CN102094728A - 小流量高温气体推进剂供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小流量高温气体推进剂供应装置，属于火箭发动机燃气供应系统领域，装置包括小燃烧室、音速喷嘴组件、热交换器、气气喷嘴试验件。小燃烧室产生的富氢燃气一部分提供给气气喷嘴试验件，满足试验需要，另一部分提供给热交换器，用于加热氧气满足试验需要。两部分流量通过音速喷嘴控制。在一定流量下，通过调节氢气和氧气的比例可以调节富氢燃气的温度，实现温度可调的目的。在一定混合比条件下，增加或者减小氢气和氧气的流量实现流量可调。通过调节加热富氢燃气流量控制氧气的温度。

Description

小流量高温气体推进剂供应装置

技术领域

本发明涉及一种小流量高温气体推进剂供应装置，属于火箭发动机燃气供应系统领域。

背景技术

全流量补燃循环发动机系统是目前具有最高性能的补燃系统。在全流量补燃循环发动机系统中，所有流量的推进剂先通过富氢和富氧两个预燃室燃烧形成富氢燃气和富氧燃气驱动各自的涡轮后再进入推力室补燃，主燃烧室入口推进剂为具有较高温度的燃气。与常温氢气/氧气推进剂相比，其温度更高、体积流量更大，主燃烧室入口推进剂组分发生变化，这些变化将会给燃烧和燃烧室的热载带来新的影响。

Marshall等人对以富氢/富氧燃气为推进剂和常温氢气/氧气为推进剂的气-气喷注器的对比试验研究认为，富氢/富氧燃气气-气喷注器对燃烧室的热载约为常温氢气/氧气气-气喷注器的两倍(AIAA2005-3572)。在燃烧机理方面，燃气温度增加有利于提升燃烧性能，可提高发动机性能。而另一方面，推力室入口燃气温度过高对整个发动机系统非常不利，富氧燃气温度的增加会显著增加富氧预燃室、氧涡轮及富氧燃气路抗氧化性的设计难度，而富氢燃气温度的增加对氢涡轮的寿命、密封等都不利。因此，以富氢/富氧燃气为推进剂研究气气喷注器具有重要意义。目前对气气燃烧的研究主要以常温氢气和氧气，与实际应用的高温富氢/富氧燃气气气燃烧有显著区别。采用先进的光学测量设备对气气燃烧火焰结构研究是研究途径之一，首先对气气喷嘴进行缩尺，以较小流量的推进剂研究火焰结构，可减少试验成本，提高试验的安全可靠性。在高温富氢/富氧燃气气气燃烧试验中，如何提供小流量的富氢/富氧燃气是技术难点之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决小流量富氢燃气的产生、小流量富氢燃气温度控制、氧气温度的加热的技术问题，提供一种简单、易操作、可根据试验需要调节温度和流量的小流量富氢燃气和氧气的试验装置，用于气气喷嘴试验。

本发明一种小流量高温气体推进剂供应装置，包括小燃烧室、音速喷嘴组件、热交换器和气气喷嘴试验件；

小燃烧室主要包括氧喷嘴、氢喷嘴、电火花塞和燃烧室壳体；氧喷嘴和氢喷嘴固定连接组合成同轴直流喷嘴，并安装在燃烧室壳体头部；氧喷嘴和氢喷嘴进气端分别连接音速喷嘴组件；电火花塞安装在燃烧室壳体侧面，燃烧室壳体尾端连接两个并行的音速喷嘴组件，两个音速喷嘴分别连接热交换器和气气喷嘴试验件；气气喷嘴试验件设置氧气入口，氧气入口连接一个音速喷嘴组件，氧气通过音速喷嘴组件进入热交换器进行加热，加热后的氧气输入至气气喷嘴试验件。

本发明的优点在于：

本发明利用氢气易燃的特点，采用成熟的电火花点火技术，在小燃烧室内对氢气和氧气实施点火，即可产生稳定的富氢燃气。富氢燃气分成两部分，一部分通过管路供给气气喷嘴，用于试验，另一部分供应给热交换器用于加热氧气，可将氧气增温到试验需要的温度，富氢燃气流量分配采用音速喷嘴控制。该装置增加了小燃烧室内氢气和氧气的质量流量，有利于对小流量氢气和氧气的精确控制，避免流量过小而难以精确控制和测量的问题，另外增加流量也增加了完全燃烧所释放的能量，更有利于提高电火花的点火可靠性，而音速喷嘴结构简单，易更换。在一定流量下，通过调节氢气和氧气的比例可以调节富氢燃气的温度，实现温度可调的目的；在一定混合比条件下，增加或者减小氢气和氧气的流量实现流量可调；通过调节加热富氢燃气流量控制氧气的温度。

附图说明

图1是本发明一种小流量高温气体推进剂供应装置的结构示意图；

图2是本发明小燃烧室结构示意图；

图3是本发明音速喷嘴组件示意图。

图中：

1-小燃烧室      2-音速喷嘴组件      3-热交换器         4-气气喷嘴试验件

5-氧喷嘴        6-氢喷嘴            7-电火花塞         8-燃烧室壳体

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。

本发明是一种小流量高温气体推进剂供应装置，如图1所示，包括小燃烧室1、音速喷嘴组件2、热交换器3和气气喷嘴试验件4。

小燃烧室1如图2所示，主要包括氧喷嘴5、氢喷嘴6、电火花塞7和燃烧室壳体8。氧喷嘴5和氢喷嘴6通过焊接组合成同轴直流喷嘴，并通过螺纹安装在燃烧室壳体8头部；氧喷嘴5和氢喷嘴6进气端分别连接音速喷嘴组件2，氧气和氢气分别通过音速喷嘴组件2进入氧喷嘴5和氢喷嘴6；电火花塞7安装在燃烧室壳体8侧面，燃烧室壳体8尾端连接两个并行的音速喷嘴组件2，两个音速喷嘴2分别连接热交换器3和气气喷嘴试验件4。气气喷嘴试验件4设置氧气入口，氧气入口连接一个音速喷嘴组件2，氧气通过音速喷嘴组件2进入热交换器3进行加热，加热后的氧气输入至气气喷嘴试验件4，通过热交换器用于加热氧气的富氢气体则通过管路排入大气。

音速喷嘴组件2采用可拆卸式结构，包括：导入管9、压紧螺母10、密封垫圈11、音速喷嘴12、螺纹接头13和导出管14。音速喷嘴12安装于导入管9和螺纹接头13之间，通过压紧螺母10固定，螺纹接头13连接导出管14，音速喷嘴12两端有密封垫圈11密封，密封垫圈11的材料为退火紫铜。根据试验需要能够更换不同直径的音速喷嘴12。气体从音速喷嘴组件2的导入管9进入，经过音速喷嘴12后，从导出管14排出。

利用本发明所述小流量高温气体推进剂供应装置试验时，首先给电火花塞7供电，电火花塞7工作；然后通过氧喷嘴5、氢喷嘴6依次往小燃烧室1内供入氧气、氢气，两者混合气体遇到电火花塞7放出的电火花被引燃，两者燃烧产生高温的富氢燃气，并可以通过调节质量流量混合比调节所需富氢燃气的温度。

小燃烧室1产生的富氢燃气一部分提供给气气喷嘴试验件4，满足试验需要，另一部分提供给热交换器3，用于加热氧气满足试验需要。两部分富氢燃气的流量通过音速喷嘴组件2中的音速喷嘴12控制。除富氢燃气分配采用音速喷嘴12外，在小燃烧室1的氢气、氧气入口和气气喷嘴试验件4氧气入口均安装有音速喷嘴组件2，用于控制进入小燃烧室1氢气、氧气和气气喷嘴试验件4氧气的流量。

当音速喷嘴12喉部面积一定，并在喉部达到音速时，通过音速喷嘴12的流量与压力成正比，可以通过压力调节质量流量，见式(1)。当质量流量变化较大时，可以更换不同喉部尺寸的音速喷嘴12在更大流量范围内调节供应流量满足不同的试验流量需求。

$\stackrel{\·}{m}=\mathrm{\μK}\frac{p^{*}}{\sqrt{T^{*}}}\mathrm{Aq}\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(1\right)$

式中，

为质量流量；μ为流量系数，为常数，可通过试验标定获得；K为常数；p^*为音速喷嘴12入口压力；T^*为音速喷嘴12入口介质温度；A为音速喷嘴12喉部面积；在音速喷嘴12中，喉部达到音速，q(λ)＝1。

富氢燃气的分配方式如下：气气喷嘴试验件4所需的氧气的温度和流量、富氢燃气的温度和流量为试验已知参数，根据富氢燃气的温度、氧气的流量和温度可以计算得到用于热交换器3加热氧气所需的富氢燃气的流量。两部分富氢燃气的流量即为总的富氢燃气质量流量。由于两者均通过小燃烧室1提供，因此，两者音速喷嘴12前压力相同，如式(1)，在压力相同的情况下，流量与音速喷嘴12喉部面积成正比。因此，可以根据流量得到音速喷嘴12面积，即通过选择合适的音速喷嘴12就可以控制气气喷嘴试验件4富氢燃气的流量和热交换器富氢燃气的流量。而总的富氢燃气流量通过控制小燃烧室1入口的氢气和氧气质量流量控制。采用该试验装置及分配方式可以简单的获得小流量气气喷嘴试验件所需温度和流量的氧气和富氢燃气。

Claims (6)

1.一种小流量高温气体推进剂供应装置，其特征在于，包括小燃烧室、音速喷嘴组件、热交换器和气气喷嘴试验件；

小燃烧室主要包括氧喷嘴、氢喷嘴、电火花塞和燃烧室壳体；氧喷嘴和氢喷嘴固定连接在燃烧室壳体头部；氧喷嘴和氢喷嘴进气端分别连接第一音速喷嘴组件和第二音速喷嘴组件；电火花塞安装在燃烧室壳体侧面，燃烧室壳体尾端连接两个并行的第三音速喷嘴组件和第四音速喷嘴组件，第三音速喷嘴组件和第四音速喷嘴组件分别连接热交换器和气气喷嘴试验件；气气喷嘴试验件设置氧气入口，氧气入口连接第五音速喷嘴组件，氧气通过第五音速喷嘴组件后进入热交换器进行换热，被加热后的氧气输入至气气喷嘴试验件。

2.根据权利要求1所述的一种小流量高温气体推进剂供应装置，其特征在于，所述的音速喷嘴组件采用可拆卸式结构，包括：导入管、压紧螺母、音速喷嘴、螺纹接头和导出管；音速喷嘴安装于导入管和螺纹接头之间，通过压紧螺母固定，螺纹接头连接导出管，当需要不同直径的音速喷嘴时，更换不同直径的音速喷嘴。

3.根据权利要求2所述的一种小流量高温气体推进剂供应装置，其特征在于，所述的音速喷嘴两端有密封垫圈密封。

4.根据权利要求1或者2所述的一种小流量高温气体推进剂供应装置，其特征在于，进入气气喷嘴试验件和热交换器的气体流量通过音速喷嘴进行控制。

5.根据权利要求1所述的一种小流量高温气体推进剂供应装置，其特征在于，所述的氧喷嘴和氢喷嘴通过焊接组合成同轴直流喷嘴。

6.根据权利要求5所述的一种小流量高温气体推进剂供应装置，其特征在于，所述的同轴直流喷嘴通过螺纹安装在燃烧室壳体头部。

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