CN105020050A - 采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，所述的燃气发生器由环形槽燃烧室、收敛段和调节塞锥组件构成，调节塞锥位于燃气发生器的头部，与收敛段同轴安装；所述的环形槽燃烧室由前喷注面板、后喷注面板、身部冷却面板组合而成；所述的调节塞锥组件由调节塞锥、作动套筒和固定盘组成，调节塞锥可在作动套筒内前后移动，调节塞锥与收敛段型面相互配合设计。本发明所述的在线可调式燃气发生器结构紧凑，燃烧室长度短，大大减少了燃烧室的结构尺寸和冷却面积要求，能适应航天领域地面试验系统燃气发生器多种燃烧工况的在线调节、具有优良的火焰稳定和燃气掺混能力，出口流场均匀。

Description

采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器

技术领域

本发明涉及一种利用射流对撞方式组织燃烧，以利于液态燃料的雾化、掺混和燃烧的高效稳定，减少了燃烧室结构尺寸和冷却面积要求，燃烧室身部采用旋流进气再生冷却方式进行冷却，采用可移动式塞锥对喉部面积进行在线调节的多工况燃气发生器。

背景技术

燃气发生器在航空航天领域有广泛的应用，它将氧化剂和燃料按照设计要求的混合比组织燃烧，获得一定压力、温度、流量和速度参数要求的燃气，以实现特定的目的，如产生引射气流、驱动涡轮、产生弹射气流等。在冲压发动机领域燃气发生器的应用主要表现为两大类：一类是冲压发动机地面试验系统中的用于加热空气的燃烧式加热器，提供模拟高空飞行条件下的高焓空气。加热器形式的燃气发生器所产生的燃气参数组元成分必须能模拟出高空大气成分，同时对总压和气流的马赫数必须能满足飞行环境和速度的模拟要求。另一类是应用于冲压发动机技术本身的一种管道式火箭冲压发动机的富燃燃气生成技术，产生的富燃高温燃气在冲压空气中进一步补燃，提高燃烧稳定性。管道火箭冲压发动机用燃气发生器要能根据管道火箭冲压发动机飞行条件的变化适时对燃气发生器的出口气流参数进行调节，以满足对根据工况变化的来流冲压空气的匹配要求。

为了提高以上两类燃气发生器的性能，需要在气流参数可调节性、燃烧性能、长时间工作能力上进行改进。目前，燃气发生器多采用航空发动机燃烧室技术和液体火箭发动机技术组织燃烧，其燃烧过程呈现出不同的特点。航空发动机火焰筒燃烧室，结构复杂，工作过程组织困难，在该类领域中目前较少使用。采用液体火箭发动机头部燃料喷注的燃烧组织技术，结构较简单，但是燃料在燃烧室内喷注、雾化、蒸发，扩散燃烧需要较长的燃烧室长度，从而加大了燃烧室的冷却面积，长时间工作条件下需要在燃烧室身部需要布置较大范围的冷却通道；其出口喉部不可调节，难以在工作过程中对出口流量和马赫数进行调节，这使得加热器形式的燃气发生器难以模拟飞行器在变工况条件下的气流环境变化，也使管道火箭冲压发动机燃器发生器难以适应冲压空气的参数变化而合理组织补燃过程。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

克服现有技术的不足，提供一种燃气发生器结构，采用对撞燃烧方式，形成驻定涡稳定火焰，身部冷却面板冷却面积少，并采用旋流进气的液膜再生式冷却方式，并促进燃气的掺混和燃烧，喉部大小可通过调节塞锥的移动实现在线式适时调节，燃烧室结构紧凑，燃烧稳定性、燃烧效率得到提高。

本发明的技术解决方案是：

一种采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的燃气发生器由环形槽燃烧室、收敛段和调节塞锥组件构成，调节塞锥位于燃气发生器头部，与收敛段同轴安装；所述的环形槽燃烧室由前喷注面板、后喷注面板、身部冷却面板组合而成；所述的调节塞锥组件由调节塞锥、作动套筒和固定盘组成，调节塞锥可在作动套筒内前后移动，调节塞锥与收敛段型面相互配合设计；所述的前喷注面板、后喷注面板上分别在内外圈的设置有相互隔开的集液腔，其上分别布置了多组错开的燃料喷嘴和氧化剂喷嘴，喷嘴通过焊接或螺纹连接周向分布固定在面板上与集液腔相连同，燃料、氧化剂分别通过后喷注面板燃料进口接嘴、后喷注面板氧化剂入口接嘴、前喷注面板燃料入口接嘴、前喷注面板氧化剂入口接嘴进入集液腔，通过喷嘴喷出；所述前、后喷注面板上的燃料喷嘴和氧化剂喷嘴相向布置，射流相互碰撞；所述的作动套筒的型面采用型面过度，并与收敛段的入口型面相互配合设计，最大转角不超过7度，保证燃气流不出现分离；所述的身部冷却面板采用多组不同旋向的旋流进气的射流孔进行液膜式再生冷却，逆时针射流角度与顺时针射流角度在10～80度之间，个数10～40，逆时针射流与顺时针射流成组出现，冷却组元通过冷却组元入口接嘴进入冷却组元集液腔后，通过再生冷却旋流孔喷出；所述的调节塞锥的锥部型面与收敛段的后段型面配合设计，使得在作动行程内能获得零到出口半径所标示的面积大小的喉部大小变化范围，并遵循一定的调节规律；所述的调节塞锥以手动或压力反馈调节的形式作用于作动连杆前后移动。

本发明的原理：液态燃料和气态氧化剂以射流对撞方式进入环形槽燃烧室，促进液态燃料液滴的破碎、雾化、蒸发、掺混，形成驻定的气动涡结构，以此稳定火焰并燃烧；身部冷却面板的不同旋向的冷却射流实现液膜式再生冷却的同时，加强燃气掺混燃烧；产生的燃气经出口型面的整流作用进入喉部截面，保证气流不发生分离；喉部截面通过调节塞锥与收敛段的相对位移的变化来实现喉部大小的调节，调节塞锥和收敛段型面配合设计，达到按一定的调节规律在线实时调节燃气发生器工况的目的。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明采用液体燃料和气态氧化剂相向喷射进入燃烧室，对撞燃烧有利于液体燃料的破碎、雾化、蒸发过程，并强化了气流的掺混，具有良好的火焰稳定能力和燃烧效率。

(2)本发明采用环形槽燃烧室结构，结构紧凑，燃烧室长度短、容积空间小、热释放率高，燃烧室身部冷却的所要求的面积少。

(3)身部冷却面板采用冷却液的旋流注入方式，提供液膜式再生冷却的同时，不同旋向的气流与燃气相互作用，增强了气流间的掺混。

(4)调节塞锥可左右移动，调节塞锥与收敛段型面配合设计，可对喉部面积大小进行在线式调节，实时按照一定的调节规律改变燃气发生器工作参数。

(5)出口型面设计保证对燃气流的整流作用，出口燃气流场更加均匀。

该发明结构紧凑，环形槽燃烧室长度短，身部冷却面积小，位于头部的调节塞锥与收敛段型面配合设计，可对燃烧室出口喉部面积按照一定的调节规律进行在线式调节，利用对撞燃烧方式，促进液态燃料液滴的破碎、雾化、掺混和稳定燃烧。

附图说明

图1为本发明的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器的1/4剖视图；

图2为本发明的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器的半剖视图；

图3为可调塞锥和收敛段配合关系图；

图4为本发明的前后喷注面板喷嘴分布结构图；

图5为本发明的身部再生冷却面板结构图。

其中，图中1是带有出口气流连接法兰的收敛段，2是可调气流喉部大小的环形通道，3是后喷注面板燃料入口接嘴，4是后喷注面板氧化剂入口接嘴，5是身部面板用于冷却的组元入口接嘴，6是前喷注面板燃料入口接嘴，7是前喷注面板氧化剂入口接嘴，8是作动筒，9是作动连杆，10是连杆固定盘，11是环形槽燃烧室，12是可调塞锥，13是后喷注面板，14是后喷注面板燃料集液腔，15是后喷注面板氧化剂集液腔，16是身部冷却面板，17是用于冷却的组元集液腔，18是前喷注面板燃料集液腔，19是前喷注面板氧化剂集液腔，20是前喷注面板，21是身部旋流冷却孔，22是燃料喷嘴，23是氧化剂喷嘴，24是燃烧生成的高温燃气流，25是可调塞锥头部型面，26是最大喉部通道口半径，27是槽型燃烧室高度，28是槽型燃烧室宽度，29是碰撞射流喷射距离，30是前喷注面板氧化剂喷嘴周向分布直径，31是前喷注面板燃料喷嘴周向分布直径，32是氧化剂喷嘴与燃料喷嘴的径向分布角度，33是后前喷注面板氧化剂喷嘴周向分布直径，34是后喷注面板燃料喷嘴周向分布直径，35是离心式冷却孔的轴向位置分布，36是冷却孔的逆时针射流角度，37是冷却孔的顺时针射流角度，38是可调塞锥的可调行程距离，39是采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，40是塞锥套筒型面，41是收敛段入口型面，42是收敛段后段型面，43是可调塞锥组件。

具体实施方式

如图1、图2所示，在由前喷注面板20、后喷注面板13、身部冷却面板组合安装而成的环形槽燃烧室11内，氧化剂喷嘴23喷出的伞状气流与燃料喷嘴22喷出喷雾相碰撞，进行掺混燃烧，并在燃烧室11内形成驻定的气动涡结构。燃烧室长度尺寸28根据喷嘴的喷射穿透长度决定的喷嘴相互作用距离39来决定，以保证碰撞射流喷装燃烧的有效组织。燃烧室径向尺寸27根据燃烧室流量功率和安装情况决定。

身部冷却喷注面板16内喷出冷却液对身部进行液膜式再生冷却，冷却流与燃气进一步掺混。形成的燃气流24经收敛段1和塞锥套筒8的型面40形成的型面出口进行整流，经可调塞锥12型面与收敛段形成的最小喉部面积通道流出，形成所需的气流参数。燃料和氧化剂分别通过各自的进口接嘴4、3、6、7进入各自的积液腔15、14、18、19内，然后经过氧化剂喷嘴和燃料喷嘴喷出。身部面板的冷却采用流量需求较大的组元进行液膜式再生冷却，经不同旋向组成的旋流进行孔21喷出。

根据雍塞情况下的流量公式以及一维理想气体等熵流动关系式，喉部面积的大小和膨胀比决定了燃气发生器燃烧室内的流量、总压和出口马赫数的大小。如图3所示，通过调节喉部面积的大小是燃烧器实现在线适时调节的一条途径。可调塞锥12可在塞锥套筒8内左右移动，在由固定盘10所限制的移动行程距离38内可实现喉部面积由零到出口半径26所标示的面积内范围内变化。通过塞锥型面25和收敛段型面42的配合，可设计按一定规律变化的喉部面积变化率。

如图4(a)所示为前后喷注面板上燃料喷嘴和氧化剂喷嘴分布示意图，外环集液腔直径31、33相等，内环集液腔直径30、34相等，燃料喷嘴22和氧化剂喷嘴23通过焊接后螺纹连接，在喷注面板上交错布置，前后面板的喷嘴之间组成碰撞射流对，可根据燃烧流场组织的需要布置多个燃烧碰撞射流喷嘴组。如图4(a)、图4(b)所示，前喷注面板内环积液腔内布置的氧化剂喷嘴与外环燃料积液腔内布置的氧化剂之间的相对布置角度32可随布置的喷嘴的个数而异。喷嘴的位置布置要考虑燃烧室内碰撞射流燃烧的均匀分布。

如图5(a)所示为身部冷却面板的冷却喷注孔示意图，图5(b)为孔的布置结构图，冷却流分成多组，取不同的旋向进入燃烧室11，在燃烧室壁面形成冷却膜对燃烧室进行保护。不同旋向的冷却孔气流与燃烧室内燃气之间相互作用，相互掺混进行燃烧。身部冷却孔的孔径大小、位置分布、数量、旋向等参数根据燃烧室的受热情况决定，同时考虑冷却用气量的供应需求。

Claims (7)

1.采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的燃气发生器(39)由环形槽燃烧室(11)、收敛段(1)和调节塞锥组件(43)构成，调节塞锥(12)位于燃气发生器(39)的头部，与收敛段(1)同轴安装；所述的环形槽燃烧室(11)由前喷注面板(20)、后喷注面板(13)、身部冷却面板(16)组合而成；所述的调节塞锥组件(43)由调节塞锥(12)、作动套筒(8)和固定盘(9)组成，调节塞锥可在作动套筒(8)内前后移动，调节塞锥(8)与收敛段型面(42)相互配合设计。

2.根据权利要求1所述的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的前喷注面板(20)、后喷注面板(13)上分别在内外圈的设置有相互隔开的集液腔，其上分别布置了多组错开的燃料喷嘴(22)和氧化剂喷嘴(23)，喷嘴通过焊接或螺纹连接周向分布固定在面板上与集液腔相连同，燃料、氧化剂分别通过后喷注面板燃料进口接嘴(3)、后喷注面板氧化剂入口接嘴(4)、前喷注面板燃料入口接嘴(6)、前喷注面板氧化剂入口接嘴(7)进入集液腔，通过喷嘴喷出。

3.根据权利要求1所述的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述前、后喷注面板上的燃料喷嘴(22)和氧化剂喷嘴(23)相向布置，射流相互碰撞。

4.根据权利要求1所述的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的作动套筒(8)的型面(40)采用型面过度，并与收敛段(1)的入口型面(41)相互配合设计，最大转角不超过7度，保证燃气流(24)不出现分离。

5.根据权利要求1所述的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的身部冷却面板(16)采用多组不同旋向的旋流进气的射流孔(21)进行液膜式再生冷却，逆时针射流角度(36)与顺时针射流角度(37)在10～80度之间，个数10～40，逆时针射流与顺时针射流成组出现，冷却组元通过冷却组元入口接嘴(5)进入冷却组元集液腔(17)后，通过再生冷却旋流孔(21)喷出。

6.根据权利要求1所述的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的调节塞锥(12)的锥部型面与收敛段(1)的后段型面(42)配合设计，使得在作动行程(38)内能获得零到出口半径(26)所标示的面积大小的喉部大小变化范围，并遵循一定的调节规律。

7.根据权利要求1所述的采用射流对撞燃烧方式的在线可调式燃气发生器，其特征在于：所述的调节塞锥(12)以手动或压力反馈调节的形式作用于作动连杆(9)前后移动。