CN103649511A

CN103649511A - 喷射元件

Info

Publication number: CN103649511A
Application number: CN201280033681.0A
Authority: CN
Inventors: 菲利浦·詹姆斯; 卡洛斯·克鲁斯
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-03-19
Also published as: US20140284394A1; FR2977639B1; EP2729691A1; RU2593315C2; FR2977639A1; RU2013157498A; JP2014520997A; WO2013004949A1

Abstract

本发明涉及用于将两种推进剂（E1，E2）喷射到燃烧室中的喷射元件（201）的领域，尤其涉及为火箭发动机设计的喷射元件，该火箭发动机具有至少一个包括了组合至少一个这样的喷射元件（201）的喷射器类型的燃烧室。这样的喷射元件（201）具有用于喷射第一推进剂（E1）的第一环形导管（206）和用于喷射第二推进剂（E2）的第二环形导管（207），第二导管（207）与第一导管（206）同轴并且在第一导管的外部，而且可以具有同轴的第三环形导管（208），第三导管在第二导管（207）的外部。第一导管（206）围绕喷射元件（201）的中心体（205），所述中心体（205）包括腔（209），腔与中心体（205）的外表面（212）连通并且被构造为衰减至少一个预定的声频f。

Description

喷射元件

技术领域

本发明涉及一种用于将两种推进剂（推进燃料）喷射到燃烧室中的喷射元件，尤其涉及一种为具有至少一个燃烧室的火箭发动机所设计的喷射元件，所述燃烧室属于具有由一个或多个这样的喷射元件组成的喷射器的类型。本发明尤其涉及一种应用到这样的喷射元件的使两种推进剂混合在一起的下游部的改进，以便降低燃烧室中的声学噪声。

背景技术

专利文献FR2712030A1描述了一种火箭发动机燃烧室中的两种推进剂的喷射器，所述喷射器包括供给结构，其中两种推进剂供给到多个喷射元件，所述多个喷射元件在圆形结构（称为“喷射板”）的表面上以轴对称的构造相互平行地排列并形成所述喷射器的一部分。因此，这样的喷射板可以与大量（例如多达上百个）喷射元件相关联，组合喷射元件单独的流量，以便使总流量供给发动机。

在现有技术的这种喷射器中，每个喷射元件至少包括用于喷射第一推进剂第一导管和用于喷射第二推进剂的第二导管，所述第二导管是环形的与第一导管同轴，并在第一导管外部。

在本文中，术语“环形导管”用于指在径向截面呈现环形流动截面的导管，而术语“管状导管”用于指具有完全流动截面的导管。此外，术语“上游”和“下游”是相对于推进剂的流动方向而定义的。

因此，由于推进剂经由FR2712030A1喷射器的喷射元件的同轴导管而喷射到燃烧室中，所以在同心并相邻的流动之间的边界层中产生的湍流可以用于通过其流动之间的剪切力而使两种推进剂均匀地混合。

然而，从第一导管是管状的基本概念出发，在改变几何参数以增加每个喷射的元件的个体力量而不降低喷射和燃烧的质量时遇到困难。

此外，在操作中，这样的燃烧室可能产生燃烧噪声，此燃烧噪声甚至可能与燃烧室的振动的共振模式强烈地声学耦合。因此，这样的声学振动可能进入共振，并达到容易对燃烧室和喷射器产生不可逆转的损坏的振幅。

先前尝试过用喷射板周边的减振器装置来降低这样的燃烧室中的声级。最常用的减振器装置为也被称为“隔板”的偏转器和声学腔。尽管如此，这样的减振器装置具有相当大的缺点：增加了重量、尺寸、复杂性以及燃烧室的制造成本，并且需要额外的验证测试，在特定需求的环境中这样的减振器装置还尤其需要具有热机械强度特性。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种能够弥补这些缺点的喷射元件。

该目的通过以下事实来实现：第一导管也是环形的，围绕喷射元件的中心体，所述中心体具有至少一个腔，所述腔与所述中心体的外表面连通并且被构造为衰减至少一个预定的声频f。

借助这些设置，可以通过作用于中心体的直径而减小在第一导管中流动的第一推进剂的流动截面。因此，即使为增加这样的喷射元件的力量的目的而增大所有导管的流动截面，也可以确保在环形的第一导管中流动的推进剂的速度不降低，其他情况保持相同。于是，喷射和燃烧的质量可以以不依赖喷射元件的尺寸的方式来维持。此外，将声学减振腔合并在中心体中，使其能够合并在喷射器内部而不占据任何额外的空间，并且将减振器件布置在最接近噪声源处。

在某些实施例中，所述声学减振腔被构造为具有体积V的亥姆霍兹共振器，所述腔经由截面积为A、长度为l₀的孔眼与所述中心体的外表面连通。这样的亥姆霍兹共振器具有由下列等式给出的共振声频：

f = \frac{c}{2 π} \sqrt{\frac{A}{V l_{0}}}

其中c表示声音在腔中包含的流体中的传播速度。调谐到预定的激发频率f的亥姆霍兹共振器用来消散至少一些此频率下的声波能量。

在这样的喷射元件的具体实施例中，将腔连接到中心体的外表面的孔眼与所述第一导管和第二导管大致同轴。用这种方式，孔眼面对大部分燃烧噪声的来向。

在替代实施例中，腔经由在所述外表面上侧向穿透的孔眼而与第一导管直接连通。这使得可以衰减经由第一导管在上游传播的声波。

在其他实施例中，作为亥姆霍兹共振器结构的替代，所述腔被构造为在所述中心体中的轴向孔，所述轴向孔的深度l_p大致等于波长λ的四分之一，所述波长λ对应于待衰减的预定声频f。在本文中，当作为推进剂的流动的导向时该导向为“轴向”。因此，腔形成用作减弱频率f的声波的四分之一波长管。

为了进一步改善两种推进剂在下游的混合，在某些实施例中的喷射元件还包括也适于喷射第一推进剂的第三导管，所述第三导管为环形，相对于第一导管和第二导管同轴，并且在第二导管外部。因此，第二推进剂的流动在第一推进剂的内部流动和外部流动之间受到两倍的剪切力，并且这可以导致更加均匀的混合。

本发明还提供了一种具有如上所述的至少一个喷射元件的喷射器、包括至少一个喷射器的燃烧室以及包括至少一个燃烧室的火箭发动机。本文中使用的术语“燃烧室”不仅指火箭发动机的主要的单组元燃烧室，除别的以外，还指多组元燃烧室的一个或多个元件、用于分级燃烧发动机的前燃烧室或者例如用于驱动供给推进剂的涡轮泵的气体发生器。

本发明还提供了一种衰减燃烧室中的燃烧室噪声的方法，其中预定声频f在喷射元件的中心体的腔中被衰减，喷射元件用于将两种推进剂的混合物喷射到燃烧室中，所述喷射元件包括：用于喷射第一推进剂的环形的至少第一导管，所述第一导管在所述中心体外部；和用于喷射第二推进剂的环形的至少第二导管，所述第二导管与所述第一导管同轴并在所述第一导管外部。具体地但非必要地，此喷射元件可额外地具有也适于喷射第一推进剂的第三导管，所述第三导管为环形并与第一导管和第二导管同轴，并且在第二导管外部。

附图说明

通过阅读以下作为非限制性示例给出的三个实施例的详细描述，可以很好地理解本发明，且其优点更明显。描述参照附图，其中：

图1是液体推进剂火箭发动机的示意图；

图2A、图2B和图2C是第一、第二和第三实施例中的喷射元件的纵向剖视图；以及

图3A、图3B和图3C是第四、第五和第六实施例中的喷射元件的纵向剖视图。

具体实施方式

图1示意性地示出使用液体推进剂，尤其是低温液体推进剂的火箭发动机1。火箭发动机1具有用于第一推进剂的罐2、用于第二推进剂的罐3、供给有第一推进剂和第二推进剂的气体发生器4、由来自气体发生器4的燃烧气体驱动的涡轮泵5、通过涡轮泵5供给各推进剂的主燃烧室6、以及用于推进式喷出主燃烧室6中产生的燃烧气体的缩放喷嘴7。

为了在气体发生器4和主燃烧室6中均获得有效的燃烧，这些部件具有使得推进剂能够均匀混合和分布的推进剂喷射元件。典型地，喷射元件安装在供给有被喷射的推进剂的喷射板上。

在图2A中，可以看到用于喷射并混合两种推进剂E1、E2的三同轴结构的喷射元件201的终端部分。喷射元件201具有对称轴X，对称轴X也是推进剂E1、E2的主流动轴。图中未示出在连接到两个用于供给推进剂E1和E2的供给线路时，喷射元件的各个零部件相对于彼此排列并且保持它们各自的位置的方式。

在喷射元件201的终端部，喷射元件201具有围绕中心体205的三个同心管状壁202、203和204，以便形成环形且同轴的第一导管206、第二导管207和第三导管208。在外管壳（即最远的管状壁204）的端部与中间壁202、203之间限定后退部（setback）RE。外壁204可以是喷射板本身的一部分，并且中间壁202、203可以在上游联结在一起而合并成单体。

第一导管206和第三导管208被构造成喷射第一推进剂E1，而沿径向位于第一导管206外、第三导管208内的第二导管207被构造成喷射第二推进剂E2。由于在喷射元件201操作时以不同的速度喷射第一推进剂E1和第二推进剂E2，所以在后退部RE的第二推进剂E2的环流内部和外部上的剪切力引起两种推进剂E1、E2流中的湍流，由此确保两种推进剂E1、E2均匀地混合。此外，由于第一导管206、第二导管207和第三导管208是环形的，所以喷射元件201可以很容易地确定尺寸，以匹配所需的推进剂总流量。

在此第一实施例中，中心体205具有体积为V的腔209，腔209通过在板210上穿透一与喷射元件的中心轴线X大致对齐的孔眼211形成。孔眼211具有一定截面积并且长度为l₀，腔209与中心体205面向燃烧室213的外表面212连通。因此，带有孔眼211的腔209形成具有共振频率f的亥姆霍兹共振器，共振频率f由下列等式给出：

f = \frac{c}{2 π} \sqrt{\frac{A}{V l_{0}}}

这个姆霍兹共振器可以消散至少一些在此频率f下燃烧释放的声能。具有适当尺寸的腔209和孔眼211，可以有效地衰减在预定频率f下的燃烧噪声，预定频率f例如为能够导致燃烧室的结构的共振效应的频率。

如图2B所示，在第二实施例中，喷射元件201同样是三同轴型元件，管状壁202、203和204形成围绕中心体205的第一导管206、第二导管207和第三导管208。如在第一实施例中，在外管壳（即最远的管状壁204）的端部与中间壁202、203之间限定后退部RE。第一导管206和第三导管208同样被构造成喷射第一推进剂E1，而沿径向位于第一导管206外、第三导管208内的第二导管207被构造成喷射第二推进剂E2。

相比之下，在第二实施例中，孔眼211未穿透封闭中心体205的腔209的板210，而是为了衰减在后退部RE中和在第一导管206中传播的声波，位于中心体205的腔209的外表面212的侧面，以便使腔209与第一导管206直接连通。

在图2C所示的第三实施例中，喷射元件201同样是三同轴型元件，管状壁202、203和204形成围绕中心体205的第一导管206、第二导管207和第三导管208。如在第一和第二实施例中，在外管壳（即最远的管状壁204）的端部与中间壁202、203之间限定后退部RE。第一导管206和第三导管208同样被构造成喷射第一推进剂E1，而沿径向位于第一导管206外、第三导管208内的第二导管207被构造成喷射第二推进剂E2。

相比之下，在此第三实施例中，腔208未被板封闭，而是被构造成中心体205中直径为d的轴向孔，该轴向孔是盲孔并朝向燃烧室214开口，其深度l_p大致等于波长λ的四分之一，波长λ对应于待衰减的预定声频f。因此，腔209充当用于在燃烧室214的操作期间衰减燃烧噪声的四分之一波管。

虽然第一、第二和第三实施例涉及三同轴喷射元件，但是同样的构思还可以应用到简单的同轴喷射元件。因此，如图3A所示，在第四实施例中，喷射元件201的终端部包括围绕中心体205的两个同心的管状壁202和204，以便形成环形且同轴的第一导管206和第二导管207。在外管壳（即最远的管状壁204）的端部与中间壁202之间限定后退部RE。壁204可以合并为喷射板本身。

第一导管206被构造成喷射第一推进剂E1，而沿径向位于第一导管206外的第二导管207被构造成喷射第二推进剂E2。由于在喷射元件201操作时以不同的速度喷射第一推进剂E1和第二推进剂E2，所以在后退部RE处的两种推进剂E1、E2的环流之间产生湍流，湍流确保两种推进剂E1和E2均匀地混合。此外，由于第一导管206和第二导管207是环形的，所以很容易使喷射元件201的尺寸适合于所需的推进剂总流量。

如在第一实施例中，中心体205具有体积为V的腔209，腔209被穿有孔眼211的板210封闭，孔眼211与喷射元件的中心轴线X大致对齐。孔眼211的截面积为A并且长度为l₀，孔眼211使腔209与中心体205面向燃烧室213的外表面212连通。因此，腔209与孔眼211一同形成具有共振频率f的亥姆霍兹共振器。

如图3B所示，在第五实施例中，喷射元件201的终端部同样包括围绕中心体205同心的两个管状壁202和204，从而形成环形且同轴的第一导管206和第二导管207。在外管壳（即最远的管状壁204）的端部与中间壁202之间也限定后退部RE。

如在上述实施例中，第一导管206被构造成用于喷射第一推进剂E1，而沿径向位于第一导管206外的第二导管207被构造成喷射第二推进剂E2。

如在第二实施例中，腔209由中心体205的轴向孔形成，并且经由中心体205的外表面212上侧向形成的孔眼211与第一导管206直接连通，从而构成用作衰减后退部RE和第一导管206中传播的声波的亥姆霍兹共振器。

最后，在图3C所示的第六实施例中，喷射元件201的终端部同样包括围绕中心体205同心的两个管状壁202和204，从而形成环形且同轴的第一导管206和第二导管207，第一导管206和第二导管207分别被构造为喷射第一推进剂E1和第二推进剂E2。在外管壳（即最远的管状壁204）的端部与中间壁202之间也限定后退部RE。

如在第三实施例中，腔209未被板封闭，而是被构造成在中心体205中直径为d的轴向孔，该轴向孔是盲孔并朝向燃烧室214开放，其深度l_p大致等于波长λ的四分之一，波长λ对应于待衰减的预定声频f。

虽然上文参照具体实施例描述了本发明，但是很显然可以对这些示例作各种修改和改变而不超出由权利要求书限定的本发明的大体范围。例如，虽然在每个实施例中所示的中心体仅具有一个声学减振器腔，但是构成其他实施例的喷射器可以具有可能并入中心体中的相同类型和/或不同类型的多个声学减振器腔。另外，所示和/或所描述的各实施例的单独的特征可以组合形成附加的实施例。因此，说明书和附图应视为说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种喷射元件（201），用于将两种推进剂（E1，E2）的混合物喷射到燃烧室（4，6）中，所述元件至少包括用于喷射第一推进剂（E1）的第一导管（206）和用于喷射第二推进剂（E2）的第二导管（207），所述第二导管（207）为环形，与所述第一导管（206）同轴，并且相邻地位于所述第一导管（206）外部，所述喷射元件（201）的特征在于，所述第一导管（206）也是环形，且围绕所述喷射元件（201）的中心体（205），所述中心体（205）具有至少一个腔（209），所述腔（209）与所述中心体（205）的外表面（212）连通并且被构造为衰减至少一个预定的声频f。

2.根据权利要求1所述的喷射元件（201），其中所述腔（209）被构造为具有体积V的亥姆霍兹共振器，所述腔（209）经由截面积为A且长度为l₀的孔眼（211）与所述中心体（205）的外表面（212）连通。

3.根据权利要求2所述的喷射元件（201），其中所述孔眼（211）与所述第一导管（206）和所述第二导管（207）大致同轴。

4.根据权利要求2所述的喷射元件（201），其中所述腔（209）经由在所述外表面（212）中侧向穿孔的所述孔眼（211）与所述第一导管（206）直接连通。

5.根据权利要求1所述的喷射元件（201），其中所述腔（209）被构造为在所述中心体（205）中的轴向孔，所述轴向孔的深度l_p大致等于对应于预定的声频f的波长λ的四分之一。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射元件（201），还包括被构造成喷射第一推进剂（E1）的第三导管（208），所述第三导管（208）为环形，并且相对于所述第一导管（206）和所述第二导管（207）同轴，而且相邻地位于所述第二导管（207）外部。

7.一种喷射器，包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的喷射元件（201）。

8.一种燃烧室（4，6），具有至少一个根据权利要求7所述的喷射器。

9.一种火箭发动机（1），具有至少一个根据权利要求8所述的燃烧室（4，6）。

10.一种衰减燃烧室（4，6）中的燃烧噪声的方法，其中预定声频f在喷射元件（201）的中心体（205）的腔（209）中被衰减，所述喷射元件用于将两种推进剂（E1，E2）的混合物喷射到所述燃烧室（4，6）中，所述喷射元件（201）至少包括：用于喷射第一推进剂（E1）的环形的第一导管（206），所述第一导管（206）在所述中心体（205）外部；和用于喷射第二推进剂（E2）的环形的第二导管（207），所述第二导管（207）与所述第一导管（206）同轴并相邻地位于所述第一导管（206）外部。