速度的速度，确保掺混段扩张段内外层壳体间间隙层的对流换热效果处于低水平，保证内部高温气流的低温度损失。

(8)掺混段内冷空气稳流孔4的冷空气设计流量占比优选2％～3％，为周向均匀布置，设置2排冷空气稳流孔，单排孔的孔数量优选为24个，所有孔的轴线延长线通过掺混装置轴线，孔与掺混装置轴线成夹角使冷空气顺气流吹入掺混段内腔体，优选夹角为45°，优选孔径对应的孔内冷空气流速不低于90m/s，冷空气稳流孔具有独立管壁，贯穿掺混段扩张段内外层壳体。一方面，通过这种分散的冷空气稳流孔将小量冷空气吹入掺混段内腔体，可降低冷空气的扰动强度；另一方面，通过这种吹入方式，将掺混段内腔扩张段内高温空气稳定地吹离掺混段扩张段的内层隔热壳体，降低高温热气与壁面的换热效果，可降低掺混装置内高温气流的温度损失；第三，冷空气稳流孔贯穿设计使冷空气不进入内外层壳体间的间隙层，不提高间隙层内气流速度的速度，确保掺混段扩张段内外层壳体间间隙层的对流换热效果处于低水平，保证内部高温气流的低温度损失。

(9)掺混段内冷空气掺混孔6的冷空气设计流量占比优选3％～6％，轴向孔排数优选为4排，单排孔周向均匀布置，单排孔数量优选为24个，所有孔的轴线延长线通过传混装置轴线，且与轴线垂直，优选孔径对应的孔内冷空气流速不低于90m/s，冷空气掺混孔具有独立管壁，贯穿掺混段扩张段内外层壳体。一方面，通过这种分散的冷空气掺混孔将冷空气吹入掺混段内腔体，可降低冷空气的扰动强度；另一方面，通过冷空气掺混孔将小量冷空气吹入掺混段等直段内腔体，可使高温气流远离等直段壁面，降低高温热气与壁面的换热效果，可降低掺混装置内高温气流的温度损失；第三，冷空气掺混孔贯穿设计使冷空气不进入内外层壳体间的间隙层，不提高间隙层内气流速度的速度，确保掺混段等直段段内外层壳体间间隙层的对流换热效果处于低水平，保证内部高温气流的低温度损失。

(10)掺混段内冷空气吹离孔7的冷空气设计流量占比优选3％，设置2排冷空气吹离孔，为周向均匀布置，单排冷空气吹离孔的孔数量优选为24个，所有孔的轴线延长线通过掺混装置轴线，孔与掺混装置轴线成夹角使冷空气逆气流吹入掺混段内腔体，优选夹角为60°，优选孔径对应的孔内冷空气流速不低于90m/s，冷空气吹离孔具有独立管壁，贯穿掺混段收缩段内外层壳体。一方面，通过这种分散的冷空气吹离孔将冷空气吹入掺混段内腔体，可降低冷空气的扰动强度；另一方面，通过冷空气吹离孔将小量冷空气吹入掺混段收缩段内腔体，可使高温气流远离掺混段收缩段壁面，降低高温热气与壁面的换热效果，可降低掺混装置内高温气流的温度损失；第三，冷空气吹离孔贯穿设计使冷空气不进入内外层壳体间的间隙层，不提高间隙层内气流速度的速度，确保掺混段等直段段内外层壳体间间隙层的对流换热效果处于低水平，保证内部高温气流的低温度损失。

(11)采用短稳流段气动布局，优选稳流段内径对应的稳流段流速不高于40m/s，稳流段等直段长度优选为其等直段内径的3倍。一方面，因采用前述特定的冷空气射入方式，冷空气的扰动强度较低，此处采用短稳流段气动布局，即可满足气流均匀性要求；另一方面，采用短稳流段布局，降低高温气流能量损耗距离，降低了高温气流的温度损失。

(12)调压排气孔15最大流量设计要求为30kg/s，设置于稳流段出口附近，周向均匀布置，优选的孔数量为8个，孔轴线的延长线与整流装置轴线相交并垂直，优选孔径对应空内气流速度为60～100m/s，调压排气孔壳体为水冷承压壳体。

(13)调压排气孔下游依次设置调压管道18、排气降温段19、调压阀20，调压管道18壳体为水冷壳体，排气降温段19优选采用喷水降温器或管壳换热器，调压阀20采用常规调压阀门。通过调节调压阀，排出掺混装置内多余的高温气流，实现高温气流的压力稳定控制。

(14)稳流段出口下游配置不同尺寸的特定发动机试验件节流喉道憋压并结合前述系统，实现流量30～80kg/s的发动机整机试验要求，同时满足新型试车台的低温度损失和气流均匀要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。