CN102022225B - 富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种富氢/富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，涉及液体火箭发动机富氢/富氧燃气多喷嘴燃烧室设计领域，该实验装置主要包括富氧预燃室，富氢预燃室和主燃烧室。富氧预燃室的富氧室出口段采用螺纹结构连接的富氧室出口法兰，与主燃烧室的富氧燃气入口段连接有氧入口压紧法兰连接，富氢预燃室的富氢室出口段采用螺纹结构连接的富氢室出口法兰，与主燃烧室的富氢燃气入口段连接的氢入口连接法兰连接。该实验装置中的法兰均采用A3碳钢材料制作，降低了成本，且该装置各部分方便连接与安装，也实现了壁面温度的方便测量。

Description

富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机富氢/富氧燃气多喷嘴燃烧室设计领域，具体涉及一种富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置。

背景技术

喷注器是液体火箭发动机的关键部件之一，喷注器性能的优良直接影响到发动机性能的好坏。全流量补燃循环系统是一种新型的火箭发动机循环系统，是目前具有最高燃烧性能的分级燃烧技术，是液体火箭发动机技术的重要发展方向之一。在全流量补燃循环发动机技术研究中，气气燃烧是其关键技术之一。所有流量的氢和氧经过预燃室燃烧一次驱动涡轮后再进入燃烧室进行第二次燃烧，因此，全流量补燃循环发动机推力室的喷嘴为燃气喷嘴，与常规液体火箭发动机的气液喷嘴或者液液喷嘴完全不同。目前对气气燃烧技术的研究主要基于常温氢气/氧气为推进剂，并且主要是在单喷嘴气气喷注器上进行研究。单喷嘴气气喷注器研究没有考虑到喷嘴之间的相互影响作用，单喷嘴气气燃烧的性能与多喷嘴气气燃烧的性能存在显著的差异，对燃烧室的传热也存在显著地差异。目前采用富氢/富氧燃气作为推进剂，主要技术难点在于，首先需要克服富氧预燃室混合比高带来的点火困难、火焰扩散难及结构材料抗氧化等问题和富氢预燃室低混合比带来的点火、火焰扩散等问题。其次需要解决各发动机之间的连接及测量问题，使发动机易于安装试验，以较低的成本较简单的操作方法获得可靠的试验数据和试验信息。在2005年7月美国航空航天学会公开的文献编号为AIAA2005-3572的《Benchmark wall heat flux data for a GO₂/GH₂ single elementcombustor》中记载了进行携带富氧预燃室和富氢预燃室的富氢/富氧燃气单喷嘴的相关设计和试验，但其连接方式复杂，不利于喷嘴的安装和更换，而专门针对富氢/富氧燃气多喷嘴气气喷注器的研究并没有相关记载。

发明内容

本发明针对富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器的研究欠缺的情况，提供了一种富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，可应用于多喷嘴气气喷注器地面试验。本发明要实现的主要技术包括：富氧燃气供应系统抗氧化；多喷嘴气气喷注器更换方便；壁面温度测量；喷注面板温度测量；预燃室系统与燃烧室之间连接方便。

一种富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，包括富氧预燃室、富氢预燃室和主燃烧室三大部分，所述的富氧预燃室包括富氧室头部、富氧室身部和富氧室出口段，所述的富氢预燃室包括富氢室头部、富氢室身部、富氢室点火段和富氢室出口段，所述的主燃烧室包括富氧燃气入口段、气气喷注器组件、富氢燃气入口段、面板温度传感器接头、壁面温度传感器接头、主燃烧室身部、喷管压紧法兰和喷管，其中，富氧预燃室的富氧室出口段采用螺纹结构连接有富氧室出口法兰，富氢预燃室的富氢室出口段采用螺纹结构连接有富氢室出口法兰，主燃烧室的富氧燃气入口段连接有氧入口压紧法兰，富氢燃气入口段连接有氢入口连接法兰，富氧室出口法兰与主燃烧室的富氧燃气入口段连接，富氢室出口法兰与主燃烧室的富氢燃气入口段连接的氢入口连接法兰通过螺纹法兰结构连接。

所述的气气喷注器组件通过间隙定位配合安装在富氢燃气入口段中，与主燃烧室的轴向方向同向，其包括氢喷注面板、氧喷注面板、氧喷嘴和焊接定位工装，氧喷嘴与氧喷注面板采用氩弧自溶焊焊接在一起，氧喷嘴通过焊接定位工装实现与氢喷注面板之间的定位，以保证喷嘴同轴度，焊接定位工装在焊接完成后拆除，在与主燃烧室身部接触的氢喷注面板的一端设置有定位销孔与主燃烧室身部定位。

所述的富氧室出口法兰、氧入口压紧法兰、富氢室出口法兰与氢入口连接法兰都采用A3碳钢材料。所述的富氧室头部采用不锈钢1Cr18Ni9Ti材料，表面镀化学镍，富氧室身部和富氧室出口段采用紫铜材料。

所述的气气喷注器组件伸入主燃烧室，面板温度传感器通过面板温度传感器接头穿过主燃烧室身部接触气气喷注器组件上的氢喷注面板在主燃烧室身部内的端面。

本发明的优点及积极效果在于：

1.在结构材料选择上，与高温富氧燃气相接触的富氧室身部和富氧室出口段选用紫铜作为结构材料，有利于抗氧化；主燃烧室身部采用高热容高导热率的紫铜抵抗短时间的高温燃烧；富氧预燃室头部采用不锈钢，方便焊接，利于结构紧凑化，并镀镍抗氧化；富氢预燃室以不锈钢为材料，节省成本，法兰结构全部采用A3碳钢材料，降低加工成本。

2.在连接和密封方式上，富氧预燃室、富氢预燃室与主燃烧室的连接方式均采用可调整的螺纹法兰连接结构，可通过旋转法兰调整螺栓孔对准螺纹孔，方便与各试验件连接与安装；气气喷注器组件为可拆卸式结构，方便更换与安装，并通过定位销结构实现与主燃烧室身部的准确定位。

3.在温度测量上，气气喷注器组件伸入主燃烧室，可以从主燃烧室身部穿过的温度传感器测量到喷注面板温度，该温度传感器封装在球形接头内，密封简易可靠，易安装更换；主燃烧室壁面温度传感器有保护套，可避免固定螺钉对热电偶丝造成损伤，可提高温度传感器使用寿命。

附图说明

图1是本发明试验装置的整体结构示意图；

图2是本发明的富氧预燃室结构示意图；

图3是本发明的富氧室出口法兰与富氢室出口法兰周向截面的示意图；

图4是本发明的富氢预燃室结构示意图；

图5是本发明的富氢预燃室的同轴直流喷嘴的分布示意图；

图6是本发明的主燃烧室结构示意图；

图7a是本发明的气气喷注器组件的结构示意图；

图7b是本发明的气气喷注器的喷嘴分布的示意图；

图7c是本发明的氢喷注面板的剖面示意图；

图8是本发明的喷注面板温度传感器安装示意图；

图9是本发明的主燃烧室身部温度传感器安装示意图。

图中：

1-富氧预燃室；2-富氢预燃室；3-主燃烧室；4-富氧室头部；5-富氧室身部；

6-富氧室出口段；7-富氧室出口法兰；8-富氢室头部；9-同轴直流喷嘴；10-富氢室身部；

11-富氢室点火段；12-富氢室出口段；13-富氢室出口法兰；14-富氧燃气入口段；

15-氧入口压紧法兰；16-气气喷注器组件；17-富氢燃气入口段；18-面板温度传感器接头；

19-壁面温度传感器接头；20-主燃烧室身部；21-喷管压紧法兰；22-喷管；

23-氢入口连接法兰；24-氢喷注面板；25-定位销孔；26-焊接定位工装；27-氧喷嘴；

28-氧喷注面板；29-面板温度传感器；30-球形接头；31-壁面温度传感器；32-螺钉；

33-压力测量接口。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，如图1所示，主要包括:富氧预燃室1、富氢预燃室2和主燃烧室3三部分。

富氧预燃室1用于产生富氧燃气，如图2所示，主要组成部件有：富氧室头部4、富氧室身部5、富氧室出口段6和富氧室出口法兰7。富氧室头部4采用螺栓与富氧室身部5连接，富氧室身部5采用螺栓和富氧室出口段6连接，连接处均通过膨胀石墨密封垫圈密封。富氧室头部4采用不锈钢1Cr18Ni9Ti加工。富氧室头部4整体结构镀化学镍用于抗氧化。富氧室头部4中心用于安装点火器。富氧室身部5和富氧室出口段6采用紫铜材料制作，紫铜抗氧化性能方面远高于不锈钢，能经受住高温富氧燃气环境，可避免材料的氧化烧蚀。富氧室出口法兰7采用A3碳钢制作，成本低，富氧室出口法兰7与富氧室出口段6之间采用螺纹结构连接。如图3所示，富氧室出口法兰7上有螺栓孔，通过与富氧室出口段6之间的螺纹可调整螺栓孔的位置，方便安装，避免由于螺栓孔无法对正主燃烧室3上富氧燃气入口段14的螺纹孔而难以安装的问题。

富氢预燃室2用于产生富氢燃气，如图4所示，主要组成部件有：富氢室头部8、富氢室身部10、富氢室点火段11、富氢室出口段12、富氢室出口法兰13。富氢室头部8、富氢室身部10、富氢室点火段11、富氢室出口段12均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti加工，四部分之间均采用螺栓连接，连接处均由膨胀石墨密封。富氢室头部8采用两腔三底多喷嘴结构，具有7个同轴直流喷嘴9，如图5所示。富氢室点火段11上有点火器安装接口，用于安装点火器。富氢室点火段11可以安装于富氢室头部8和富氢室身部10之间，也可安装于富氢室身部10和富氢室出口段12之间，可根据点火需要置于不同的位置，提高点火的可靠性，如图3所示是安装在富氢室身部10和富氢室出口段12之间。富氢室出口法兰13采用A3碳钢制作，富氢室出口段12与富氢室出口法兰13采用螺纹结构连接，富氢室出口法兰13具有与图3所示的富氧室出口法兰7一样，其上有螺栓孔，通过与富氢室出口段12之间的螺纹可调整螺栓孔的位置，同样是为了方便安装，避免由于螺栓孔无法对正主燃烧室3上的螺纹孔，而难以安装的问题。

主燃烧室3，如图6所示，主要组成部件有：富氧燃气入口段14、氧入口压紧法兰15、气气喷注器组件16、富氢燃气入口段17、面板温度传感器接头18、壁面温度传感器接头19、主燃烧室身部20、喷管压紧法兰21、喷管22、和氢入口连接法兰23。富氧燃气入口段14通过氧入口压紧法兰15与富氢燃气入口段17连接，富氢燃气入口段17与氧入口压紧法兰15一起通过螺栓连接在主燃烧室身部20上，富氢燃气入口段17一端开口连接有氢入口连接法兰23。富氧预燃室1的出口通过螺纹法兰结构与主燃烧室3连接，富氢预燃室2的出口通过螺纹法兰结构与氢入口连接法兰23相连接，具体是通过富氧室出口法兰7与富氧燃气入口段14连接，富氢室出口法兰13与氢入口连接法兰23连接实现。富氢燃气入口段17内装有气气喷注器组件16。主燃烧室身部20一侧同富氢燃气入口段17相连接，另一侧通过喷管压紧法兰21固定有喷管22，并通过膨胀石墨密封垫圈密封。富氧燃气入口段14、主燃烧室身部20采用紫铜制作，富氧燃气入口段14利用紫铜的抗氧化性特点抵抗富氧燃气的氧化性，主燃烧室身部20利用紫铜优良的导热性和热容抵抗高温燃烧。喷管22材料采用抗高温材料钨渗铜制作。氧入口压紧法兰15与氢入口连接法兰23都采用A3碳钢材料制作。

气气喷注器组件16采用不锈钢1Cr18Ni9Ti制作，如图7a所示，气气喷注器组件16包括氢喷注面板24、氧喷注面板28、氧喷嘴27和焊接定位工装26。氧喷嘴27与氧喷注面板28采用氩弧自溶焊连接，采用氩弧自溶焊连接不加焊丝，减少焊接变形，氧喷嘴27通过焊接定位工装26实现与氢喷注面板24之间的定位，保证喷嘴同轴度，焊接完成后，焊接定位工装26拆除。气气喷注器组件16通过间隙定位配合安装在富氢燃气入口段17中，气气喷注器组件16与主燃烧室3的轴向方向同向，采用膨胀石墨与各处密封，通过设置在氢喷注面板24一侧的定位销孔25实现与主燃烧室身部20之间的定位，可拆卸更换。气气喷注器组件16上的喷嘴排布如图7b所示。所述的氧喷嘴27的开口与氧喷注面板28朝向富氧燃气从富氧燃气入口段14中进入主燃烧室3的方向，所述氢喷注面板24朝向富氢燃气进入富氢燃气入口段17的方向。如图7c所示，氢喷注面板24的横截面成U型，U型开口端与氧喷注面板28端焊接在一起。

主燃烧室身部20前端钻有通孔，并安装有面板温度传感器接头18。面板温度传感器29通过面板温度传感器接头18从主燃烧室身部20穿过测量氢喷注面板24在主燃烧室身部20内端面处的燃气温度，如图8所示。设置气气喷注器组件16伸入主燃烧室身部20的燃烧室内，保证面板温度传感器29刚好接触在氢喷注面板24在主燃烧室身部20内的端面之上。面板温度传感器29与面板温度传感器接头18通过面板温度传感器接头18端部的球形接头30密封固定。

主燃烧室身部20壁面还设有温度测量盲孔，盲孔中有壁面温度传感器接头19通过螺纹与主燃烧室身部20相连，主燃烧室身部20的每侧壁面均具有17个温度测量盲孔，每个孔内安装一个壁面温度传感器接头19，每个壁面温度传感器接头19上安装一个壁面温度传感器31，如图9所示。壁面温度传感器31具有金属保护套筒，通过装于壁面温度传感器接头19上的螺钉32固定，螺钉32通过螺纹卡紧温度传感器保护套，实现壁面温度传感器31固定，避免螺钉32直接紧固壁面温度传感器31中的热电偶丝造成的热电偶极易损坏情况。

富氧预燃室1、富氢预燃室2和主燃烧室3都设置有压力测量接口33，用于连接压力传感器测量试验参数。

Claims (8)

1.富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，包括富氧预燃室(1)、富氢预燃室(2)和主燃烧室(3)三大部分，所述的富氧预燃室(1)包括富氧室头部(4)、富氧室身部(5)和富氧室出口段(6)，所述的富氢预燃室(2)包括富氢室头部(8)、富氢室身部(10)、富氢室点火段(11)和富氢室出口段(12)，所述的主燃烧室(3)包括富氧燃气入口段(14)、气气喷注器组件(16)、富氢燃气入口段(17)、面板温度传感器接头(18)、壁面温度传感器接头(19)、主燃烧室身部(20)、喷管压紧法兰(21)和喷管(22)，其特征在于：所述的富氧预燃室(1)的富氧室出口段(6)采用螺纹结构连接有富氧室出口法兰(7)，所述的富氢预燃室(2)的富氢室出口段(12)采用螺纹结构连接有富氢室出口法兰(13)，所述的主燃烧室(3)的富氧燃气入口段(14)通过氧入口压紧法兰(15)连接到富氢燃气入口段(17)上，富氢燃气入口段(17)一端连接有氢入口连接法兰(23)，所述的富氧室出口法兰(7)与富氧燃气入口段(14)连接，所述的富氢室出口法兰(13)与氢入口连接法兰(23)连接；

所述的气气喷注器组件(16)通过间隙定位配合安装在富氢燃气入口段(17)中，与主燃烧室(3)的轴向方向同向，其包括氢喷注面板(24)、氧喷注面板(28)、氧喷嘴(27)和焊接定位工装(26)，氧喷嘴(27)与氧喷注面板(28)采用氩弧自溶焊焊接在一起，氧喷嘴(27)通过焊接定位工装(26)实现与氢喷注面板(24)之间的定位，以保证喷嘴同轴度，焊接定位工装(26)在焊接完成后拆除，在与主燃烧室身部(20)接触的氢喷注面板(24)的一端设置有定位销孔(25)与主燃烧室身部(20)定位。

2.根据权利要求1所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的富氧室出口法兰(7)上有螺栓孔，通过与富氧室出口段(6)之间的螺纹调整螺栓孔的位置；所述的富氢室出口法兰(13)上有螺栓孔，通过与富氢室出口段(12)之间的螺纹调整螺栓孔的位置。

3.根据权利要求1所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的富氧室出口法兰(7)、氧入口压紧法兰(15)、富氢室出口法兰(13)与氢入口连接法兰(23)都采用A3碳钢材料。

4.根据权利要求1所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的富氧室头部(4)采用不锈钢1Cr18Ni9Ti材料，表面镀化学镍，富氧室身部(5)和富氧室出口段(6)采用紫铜材料。

5.根据权利要求1所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的富氢室头部(8)分布有7个同轴直流喷嘴(9)，富氢室点火段(11)安装于富氢室头部(8)与富氢室身部(10)之间，或者安装于富氢室身部(10)与富氢室出口段(12)之间。

6.根据权利要求1所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的气气喷注器组件(16)，其伸入主燃烧室，面板温度传感器(29)通过面板温度传感器接头(18)，穿过主燃烧室身部(20)，与气气喷注器组件(16)上的氢喷注面板(24)在主燃烧室身部(20)内的端面接触。

7.根据权利要求1所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的主燃烧室身部(20)，其两侧分布有测温盲孔，每个测温盲孔内安装一个壁面温度传感器接头(19)，壁面温度传感器接头(19)通过螺纹与主燃烧室身部(20)相连，每个壁面温度传感器接头(19)上安装一个壁面温度传感器(31)用于测量主燃烧室(3)的壁面温度。

8.根据权利要求7所述的富氢和富氧燃气多喷嘴气气喷注器试验装置，其特征在于：所述的壁面温度传感器(31)的热电偶外面具有金属保护套筒。

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