CN113685842B - 一套适用于发动机的水油双工质喷注系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一套适用于发动机的水油双工质喷注系统，包括：燃烧室；第一气压可调气源；油存储罐；第一加热器；第一主管道；第一回收罐；分别连通第一加热器和第一回收罐的第一支管道；设置在第一主管道上的第一阀门；设置在第一支管道上的第三阀门；第二气压可调气源；水存储罐；第二加热器；第二主管道，第二主管道的一端与第二加热器连通，第二主管道的另一端连通燃烧室；第二回收罐；与第二加热器和第二回收罐连通的第二支管道，第二支管道的一端第二加热器连通，第二支管道的另一端连通；设置在第二主管道上的第二阀门；设置在第二支管道上的第四阀门。

Description

一套适用于发动机的水油双工质喷注系统

技术领域

本发明涉及燃料喷注领域，具体涉及一套适用于发动机的水油双工质喷注系统。

背景技术

发动机在飞行过程中处于极其恶略的热环境中，再生冷却热防护技术已经成为解决发动机的热防护问题的重要方法。航空煤油在喷注到燃烧室前先流经冷却通道，冷却通道在吸收大量的热后将航空煤油喷注到燃烧室中。煤油吸热后温度逐渐升高，通常温度超过500℃的时便开始裂解。裂解过程伴随着部分的结焦积碳现象，严重的时候可能会堵塞整个冷却通道，给发动机的工作带来严重的灾难。已有研究表明燃料的催化重整能够有效解决再生冷却通道内的结焦积碳问题，对于发动机再生冷却通道的应用提供了新的思路。然而，燃料的催化重整需要一定的催化剂才能产生作用，这难以应用在极其细小的发动机再生冷却通道内。

就目前广泛使用的喷注方式而言，气态燃料通常储存在高压气瓶中，经过减压器减压后直接喷注到燃烧室中，通过气动阀控制喷注开始与结束的时间。液态燃料难以直接喷注到燃烧室中，往往需要依赖高压氮气或燃料泵才能被注入到燃烧室中。作为发动机的地面试验设备，当前液态燃料在高压氮气的作用下注入到燃烧室中。

当前公开报道文献中提及的燃料喷注方案几乎都是喷注单一工质的且多数喷注系统不具备加热能力，关于可以喷注两种工质的喷注系统鲜有报道，特别是来研究水蒸汽和热煤油这两种工质的喷注系统。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中单一燃料的加热喷注问题，将水蒸汽作为另一种工质喷注进燃烧室内，从而提供一套适用于发动机的水油双工质喷注系统。

本发明提供一套适用于发动机的水油双工质喷注系统，包括：燃烧室；第一气压可调气源；与所述第一气压可调气源连接的油存储罐；第一加热器，所述第一加热器适于对所述油存储罐输出的油进行加热；第一主管道，所述第一主管道的一端与所述第一加热器连通，所述第一主管道的另一端连通所述燃烧室；第一回收罐；第一支管道，所述第一支管道的一端与所述第一加热器连通，所述第一支管道的另一端连通所述第一回收罐；第一阀门，所述第一阀门设置在所述第一主管道上；第三阀门，所述第三阀门设置在所述第一支管道上；第二气压可调气源；与所述第二气压可调气源连接的水存储罐；第二加热器，所述第二加热器适于对所述水存储罐输出的水进行加热；第二主管道，所述第二主管道的一端与所述第二加热器连通，所述第二主管道的另一端连通所述燃烧室；第二回收罐；第二支管道，所述第二支管道的一端与所述第二加热器连通，所述第二支管道的另一端连通所述第二回收罐；第二阀门，所述第二阀门设置在所述第二主管道上；第四阀门，所述第四阀门设置在所述第二支管道上。

可选的，所述第一阀门为第一电磁阀，所述第二阀门为第二电磁阀，所述第三阀门为第三电磁阀，所述第四阀门为第四电磁阀。

可选的，所述第一主管道朝向所述燃烧室的一端设置有第一喷嘴，所述第二主管道朝向所述燃烧室的一端设置有第二喷嘴；所述第一喷嘴为第一音速喷嘴，所述第二喷嘴为第二音速喷嘴。

可选的，还包括：第一压力传感器，第一压力传感器设置在所述第一阀门至所述燃烧室之间的第一主管道的周围，所述第一压力传感器适于测试第一主管道中压力；第二压力传感器，第二压力传感器设置所述第二阀门至所述燃烧室之间的第二主管道的周围，所述第二压力传感器适于测试第二主管道中的压力。

可选的，还包括：第一流量测试计，所述第一流量测试计设置在所述第一阀门至所述燃烧室之间的第一主管道中，所述第一流量测试计适于测试第一主管道中油的流量；第二流量测试计，所述第二流量测试计设置在所述第二阀门至所述燃烧室之间的第二主管道中，所述第二流量测试计适于测试第二主管道中水的流量。

可选的，还包括：第一温度测试单元，所述第一温度测试单元用于测试第一主管道中的油的温度，第一温度测试单元设置在所述第一阀门至所述燃烧室之间的第一主管道的周围；第二温度测试单元，所述第二温度测试单元用于测试第二主管道中的水的温度，第二温度测试单元设置在所述第二阀门至所述燃烧室之间的第二主管道的周围。

可选的，所述第一温度测试单元包括电热偶，所述第二温度测试单元包括电热偶。

可选的，还包括：控制单元，所述控制单元适于控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门的开关；程控电脑，所述程控电脑与所述控制单元连接，所述程控电脑连接第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度测试单元、第二温度测试单元、第一流量测试计和第二流量测试计。第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度测试单元、第二温度测试单元、第一流量测试计和第二流量测试计测试的数据传输给程控电脑。

可选的，所述油包括煤油。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案提供的适用于发动机的水油双工质喷注系统，能够保证水和煤油的稳定供应，且通过两套直流电加热系统将两种工质加热到试验所需的温度，依赖于电磁阀与控制时序的精准匹配，实现水蒸气与超临界油精准的喷注过程。通过该设备，可以充分研究水油比例、水蒸气温度和超临界煤油温度等参数对超声速气流中水油双工质燃烧特性的影响。本发明的水油双工质喷注系统利用两套独立的加热器分别完成水和油的加热过程，相比于常温燃料而言，能够更真实的模拟发动机的工作状况，对于燃烧室中水油双工质的燃烧特性的实验研究提供了可靠的设备；依赖于电磁阀与实验时序的精准匹配，能够实现两种工质的同时和单独喷注需求；整套设备结构简单、易于操作、可更改性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的水油双工质喷注系统的结构示意图。

具体实施方式

煤油与水单独喷注对发动机性能的增强作用经过基本理论推算的验证。

在此基础上，设计了一套适用于发动机的水油双工质喷注系统，以进行试验的验证，本发明设计的水油双工质喷注系统能够同时喷注两种工质、具备加热能力，具有很重要的工程意义。下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明一实施例提供的适用于发动机的水油双工质喷注系统，请参考图1，包括：

燃烧室200；

第一气压可调气源100；

与所述第一气压可调气源100连接的油存储罐110；

第一加热器130，所述第一加热器130适于对所述油存储罐110输出的油进行加热；

第一主管道(未标示)，所述第一主管道的一端与所述第一加热器130连通，所述第一主管道的另一端连通所述燃烧室200；

第一回收罐(未图示)；

第一支管道(未标示)，所述第一支管道的一端与所述第一加热器130连通，所述第一支管道的另一端连通所述第一回收罐；

第一阀门140，所述第一阀门140设置在所述第一主管道上；

第三阀门120，所述第三阀门120设置在所述第一支管道上；

第二气压可调气源101；

与所述第二气压可调气源101连接的水存储罐111；

第二加热器131，所述第二加热器131适于对所述水存储罐111输出的水进行加热；

第二主管道(未标示)，所述第二主管道的一端与所述第二加热器131连通，所述第二主管道的另一端连通所述燃烧室200；

第二回收罐(未图示)；

第二支管道(未标示)，所述第二支管道的一端与所述第二加热器131连通，所述第二支管道的另一端连通所述第二回收罐；

第二阀门141，所述第二阀门141设置在所述第二主管道上；

第四阀门121，所述第四阀门121设置在所述第二支管道上。

本实施例中，所述油包括煤油。在其他实施例中，所述油还可以其他燃料油。

在一个实施例中，所述第一阀门140为第一电磁阀，所述第二阀门141为第二电磁阀，所述第三阀门120为第三电磁阀，所述第四阀门121为第四电磁阀。

所述第一气压可调气源100中的气体为氮气，所述第二气压可调气源101中的气体为氮气。第一气压可调气源100中气体的压强能调节，所述第二气压可调气源101中气体的压强能调节。

在一个具体的实施例中，第一气压可调气源100中的压强为0～5MPa，第一气压可调气源100中的压强可根据需要在0～5MPa范围内调节，如调节至5MPa、4MPa、3MPa、2MPa、1MPa。

所述第二气压可调气源101中的压强为0～5MPa,第二气压可调气源101中的压强可根据需要在0～5MPa范围内调节，如调节至5MPa、4MPa、3MPa、2MPa、1MPa。

所述水油双工质喷注系统还包括：第一压力传感器170，所述第一压力传感器170适于测试第一主管道中压力；第二压力传感器171，所述第二压力传感器171适于测试第二主管道中的压力。具体的，第一压力传感器170设置在所述第一阀门140至所述燃烧室200之间的第一主管道的周围；第二压力传感器171设置所述第二阀门141至所述燃烧室200之间的第二主管道的周围。

所述水油双工质喷注系统还包括：第一流量测试计160，所述第一流量测试计160设置在所述第一阀门140至所述燃烧室200之间的第一主管道中，所述第一流量测试计160适于测试第一主管道中油的流量；第二流量测试计161，所述第二流量测试计161设置在所述第二阀门141至所述燃烧室200之间的第二主管道中，所述第二流量测试计161适于测试第二主管道中水的流量。

所述水油双工质喷注系统还包括：第一温度测试单元150，所述第一温度测试单元150用于测试第一主管道中的油的温度，所述第一温度测试单元150包括电热偶，第一温度测试单元150设置在所述第一阀门140至所述燃烧室200之间的第一主管道的周围；第二温度测试单元151，所述第二温度测试单元151用于测试第二主管道中的水的温度，所述第二温度测试单元151包括电热偶，第二温度测试单元151设置在所述第二阀门141至所述燃烧室200之间的第二主管道的周围。

本实施例中，第一温度测试单元150设置在第一流量测试计160至燃烧室200之间的第一主管道的周围，第二温度测试单元151设置在第二流量测试计161至燃烧室200之间的第二主管道的周围。

所述第一主管道朝向所述燃烧室200的一端设置有第一喷嘴，所述第二主管道朝向所述燃烧室200的一端设置有第二喷嘴。在一个实施例中，所述第一喷嘴为第一音速喷嘴，所述第二喷嘴为第二音速喷嘴。所述第一音速喷嘴能够以声速喷射油至燃烧室200，所述第二音速喷嘴能够以声速喷射水至燃烧室200。

第一音速喷嘴在燃烧室200内的位置能调节，第二音速喷嘴在燃烧室200内的位置能调节，也就是说，第一音速喷嘴和第二音速喷嘴之间的相对位置能调节。

所述水油双工质喷注系统还包括：控制单元180，所述控制单元180适于控制第一阀门140、第二阀门141、第三阀门120、第四阀门121的开关，所述控制单元180与程控电脑190连接，所述程控电脑190连接第一压力传感器170、第二压力传感器171、第一温度测试单元150、第二温度测试单元151、第一流量测试计160和第二流量测试计161。第一压力传感器170、第二压力传感器171、第一温度测试单元150、第二温度测试单元151、第一流量测试计160和第二流量测试计161测试的数据传输给程控电脑190。

所述水油双工质喷注系统在工作过程中能够保证水和煤油的稳定供应，且通过两套直流电加热系统将两种工质加热到试验所需的温度，依赖于电磁阀与控制时序的精准匹配，实现水蒸气与超临界油精准的喷注过程。通过该设备，可以充分研究水油比例、水蒸气温度和超临界油温度等参数对超声速气流中水油双工质燃烧特性的影响。

本发明的水油双工质喷注系统利用两套独立的加热器分别完成水和油的加热过程，相比于常温燃料而言，能够更真实的模拟超燃冲压发动机的工作状况，对于超声速燃烧室中水油双工质的燃烧特性的实验研究提供了可靠的设备；依赖于电磁阀与实验时序的精准匹配，能够实现两种工质的同时和单独喷注需求；整套设备结构简单、易于操作、可更改性强。

本发明的水油双工质喷注系统依赖大功率的第一加热器130和第二加热器131与第一阀门140、第三阀门120、第二阀门141、第四阀门121的精准匹配，保证加热与喷注过程的实现，将其加热后的水和油分别喷注到燃烧室中。在一个实施例中，第一加热器130的功率为0-60KW,第二加热器131的功率为0-20KW。

本发明的水油双工质喷注系统的工作方法包括：

依次进行的第一时序阶段步骤、第二时序阶段步骤以及第三时序阶段步骤；

第一时序阶段步骤：第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门均处于关闭状态，第一气压可调气源调节至第一初始压强，第二气压可调气源调节至第二初始压强，第一加热器和第二加热器均处于加热状态；

第二时序阶段步骤：第三阀门打开且第一阀门关闭，将加热后的油排放至第一回收罐；第四阀门打开且第二阀门关闭，将加热后的水排放至第二回收罐；

在第二时序阶段步骤，在打开第三阀门的同时打开第四阀门，具体的，在t＝to时刻开启第三阀门和第四阀门。

第三时序阶段步骤：第一阀门和第二阀门开启，第三阀门和第四阀门关闭，水蒸气和超临界油被喷注到燃烧室中。

具体的，在t＝t1时刻开启第一阀门和第二阀门，同时关闭第三阀门和第四阀门。第三时序阶段步骤中，加热后的水与油的温度稳定。

在本方案中，水与油要同时注入燃烧室中，故第一阀门和第二阀门动作相同，第三阀门和第四阀门动作相同。

在工作过程中记录水和油喷注入燃烧室的喷前压力、流量以及温度，利用高速相机捕捉高分辨率的火焰发光图像以及纹影图像。通过调整第一加热器的功率、第二加热器的功率、第一气压可调气源和第二气压可调气源的压腔、第一喷嘴和第二喷嘴的尺寸以及喷注的相对位置，可以分别研究水和油的温度、比例以及第一喷嘴和第二喷嘴之间的相对位置等参数对水油双工质燃烧特性的影响。

根据电磁阀与实验时序的精确匹配来控制实验进程，整套设备科更改性强。通过简单调整电磁阀动作，还可实现喷注热煤油后再喷注水蒸气的实验过程。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一套适用于发动机的水油双工质喷注系统，其特征在于，包括：燃烧室；

第一气压可调气源；

与所述第一气压可调气源连接的油存储罐；

第一加热器，所述第一加热器适于对所述油存储罐输出的油进行加热；第一主管道，所述第一主管道的一端与所述第一加热器连通，所述第一主管道的另一端连通所述燃烧室；所述第一主管道朝向所述燃烧室的一端设置有第一音速喷嘴；

第一回收罐；

第一支管道，所述第一支管道的一端与所述第一加热器连通，所述第一支管道的另一端连通所述第一回收罐；第一阀门，所述第一阀门设置在所述第一主管道上，所述第一阀门为第一电磁阀；第三阀门，所述第三阀门设置在所述第一支管道上；第二气压可调气源，所述第三阀门为第三电磁阀；

与所述第二气压可调气源连接的水存储罐；

第二加热器，所述第二加热器适于对所述水存储罐输出的水进行加热；第二主管道，所述第二主管道的一端与所述第二加热器连通，所述第二主管道的另一端连通所述燃烧室；所述第二主管道朝向所述燃烧室的一端设置有第二音速喷嘴；

第二回收罐；

第二支管道，所述第二支管道的一端与所述第二加热器连通，所述第二支管道的另一端连通所述第二回收罐；第二阀门，所述第二阀门设置在所述第二主管道上，所述第二阀门为第二电磁阀；第四阀门，所述第四阀门设置在所述第二支管道上，所述第四阀门为第四电磁阀；

第一流量测试计，所述第一流量测试计设置在所述第一阀门至所述第一流量测试计设置在所述第一阀门至所述燃烧室之间的第一主管道中，所述第一流量测试计适于测试第一主管道中油的流量；

第二流量测试计，所述第二流量测试计设置在所述第二阀门至所述燃烧室之间的第二主管道中，所述第二流量测试计适于测试第二主管道中水的流量；

第一温度测试单元，所述第一温度测试单元用于测试第一主管道中的油的温度，第一温度测试单元设置在第一流量测试计至燃烧室之间的第一主管道的周围；

第二温度测试单元，所述第二温度测试单元用于测试第二主管道中的油的温度，第二温度测试单元设置在第二流量测试计至燃烧室之间的第一主管道的周围；

第一压力传感器，第一压力传感器设置在所述第一阀门至所述第一流量测试计之间的第一主管道的周围，所述第一压力传感器适于测试第一主管道中压力；第二压力传感器，第二压力传感器设置所述第二阀门至所述第二流量测试计之间的第二主管道的周围，所述第二压力传感器适于测试第二主管道中的压力；

控制单元，所述控制单元适于控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开关，所述控制单元与程控电脑连接，所述程控电脑连接第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度测试单元、第二温度测试单元、第一流量测试计和第二流量测试计，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度测试单元、第二温度测试单元、第一流量测试计和第二流量测试计测试的数据传输给程控电脑；

所述水油双工质喷注系统适于依次进行第一时序阶段步骤、第二时序阶段步骤以及第三时序阶段步骤；

在第一时序阶段步骤中：第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门均处于关闭状态，第一气压可调气源调节至第一初始压强，第二气压可调气源调节至第二初始压强，第一加热器和第二加热器均处于加热状态；

在第二时序阶段步骤中：第三阀门打开且第一阀门关闭，将加热后的油排放至第一回收罐；第四阀门打开且第二阀门关闭，将加热后的水排放至第二回收罐；在打开第三阀门的同时打开第四阀门；

在第三时序阶段步骤中：第一阀门和第二阀门开启的同时关闭第三阀门和第四阀门关闭，水蒸气和超临界油被喷注到燃烧室中，在第三时序阶段步骤中加热后的水与油的温度稳定；

所述水油双工质喷注系统中水和油同时注入燃烧室，第一阀门和第二阀门的动作相同，第三阀门和第四阀门的动作相同。

2.根据权利要求1所述的水油双工质喷注系统，其特征在于，所述油包括煤油。

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