一种模拟高速来流环境的补氧燃烧装置及实施方法

本发明属于航空航天，具体涉及一种模拟高速来流环境的补氧燃烧装置，尤其是一种通过供气模块、控制模块和燃烧模块协同工作，并按照设定所需工况参数、建立燃烧状态，在燃烧件下游实施补氧以及补氧后吹扫的时序流程，对燃烧后气流氧含量进行恢复或调节从而构建被测件所需入口工况的补氧燃烧装置及其实施方法。

背景技术：

1、目前，高速飞行器、航空发动机、爆震燃烧及高温燃烧等地面模拟试验通常需要在下游燃烧测试段入口处构建具有特定温度、压力、流量和氧含量的高速来流环境。现有同类装置及方法主要采用燃烧加热器、电弧加热器、电阻加热器或蓄热式加热器提高来流气体总温，其中燃烧加热方式具有加热能力强、运行效率较高和便于形成连续高温气流等特点，因而在地面直连式燃烧试验和高温风洞试验中得到较多应用。

2、中国专利cn117517559b公开了一种《在线调控燃烧环境的试验装置及调控方法》，其通过空压机、刚性管道、水帘或水膜、蒸发器、加热管和试验箱构成空气供应系统，并在加热管内设置氧气浓度传感器；当所测氧气浓度高于设定值时，分批次开启供水管上的控制阀以降低氧气浓度，当设定值高于空气中的氧气浓度时，则关闭供水管上的控制阀并开启氧气供应管上的控制阀，直至所测氧气浓度达到设定值。该技术方案能够对进入试验箱前的气体氧含量进行调节，但其调控过程设置于试验箱上游的空气供应管路中，主要依靠水帘或水膜吸收氧气以及氧气供应管增氧，未针对燃料燃烧加热后氧气被消耗的状态，在燃烧器与被测件之间实施补偿性补氧，也未根据燃料供给量、燃烧效率和燃烧耗氧量确定燃烧后所需补氧量。

3、jianping li、wenyan song、feiteng luo和deyong shi在《experimentalinvestigation of vitiation effects on supersonic combustor performance》一文中，基于直连式超声速燃烧试验平台，对洁净空气和燃烧污染空气条件下的氢、乙烯及煤油超声速燃烧过程进行了对比研究。该研究指出，燃烧加热装置产生的高焓试验气流中通常含有水蒸气、二氧化碳及其他燃烧产物，其组分差异会对燃烧诱导压力升高、点火和燃烧过程产生影响，直接将污染空气条件下的试验结果外推至真实飞行条件可能造成偏差。该研究验证了入口气流组分对试验结果的重要影响，但其重点在于比较污染组分的影响，未提供一种在燃烧加温之后根据目标氧含量主动计算并调节补氧量的装置及实施方法。

4、现有地面模拟方案多采用上游燃气加温方式对来流气体进行加热，以提升进入下游燃烧测试段前的气流温度。该方式虽可满足被测件入口温度要求，但燃料燃烧加热过程会持续消耗来流气体中的部分氧气，导致加热后的气流氧含量随温升、燃料供给量和燃烧效率发生变化。因此，传统燃气加热方式中的入口温度构建与氧含量变化相互耦合，难以在地面条件下同时满足下游燃烧测试段对入口温度与入口氧含量的双重要求。

5、尤其在构建高温高速来流模拟条件时，常需配置空气标准氧含量工况、富氧工况或贫氧工况。现有技术仅依靠燃气加热，或者在燃烧前将氧气作为助燃介质参与燃烧，难以在保证所需入口温度的前提下，根据燃烧耗氧结果对燃烧后气流氧含量进行独立恢复或调节；同时，若缺少明确的补氧量确定依据和补氧后氧含量判定过程，补氧状态主要依赖预设流量或人工经验，容易影响工况模拟的准确性及实验数据的一致性。

6、综上，亟需提供一种能够明确各模块相对位置和气体流向，并能够根据所需工况参数确定燃烧耗氧量、燃烧后气流氧含量及所需补氧量，在燃烧器下游对燃烧后气流氧含量进行恢复或调节的补氧技术方案，以实现对被测件入口温度与入口氧含量的主动构建，进而在地面条件下复现被测件所需的入口工况。

技术实现思路

1、本发明提出了一种模拟高速来流环境的补氧燃烧装置及实施方法，解决了传统燃气加热方式在提高来流气体温度的同时消耗氧气，导致燃烧后气流氧含量随温升、燃料供给量及燃烧效率发生变化，难以在地面模拟试验条件下同时满足被测件入口温度和入口氧含量要求的问题。本发明在保留原有燃烧加温方式的基础上，通过明确供气模块、控制模块、燃烧模块及被测件之间的相对位置和气体流向，在燃烧器下游实施后置补氧，并根据所需工况参数确定燃料质量流量、燃烧耗氧量、燃烧后气流氧含量及所需补氧量，从而使燃烧后的气流满足被测件入口所需工况参数。

2、实现本发明的技术方案为：一种模拟高速来流环境的补氧燃烧装置，设置于被测件的上游，用于在地面模拟试验条件下构建满足被测件所需入口温度和入口氧含量的气流工况，所述补氧燃烧装置包括沿来流方向依次分布并连通的供气模块、控制模块和燃烧模块。

3、根据本发明的至少一个实施例，供气模块包括补氧供气单元、吹扫供气单元以及来流空气发生单元。补氧供气单元用于提供氧气，吹扫供气单元用于提供吹扫气体，来流空气发生单元用于提供来流空气，使来流空气进入燃烧模块并参与燃烧加温过程。

4、根据本发明的至少一个实施例，控制模块包括补氧控制流路和吹扫控制流路。补氧控制流路与补氧供气单元连通，用于对氧气的输送状态进行调节和控制；吹扫控制流路与吹扫供气单元连通，用于对吹扫气体的输送状态进行调节和控制。

5、根据本发明的至少一个实施例，燃烧模块包括燃烧器、补氧引入口和燃料供给单元。燃料供给单元和来流空气发生单元分别与燃烧器连通，用于向燃烧器供给燃料和来流空气。

6、根据本发明的至少一个实施例，供气模块的出口通过管路与补氧引入口连通。沿来流方向，燃烧器位于补氧引入口的上游，补氧引入口位于燃烧器与被测件之间，使来流空气进入燃烧模块后先与燃料供给单元供给的燃料在燃烧器中燃烧，再使燃烧后的气流经补氧引入口补氧后进入被测件。

7、根据本发明的至少一个实施例，沿氧气流动方向，补氧供气单元、补氧控制流路和补氧引入口依次连通，使氧气由补氧供气单元经补氧控制流路进入补氧引入口，并在燃烧器下游导入燃烧后气流中，以恢复或调节燃烧后气流的氧含量，使补氧燃烧装置的输出气流作为被测件的入口气流。

8、根据本发明的至少一个实施例，沿吹扫气体流动方向，吹扫供气单元、吹扫控制流路和补氧引入口依次连通，使吹扫气体能够对管路进行吹扫和置换。

9、根据本发明的至少一个实施例，补氧供气单元的气源为储氧装置、集中供氧装置、至少一个氧气瓶中的一种或多种；吹扫供气单元采用惰性气体气源，所述惰性气体为适于吹扫和置换的气体。

10、根据本发明的至少一个实施例，补氧控制流路上依次设置有第一截止阀、第一减压阀、音速喷嘴、流量计和第二截止阀。其中，截止阀用于控制补氧控制流路的通断，第一减压阀用于调节氧气压力，音速喷嘴用于限定氧气输送流量，流量计用于获取氧气流量。控制模块通过调节进入补氧引入口的氧气量，使燃烧后的气流达到所需氧含量条件。

11、根据本发明的至少一个实施例，吹扫控制流路设置第三截止阀和第二减压阀，并与管路连接；在一种可选的实现方式中，吹扫控制流路还可设置第四截止阀，以进一步控制吹扫气体的通断。

12、本发明中的第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第一减压阀和第二减压阀均为实现流路通断或压力调节的通用功能部件，本发明不对上述阀门的具体型号、规格、驱动形式、连接形式及生产厂家作出限定，其具体选型可根据试验系统的介质种类、压力等级、流量范围、管路通径和控制方式确定。音速喷嘴和流量计的具体型号亦不作为对本发明保护范围的限定。

13、根据本发明的至少一个实施例，所需氧含量条件包括空气标准氧含量工况、富氧工况或贫氧工况。当所需氧含量条件为空气标准氧含量工况时，通过调节进入补氧引入口的氧气量，使燃烧后气流氧含量恢复至空气标准氧含量；当所需氧含量条件为富氧工况时，通过增加进入补氧引入口的氧气量，使燃烧后气流达到高于空气标准氧含量的状态；当所需氧含量条件为贫氧工况时，通过控制进入补氧引入口的氧气量，使燃烧后气流达到低于空气标准氧含量的状态。

14、根据本发明的至少一个实施例，补氧引入口设置于燃烧器与被测件之间，使氧气导入燃料燃烧后气流中，以恢复或调节燃烧后气流的氧含量，实现后置补氧。补氧引入口可设置于燃烧器下游的管路侧部、周向部位或燃烧后气体流动区域。

15、本发明还提供一种采用上述补氧燃烧装置的实施方法，包括如下步骤：

16、步骤一，设定所需工况参数；步骤二，检查供气模块、控制模块和燃烧模块的工作状态；步骤三，向燃烧模块通入来流空气，使来流空气沿燃烧器、补氧引入口和被测件的方向流动；步骤四，通过燃料供给单元向燃烧器供给燃料；步骤五，点火并在燃烧器处建立燃烧状态，使来流空气经燃料燃烧后形成燃烧后气流；步骤六，根据所需工况参数确定燃烧耗氧量、燃烧后气流氧含量以及所需补氧量，并通过补氧供气单元和补氧控制流路向燃烧器下游的补氧引入口引入氧气；步骤七，根据所需补氧量以及补氧控制流路反馈的氧气流量，对进入补氧引入口的氧气量进行调节；步骤八，在完成目标工况构建或实验结束后，关闭氧气供给和燃料供给；步骤九，通过供气模块和控制模块引入吹扫气体进行吹扫；步骤十，停止供给吹扫气体并结束装置运行。

17、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

18、（1）本发明通过在燃烧器下游设置补氧引入口，使氧气能够在燃料燃烧之后导入燃烧后气流中，从而对燃烧过程中被消耗的氧含量进行恢复或调节，实现燃烧加温过程与燃烧后氧含量构建过程的相对独立调节；

19、（2）本发明明确了供气模块、控制模块、燃烧模块和被测件之间的相对位置，以及来流空气、氧气和吹扫气体的流动方向，使补氧燃烧装置的输出气流直接作为被测件的入口气流，从而为被测件提供满足所需入口温度和入口氧含量的气流工况；

20、（3）本发明根据入口温度、目标氧含量、来流空气流量、温升、燃料种类、燃烧效率等所需工况参数，确定燃料质量流量、燃烧耗氧量、燃烧后气流氧含量及所需补氧量，并依据补氧后气流氧含量与目标氧含量的比较结果调节氧气供给，使补氧过程具有明确的定量依据和判定逻辑；

21、（4）本发明通过补氧供气单元、补氧控制流路和补氧引入口的配合，可根据所需氧含量条件构造空气标准氧含量工况、富氧工况或贫氧工况，从而拓展地面模拟高速来流燃烧试验的适用范围，提高实验工况的准确性和可重复性；

22、（5）本发明中的截止阀、减压阀、音速喷嘴和流量计均采用通用功能部件，气源可根据试验条件采用氧气瓶组、单个氧气瓶、储氧装置或集中供氧装置，具有结构清晰、适配性强和便于工程实施的特点；

23、（6）本发明通过设置吹扫供气单元及吹扫控制流路，能够在补氧前或补氧后对补氧相关流路或燃烧模块进行吹扫和置换，减少残余气体对后续运行过程的影响，有利于装置运行及实验操作过程中的安全控制。