CN101975124A

CN101975124A - 火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置

Info

Publication number: CN101975124A
Application number: CN2010105282932A
Authority: CN
Inventors: 蔡国飙; 韩乐; 李茂�; 金平
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: CN101975124B

Abstract

本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，包括同轴喷嘴装置和电点火装置。所述的同轴喷嘴装置包括氧路接管嘴、上连接座、下连接座、可燃气体接管嘴、可燃气体喷嘴和氧喷嘴。所述的电点火装置包括电源、控制线、升压控制模块、高压点火线、Y向底座、X向底座、喷嘴底座、喷嘴固定底盘、火花塞、火花塞支架和Z向底座。通过变化氧喷嘴和可燃气体喷嘴的内外径，可方便地研究不同可燃气体与氧气的速度比以及不同喷嘴厚度情况下可燃气体在氧气中的燃烧规律。本发明公开的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置具有点火可靠、成本低和适宜多次点火等优点，在试验过程中不会对燃烧流场造成干扰，为火花塞式电点火的一种理想的点火方式。

Description

火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置

技术领域

本发明属于液体火箭发动机气气燃烧技术领域，具体涉及一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置。

背景技术

通过设计合理的喷嘴结构及点火方法，可深入研究氢气或可燃烃类在氧气下的燃烧规律，并得到不同参数对燃烧规律的影响。常见的喷嘴结构主要包括互击式、同轴离心式、同轴直流式和双同轴式喷嘴等，常见的点火方式主要包括化学点火、烟火点火、电火花点火、火炬式谐振点火等。常用的点火方式应简单可靠，可多次启动，主要包括电点火、火药点火和火炬式点火几种方式。如参考文献1：孙纪国，王珏.高混合比火炬式电点火器试验研究[J].推进技术，2000，21(1)：33-35.中记载了氢氧火箭发动机采用趋向于多次点火、重复启动的火炬式电点火器，火炬式电点火器有较广的工况以及混合比范围，并在国外的氢氧发动机得到了广泛应用，但火炬式电点火器实际上是一个完整的微型前置燃烧室，相应结构设计复杂，点火能量较低，并且对点火时序有较高的要求。在参考文献2：孙丕忠，秦子增，张晓今，郭健.微小型固体火箭发动机点火特性试验[J].国防科技大学学报，2000，22(5)：23-25.中记载了微小型固体火箭发动机对点火过程稳定、点火延迟时间小的要求，采用整体式电发火装置的点火器能够实现点火过程稳定、点火延迟时间小等诸多优点，并且该整体式电发火装置的点火器由电引火头、点火药和点火药盒组成，其中添加部分烟火剂的黑火药具有热敏感度高、点燃特性好等优点，但可能产生较高的初始压强峰，并且该整体式电发火装置的点火器存在无法实现多次点火、重复启动的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，通过变化氧喷嘴和可燃气体喷嘴的内外径，可方便地研究不同可燃气体与氧气的速度比以及不同喷嘴厚度情况下可燃气体在氧气中的燃烧规律；并且本发明公开的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置在实现点火时应用的高能火花点火方式技术成熟，具有点火可靠、成本低和适宜多次点火等优点，在试验过程中不会对燃烧流场造成干扰，为火花塞式电点火的一种理想点火装置。

一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置包括同轴喷嘴装置和电点火装置。所述的同轴喷嘴装置包括氧路接管嘴、上连接座、下连接座、可燃气体接管嘴、可燃气体喷嘴和氧喷嘴。

所述的氧路接管嘴和可燃气体接管嘴为中空的管路，分别用来连通氧气和可燃气体，所述的可燃气体为氢气或者烃类化合物，或者上述气体的混合物，所述的烃类化合物包括烷烃、炔烃和烯烃等。所述的上连接座中心具有通孔A，氧路接管嘴与该通孔A沿竖直方向相对连接，所述上连接座的下端面与通孔A相对应的位置具有的沉孔，通过该沉孔，使氧路接管嘴焊接固定在上连接座的下端面的该通孔A处；所述的上连接座的上端面通过通孔A与氧喷嘴沿竖直方向相对连接，并在上连接座与氧喷嘴之间的连接端面使用密封圈C密封。所述的氧喷嘴的外表面依次套有可燃气体喷嘴和下连接座，并使可燃气体喷嘴和氧喷嘴之间具有空腔A，使可燃气体喷嘴与下连接座之间具有空腔B。所述的下连接座与可燃气体喷嘴之间通过一对密封圈A密封。所述的可燃气体喷嘴与氧喷嘴之间通过密封圈B密封。所述的可燃气体喷嘴的侧壁上具有周向分布的侧通孔，使空腔A和空腔B相连通。所述的下连接座的侧壁上具有水平通孔B，该通孔B的位置处于空腔B处，可燃气体接管嘴沿水平方向上与该通孔B相对连接，并通过该通孔B外沿具有的沉孔，使可燃气体接管嘴焊接固定在下连接座的该通孔B上，并使可燃气体接管嘴的内部空腔与所述的空腔B相连通。所述的上连接座与下连接座通过螺栓、弹簧垫圈及平垫圈连接固定。所述的密封圈A、密封圈B和密封圈C优选为O型密封圈。

氧气通过氧路接管嘴进入氧喷嘴，氢气或烃类化合物等可燃气体通过可燃气体接管嘴进入空腔B，再通过可燃气体喷嘴周向孔进入空腔A，最后具有一定速度的氧气与可燃气体，在竖直方向设置的氧喷嘴与可燃气体喷嘴的顶端出口处汇合，然后通过火花塞在顶端出口的剪切面附近点火提供能量，将氧气流与可燃气体气流点燃。

所述的电点火装置包括电源、控制线、升压控制模块、高压点火线、Y向底座、X向底座、喷嘴底座、喷嘴固定底盘火花塞、火花塞支架和Z向底座。所述的升压控制模块的一端与电源相连，另一端通过高压点火线与火花塞相连；所述的火花塞固定在火花塞支架上，所述的火花塞支架活动安装在Z向底座上，使其能够沿Z向底座上下滑动，升压控制模块上还连接有控制线，通过升压控制模块和控制线实现对火花塞的远程点火。所述的Z向底座垂直于X向底座并活动连接在X向底座上，所述的X向底座、Y向底座互相垂直活动连接，最终实现通过X向底座和Y向底座的相对滑动及火花塞支架沿Z向底座的上下滑动，实现火花塞支架在X、Y和Z方向上的三维移动，进而带动火花塞根据同轴喷嘴装置的具体位置，取得最佳的点火点。

所述的喷嘴底座固定安装在Y向底座的一端，其上安装有喷嘴固定底盘，用来固定同轴喷嘴装置。所述的同轴喷嘴装置在固定时，氧路接管嘴朝下处于竖直方向设置，氧路接管嘴处于水平位置设置，使氧喷嘴与可燃气体喷嘴的顶端端面处于水平方向设置，所述的氧喷嘴与可燃气体喷嘴的顶端出口高度相同，保证氧气与可燃气体在顶端端面的出口处吹出，形成点火位置。

本发明的优点在于：

1、本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置结构简单，拆卸方便；

2、本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置的氧喷嘴与可燃气体喷嘴按组进行配做，有效保证同轴度；

3、本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，通过固定氧喷嘴、可燃气体喷嘴与上连接座和下连接座配合间隙，变化氧喷嘴和可燃气体喷嘴内外径，可以方便地研究不同影响参数对燃烧规律的影响；

4、本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，可实现远程时序控制火花塞点火，并实现位置三维可调，以获取最佳点火位置和点火时序。

附图说明

图1：本发明中火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置的同轴喷嘴装置的结构示意图；

图2：本发明中火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置的电点火装置的俯视结构示意图；

图3：本发明中火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置的电点火装置的左视结构示意图。

图中：

1-氧路接管嘴； 2-上连接座； 3-下连接座； 4-可燃气体接管嘴；

5-密封圈A； 6-密封圈B； 7-可燃气体喷嘴；8-氧喷嘴；

9-密封圈C； 10-弹簧垫圈； 11-电源； 12-控制线；

13-升压控制模块；14-高压点火线； 15-Y向底座 16-X向底座；

17-喷嘴底座； 18-喷嘴固定底盘；19-火花塞； 20-火花塞支架；

21-Z向底座； 22-空腔A； 23-空腔B； 24-相通孔；

25-通孔A； 26-通孔B； 27-平垫圈； 28-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，该火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置主要包括同轴喷嘴装置和电点火装置。如图1所示，所述的同轴喷嘴装置包括氧路接管嘴1、上连接座2、下连接座3、可燃气体接管嘴4、可燃气体喷嘴7和氧喷嘴8。

所述的氧路接管嘴1和可燃气体接管嘴4为中空的管路，分别用来通入氧气和可燃气体，所述的可燃气体为氢气或者烃类化合物，或者上述气体的混合物，所述的烃类化合物包括烷烃、炔烃和烯烃等。所述的上连接座2的中心具有通孔A25，所述的氧路接管嘴1与上连接座2的通孔A25沿竖直方向相对连接，如图1所示，所述上连接座2的下表面与通孔A25相对应的位置具有沉孔，通过该沉孔，使氧路接管嘴1焊接固定在上连接座2的下端面上。所述的上连接座2的上端面通过通孔A25与氧喷嘴8沿竖直方向相对连接，并在上连接座2与氧喷嘴8之间的连接端面使用密封圈C9密封。氧喷嘴8的外表面依次套有可燃气体喷嘴7和下连接座3，并使可燃气体喷嘴7和氧喷嘴8之间具有空腔A22，使可燃气体喷嘴7与下连接座3之间具有空腔B23。所述的下连接座3与可燃气体喷嘴7之间形成的空腔B23的上下各通过一个密封圈A5密封。所述的可燃气体喷嘴7与氧喷嘴8之间形成的空腔A22的下方通过密封图B6密封。所述的可燃气体喷嘴7的侧壁上具有4～8个周向分布的侧通孔24，使空腔A22和空腔B23相连通。所述的下连接座3的侧壁上具有一个水平的通孔B26，且该通孔B26与空腔B23相连通，可燃气体接管嘴4沿水平方向上与该通孔B26相对连接，并通过该通孔B26外沿具有的沉孔，使可燃气体接管嘴4焊接固定在下连接座3的该通孔B26上，使可燃气体接管嘴4的内部空腔与所述的空腔B23相连通。所述的上连接座2与下连接座3通过螺栓28、弹簧垫圈10及平垫圈27连接固定。所述的密封圈A5、密封圈B6和密封圈C9优选为O型密封圈。

氧气通过氧路接管嘴1进入氧喷嘴8，氢气或烃类化合物等可燃气体通过可燃气体接管嘴4进入空腔B23，再通过可燃气体喷嘴7周向孔24进入空腔A22；在竖直方向设置的氧喷嘴8与可燃气体喷嘴7的顶端出口处，具有一定速度的氧气与可燃气体气流在顶端出口处汇合。所述的氧喷嘴8与可燃气体喷嘴7的顶端出口高度相同，通过火花塞在顶端出口的剪切面附近点火提供能量，将氧气流与可燃气体气流的混合气体点燃。

所述的电点火装置包括电源11、控制线12、升压控制模块13、高压点火线14、Y向底座15、X向底座16、喷嘴底座17、喷嘴固定底盘18、火花塞19、火花塞支架20和Z向底座21。所述的升压控制模块13的一端与电源11相连，另一端通过高压点火线14与火花塞19相连；如图2和图3所示，所述的火花塞19固定在火花塞支架20上，所述的火花塞支架20活动安装在Z向底座21上，使火花塞支架20能够沿Z向底座21上下滑动。所述的升压控制模块13上还连接有控制线12，通过升压控制模块13和控制线12实现对火花塞19的远程点火控制。所述的Z向底座21垂直于X向底座16并活动连接在X向底座16上，且所述的X向底座16和Y向底座15互相垂直活动连接，实现通过X向底座16和Y向底座15的相对滑动及火花塞支架20沿Z向底座21的滑动，最终实现火花塞支架20在X、Y和Z方向上的三维移动，进而带动火花塞19根据同轴喷嘴装置的具体位置，取得最佳的点火点。

所述的喷嘴底座17固定在Y向底座15的一端，喷嘴底座17上安装有喷嘴固定底盘18，如图2和图3，通过将同轴喷嘴装置的上连接座2固定在喷嘴固定底盘18上，进而固定整个同轴喷嘴装置。所述的同轴喷嘴装置在固定时，氧路接管嘴1朝下处于竖直方向设置，氧路接管嘴4处于水平方向设置，使氧喷嘴与可燃气体喷嘴的顶端端面处于水平方向设置，保证氧气与可燃气体在顶端出口处吹出，形成点火位置。

本发明提出的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置用于研究不同可燃气体与氧气的速度比，不同喷嘴厚度情况下可燃气体在氧气下的燃烧规律，对氧喷嘴8与可燃气体喷嘴7同轴度有较高要求，并需要方便的更换氧喷嘴8与可燃气体喷嘴7。本发明提出的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置将不同结构下的氧喷嘴8和可燃气体喷嘴7进行分组，每一组氧喷嘴8和可燃气体喷嘴7在加工时采用配做来保证该组同轴度，并且每组的氧喷嘴8和上连接座2之间保证相同间隙，每组可燃气体喷嘴7与下连接座3之间保证相同间隙，从而实现不同组氧喷嘴8和可燃气体喷嘴7方便更换，并且该火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置的其余零部件不需更换，在保证可燃气体喷嘴7的外径不变的前提下，就能实现氧喷嘴8的内外径和可燃气体喷嘴7的内径可调，进而改变可燃气体喷嘴7和氧喷嘴8的壁厚可调。所述的氧喷嘴8和可燃气体喷嘴7内壁的喷嘴环形流道处对气流速度及稳定性有较强要求，要求粗糙度小于等于1.6；所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置所有密封面，包括上连接座2与氧喷嘴8之间的连接端面，所述的氧喷嘴8与可燃气体喷嘴7连接密封时的氧喷嘴8的外壁，所述的可燃气体喷嘴7与下连接座3连接密封时的可燃气体喷嘴7的外壁与下连接座3的内壁的粗糙度均小于等于1.6。火花塞电点火需要较高点火电压，本发明通过采用升压控制模块13和控制线12来实现远程点火，通过控制线12设置触发信号，从而实现时序控制。

Claims

1.一种火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：包括同轴喷嘴装置和电点火装置；所述的同轴喷嘴装置包括氧路接管嘴、上连接座、下连接座、可燃气体接管嘴、可燃气体喷嘴和氧喷嘴；所述的电点火装置上固定同轴喷嘴装置，并实现对同轴喷嘴装置的电点火；

所述的氧路接管嘴和可燃气体接管嘴为中空的管路；所述的上连接座的中心具有通孔A，氧路接管嘴与该通孔A沿竖直方向相对连接，所述上连接座的下表面与通孔A相对应的位置具有沉孔，通过该沉孔，使氧路接管嘴焊接固定在上连接座的下端面处；所述的上连接座的上端面通过通孔A与氧喷嘴沿竖直方向相对连接；所述的氧喷嘴的外表面依次套有可燃气体喷嘴和下连接座；所述的下连接座的侧壁上具有水平通孔B，可燃气体接管嘴沿水平方向上与该通孔B相对连接，且该通孔B外沿具有沉孔，通过该沉孔，使可燃气体接管嘴焊接固定在下连接座的该通孔B处；所述的上连接座与下连接座通过螺栓、弹簧垫圈及平垫圈连接固定。

2.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的可燃气体喷嘴和所述的氧喷嘴之间具有空腔A，所述的可燃气体喷嘴与所述的下连接座之间具有空腔B；所述的可燃气体喷嘴的侧壁上具有周向分布的侧通孔，通过侧通孔，使空腔A和空腔B互相连通。

3.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的氧喷嘴与可燃气体喷嘴的顶端出口高度相同，且顶端出口的端面处于水平方向设置。

4.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的电点火装置包括电源、控制线、升压控制模块、高压点火线、Y向底座、X向底座、喷嘴底座、喷嘴固定底盘、火花塞、火花塞支架和Z向底座；所述的升压控制模块的一端与电源相连，另一端通过高压点火线与火花塞相连；所述的火花塞固定在火花塞支架上，所述的火花塞支架活动安装在Z向底座上，使火花塞支架能够沿Z向底座滑动；所述的升压控制模块上还连接有控制线；所述的Z向底座垂直活动连接在X向底座上，且所述的X向底座和Y向底座互相垂直活动连接；所述的喷嘴底座固定安装在Y向底座的一端，且喷嘴底座上安装有喷嘴固定底盘，所述的同轴喷嘴装置通过上连接座固定在该喷嘴固定底盘上，进而固定整个同轴喷嘴装置。

5.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的氧喷嘴的内外壁和可燃气体喷嘴的内外壁、所述的上连接座与氧喷嘴之间的连接端面和上连接座的内壁的粗糙度均小于等于1.6。

6.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的上连接座与所述的氧喷嘴之间的连接端面使用密封圈C密封，所述的密封圈C为O型密封圈。

7.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的可燃气体喷嘴与所述的氧喷嘴之间通过密封圈B密封，所述的密封圈C为O型密封圈。

8.根据权利要求1所述的火花塞式电点火同轴剪切喷嘴装置，其特征在于：所述的下连接座与所述的可燃气体喷嘴之间通过密封圈A密封，所述的密封圈A为O型密封圈。