CN102062020B - 一种方形内通道透明燃烧室 - Google Patents

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本发明公开了一种方形内通道透明燃烧室，属于液体火箭发动机透明燃烧室设计领域，包括头部机构、燃烧室身部机构、观察窗机构和导向机构；头部机构包括氧化剂腔、燃料喷嘴、氧喷嘴和燃料腔；燃烧室身部机构包括燃烧室身部基体和测压接管嘴；观察窗机构包括观察窗盖板和石英玻璃；导向机构包括头部导向槽和尾部导向法兰。本发明的观察窗盖板、石英玻璃与燃烧室基体三者之间采用方形石墨密封，石墨膨胀填充三者之间的间隙，可保证玻璃不碰触金属，起到保护石英玻璃的作用。燃烧室方形内通道设计，利于石英玻璃片与燃烧室内壁面平齐，减小对燃烧室内流场的干扰，方形内通道四角采用大圆弧过渡，防止应力集中。

Description

一种方形内通道透明燃烧室
技术领域
本发明涉及一种方形内通道透明燃烧室，属于液体火箭发动机透明燃烧室设计领域。
背景技术
喷注器是液体火箭发动机的关键部件。喷注器在应用之前需要进行大量的冷流和热试试验，考察喷注器的性能是否满足要求。传统的燃烧室设计限制了人们对发动机内部喷注器冷流和热试流场的观察和测量，无法直接获得燃烧室内部流场的结构特征，限制了研究人员对喷注器冷流机理和热试机理的认知程度，国内外研究结果显示，喷注器结构参数对喷注器的性能有重要影响，喷注器出口流场影响着燃烧室内流场的整体情况。设计带石英玻璃观察窗的透明燃烧室，并采用高速摄影仪、拉曼光谱仪、PLIF等光学设备对喷注器出口流场进行拍摄是目前喷注器冷流和热试试验技术的发展方向，在透明燃烧室内进行喷注器的冷流试验难度不大，但进行喷注器热试试验时所产生的高温和强震动对透明燃烧室的石英玻璃观察窗是一个较大的挑战。由于采用光学设备测量喷注器热试流场时，设备靠近透明燃烧室石英玻璃，因而透明燃烧室的设计质量直接关系到光学设备的使用安全和应用效果。
国内在开展喷注器热试试验的流动显示研究方面，多在大气环境下进行，大气环境中的氧气将对燃烧火焰产生较大的影响，并且环境压力远低于实际发动机中的压力，研究结果与实际偏差较大；国外在开展喷注器热试试验的流动显示研究方面，多在透明燃烧室内进行，其设计的透明燃烧室内通道多为圆形，致使石英玻璃片表面与透明燃烧室圆形内通道不能很好的平齐，对真实流场产生较大的影响，从其设计的透明燃烧室结构来看，系统复杂，多采用氮气或氢气对透明燃烧室上的石英玻璃进气膜冷却保护，导致测量的燃烧室压力失真，并且在进行燃烧流场显示试验时没有同时进行壁面测温，不利于将传统测量技术所测结果与光学测量手段所得结果联系起来。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提出一种方形内通道透明燃烧室，本发明的喷嘴能进行迅速的拆装、更换；透明燃烧室方形内通道设计，保证石英玻璃表面与透明燃烧室内型面平齐，减小石英玻璃对流场的干扰；圆形截面喷嘴与方形内通道截面形状的良好转换；弹簧式热电偶测温过程中，始终保持热电偶测温头与燃烧室壁面测点接触，避免了接触不良造成测量失准。
一种方形内通道透明燃烧室，包括头部机构、燃烧室身部机构、观察窗机构和导向机构；
头部机构包括氧化剂腔、燃料喷嘴、氧喷嘴和燃料腔，氧喷嘴与燃料喷嘴采用间隙配合，之间有燃料通道，氧喷嘴与氧化剂腔内型面流道贴合，燃料喷嘴、燃料腔与燃烧室身部机构中的燃烧室身部基体由头部导向槽连接；
燃烧室身部机构包括燃烧室身部基体和测压接管嘴，燃烧室身部基体内通道为方形，外轮廓为方形，在三个侧面打三个方形通孔，呈阶梯状，供安装石英玻璃，石英玻璃外形与方形通孔一致，仅外形尺寸比方形通孔小0.1cm，在第四个侧面上加工螺纹孔，安装弹簧式热电偶，燃烧室身部基体上还安装测温接管嘴，测温接管嘴和固定式温度传感器通过球头密封，燃烧室身部基体还连接测压接管嘴；
观察窗机构包括观察窗盖板和石英玻璃，石英玻璃位于燃烧室身部基体的方形通孔内，观察窗盖板置于石英玻璃外侧，与燃烧室身部基体连接；
导向机构包括头部导向槽和尾部导向法兰，尾部导向法兰内通道由方形过渡到圆形；燃烧室还包括喷管，喷管内通道呈圆形，与尾部导向法兰的圆形出口配合，使得尾部导向法兰固定连接在燃烧室身部基体。
本发明的优点在于：
(1)观察窗盖板、石英玻璃与燃烧室基体三者之间采用方形石墨密封，石墨膨胀填充三者之间的间隙，可保证玻璃不碰触金属，起到保护石英玻璃的作用；
(2)燃烧室方形内通道设计，利于石英玻璃片与燃烧室内壁面平齐，减小对燃烧室内流场的干扰，方形内通道四角采用大圆弧过渡，防止应力集中；
(3)喷嘴组件与氧化剂段及燃料段之间采用O型圈密封，密封效果好，拆卸方便快捷；
(4)喷嘴组件的氧化剂喷嘴和燃料喷嘴之间采用O型圈密封，并采用间隙配合，配合间隙不大于0.01mm，密封同时保证喷嘴同轴度；
(5)采用喷嘴导向装置和燃烧室导向装置，可自然的在方通道与圆通道之间转换；
(6)采用弹簧式热电偶测量壁面温度，使用带外螺纹的螺头压缩弹簧式热电偶上的弹簧，可使热电偶始终接触燃烧室壁面测温点，避免振动、高温膨胀引起壁面变形而产生接触不良；
(7)通过调整螺头旋入深度，可调整弹簧压缩力，防止压力过大，造成测温头折断或变形，并防止因燃烧室材质较软而改变测温点距燃烧室内壁面的距离，造成额外的测量误差；
(8)第一次将观察窗、壁面温度及喷注面板温度测量三者结合，可进行流场显示的同时测量燃烧室壁面温度及喷注面板温度，将流场状况与燃烧室壁面和喷注面板的热环境建立联系。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明燃烧室身部基体剖面结构示意图；
图3是本发明图2中A-A面的剖面结构示意图；
图4是本发明弹簧式热电偶结构示意图；
图5是本发明观察窗机构安装局部放大示意图；
图6是本发明头部导向槽剖面结构示意图；
图7是本发明尾部导向法兰剖面结构示意图。
图中：
1-氧化剂腔             2-燃料喷嘴           3-氧喷嘴           4-燃料腔
5-头部导向槽           6-内六角螺钉         7-观察窗盖板       8-石英玻璃
9-方形石墨垫圈         10-燃烧室身部基体    11-尾部导向法兰    12-喷管压紧法兰
13-尾部密封段          14-密封垫            15-喷管            16-测压接管嘴
17-固定式温度传感器    18-球头              19-测温接管嘴      20-弹簧式热电偶
21-螺头                22-弹簧              23-凸台金属外壳    24-方形通孔
25-螺纹孔
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。
本发明是一种方形内通道透明燃烧室，分为头部机构、燃烧室身部机构、观察窗机构和导向机构。
头部机构包括氧化剂腔1、燃料喷嘴2、氧喷嘴3和燃料腔4，如图1所示，氧喷嘴3与燃料喷嘴2出口均为圆截面，方便加工，两者之间采用O型圈密封，氧喷嘴3和燃料喷嘴2之间采用间隙配合，配合间隙不大于0.01mm，可保证同轴度，氧喷嘴3和燃料喷嘴2之间设有燃料通道，燃料通过燃料通道进入，沿着燃料喷嘴2进入透明燃烧室，氧喷嘴3与氧化剂腔1内型面流道贴合，可减小氧化剂流动压力损失，两者采用O型圈密封，燃料喷嘴2与燃料腔4之间采用O形圈密封。头部机构中的燃料喷嘴2、燃料腔4与燃烧室身部机构中的燃烧室身部基体10借由头部导向槽5，经螺栓连接，采用膨胀石墨密封。
燃烧室身部机构包括燃烧室身部基体10和测压接管嘴16，如图1、图2、图3所示，燃烧室身部基体10内通道为方形，方形四角采用大圆弧过渡，防止应力集中，燃烧室身部基体10外轮廓为方形，在三个侧面打三个方形通孔24，供安装不同尺寸的石英玻璃8，为外置光学设备拍摄燃烧室内流场提供窗口，所述的方形通孔24内部设置一个阶梯，用于固定石英玻璃8和安装方形石墨垫圈9，在第四个侧面上加工8～16个螺纹孔25，安装弹簧式热电偶20，弹簧式热电偶20如图4所示，包括螺头21、弹簧22和凸台金属外壳23，螺头21压缩弹簧22，可保证弹簧式热电偶20始终接触燃烧室身部基体10测温点。如图3所示，在燃烧室身部基体10上安装测温接管嘴19，供固定式温度传感器17测量氧喷嘴3和燃料喷嘴2出口壁面的温度，测温接管嘴19和固定式温度传感器17通过球头18密封，测压接管嘴16通过螺纹连接在在燃烧室身部基体10上，用于供外置压力传感器测量燃烧室身部压力。燃烧室身部基体10还连接点火装置，用于引燃透明燃烧室方形内通道中的氧化剂和燃料。
观察窗机构包括六角螺钉6、观察窗盖板7、石英玻璃8和方形石墨垫圈9，如图5所示，观察窗盖板7与燃烧室基体10通过内六角螺钉6连接，燃烧室身部基体10的方形通孔24的阶梯上的一周和观察窗盖板7上加工有方形石墨垫圈9安装槽，两件方形石墨垫圈9夹住一件石英玻璃8，石墨垫圈9的尺寸大于石英玻璃8的外廓尺寸，压缩方形石墨垫圈9时，方形石墨垫圈9可填充石英玻璃8与燃烧室身部基体9之间的部分间隙，防止石英玻璃8与观察窗盖板7和燃烧室身部基体10接触。石英玻璃8、方形石墨垫圈9及燃烧室身部基体10方形通孔外廓虽然均为方形，但四角均采用大圆弧过渡，防止四角受压时产生应力变形。
导向机构包括头部导向槽5和尾部导向法兰11，头部导向槽5如图6所示，外廓为方形，能够插入燃烧室身部基体10的方形内通道内，所述的燃料喷嘴2可插入头部导向槽5中间的圆孔内，三者实现截面形状由圆形转化为方形，隔着石英玻璃8往燃烧室基体10内部观察，如图1、图2所示，头部导向槽5和燃料喷嘴2出口平面平齐，超出石英玻璃8边缘5-10mm。如图5所示，所述头部导向槽5超出石英玻璃8边缘的部分，外廓尺寸向内缩小2mm，保证出口边界不碰触石英玻璃8。如图7所示，尾部导向法兰11的内通道按由方形过渡到圆形。喷管15内通道呈圆形，在喷管压紧法兰12的作用下，通过螺栓与尾部导向法兰11的圆形出口配合，使得尾部导向法兰11固定连接在燃烧室身部基体10。密封垫14采用聚四氟乙烯加工，塞在尾部密封段13的凹槽内，尾部密封段13通过螺栓与喷管压紧法兰12连接，用于试验之前的气密性检查，气密性检查之后拆除密封垫14及尾部密封段13。
方形内通道透明燃烧室使用时，氧化剂通过氧化剂腔1进入，沿着氧喷嘴3进入透明燃烧室中，燃料通过燃料腔4进入，沿着燃料喷嘴2进入透明燃烧室。氧化剂和燃料在透明燃烧室方形内通道中掺混，由身部基体上的点火装置引燃(外部装置)，燃烧产物通过尾部导向法兰11和喷管15喷出燃烧室，氧化剂和燃料源源不断地供应，实现火焰的持续稳定燃烧。采用光学设备(外部设备)，通过燃烧室身部基体10上的较大的一块石英玻璃8，可以拍摄到火焰的燃烧状况。

Claims (8)

1.一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，包括头部机构、燃烧室身部机构、观察窗机构和导向机构； 
头部机构包括氧化剂腔、燃料喷嘴、氧喷嘴和燃料腔，氧喷嘴与燃料喷嘴采用间隙配合，之间有燃料通道，氧喷嘴与氧化剂腔内型面流道贴合，燃料喷嘴、燃料腔与燃烧室身部机构中的燃烧室身部基体由头部导向槽连接； 
燃烧室身部机构包括燃烧室身部基体和测压接管嘴，燃烧室身部基体内通道为方形，外轮廓为方形，在三个侧面打三个方形通孔，安装石英玻璃，在第四个侧面上加工螺纹孔，安装弹簧式热电偶，燃烧室身部基体上还安装测温接管嘴，测温接管嘴和固定式温度传感器通过球头密封，燃烧室身部基体还连接测压接管嘴； 
观察窗机构包括观察窗盖板和石英玻璃，石英玻璃位于燃烧室身部基体的方形通孔内，观察窗盖板置于石英玻璃外侧，与燃烧室身部基体连接； 
燃烧室身部基体的方形通孔呈阶梯状，内部设置一个阶梯，阶梯和观察窗盖板上加工有方形石墨垫圈安装槽，两件方形石墨垫圈夹住石英玻璃，石墨垫圈的尺寸大于石英玻璃的外廓尺寸，压缩方形石墨垫圈时，方形石墨垫圈填充石英玻璃与燃烧室身部基体之间的部分间隙，防止石英玻璃与观察窗盖板和燃烧室身部基体接触；石英玻璃、方形石墨垫圈及燃烧室身部基体方形通孔外廓均为方形，四角均采用大圆弧过渡； 
导向机构包括头部导向槽和尾部导向法兰，尾部导向法兰内通道由方形过渡到圆形；燃烧室还包括喷管，喷管内通道呈圆形，与尾部导向法兰的圆形出口配合，使得尾部导向法兰固定连接在燃烧室身部基体； 
燃烧室身部基体上还外部连接点火装置引燃，用于点燃透明燃烧室方形内通道中的氧化剂和燃料。 
2.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，氧喷嘴与燃料喷嘴出口均为圆截面，两者之间采用O型圈密封，氧喷嘴与氧化剂腔采用O型圈密封，燃料喷嘴与燃料腔之间采用O形圈密封。 
3.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，燃料喷嘴、燃料腔与燃烧室身部基体由头部导向槽，经螺栓连接，采用膨胀石墨密封。 
4.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，燃烧室身部基体内通道的方形四角采用大圆弧过渡。 
5.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，所述的弹簧式热电偶包括螺头、弹簧和凸台金属外壳，螺头压缩弹簧，保证弹簧式热电偶始终接触燃烧室身部基体测温点。 
6.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，头部导向槽外廓为方形，能够插入燃烧室身部基体的方形内通道内，所述的燃料喷嘴插入头部导向槽中间的圆孔内，三者实现截面形状由圆形转化为方形。 
7.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，喷管在喷管压紧法兰的作用下，通过螺栓与尾部导向法兰的圆形出口配合，使得尾部导向法兰固定连接在燃烧室身部基体。 
8.根据权利要求1所述的一种方形内通道透明燃烧室，其特征在于，燃烧室还包括尾部密封段，喷管压紧法兰与尾部密封段通过螺栓连接，尾部密封段设有凹槽，凹槽内设有密封垫，密封垫采用聚四氟乙烯。 
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