CN108457768B - 一种直流冷壁式发动机燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流冷壁式发动机燃烧室，包括依次连接的燃烧室上盖、燃烧室直线段、喷注段和喷管收敛扩张段，所述喷注段的外壁上沿周向布置有氧化剂集液腔、氧化剂喷注孔、燃料集液腔和燃料喷注孔，氧化剂和燃料分别从氧化剂再生冷却槽道和燃料再生冷却槽道进入氧化剂集液腔和燃料集液腔，然后从氧化剂喷注孔和燃料喷注孔流出形成射流，射流贴近燃烧室直线段内壁面但不与壁面接触，在燃烧室上盖上撞击雾化、掺混和燃烧，经过喷管收敛扩张段排出燃烧室。本发明的燃烧室可提高推进剂燃烧效率和燃烧室热防护能力，燃烧室整体结构简单，易于加工实现。

Description

一种直流冷壁式发动机燃烧室
技术领域
本发明涉及火箭发动机技术领域，具体涉及一种直流冷壁式发动机燃烧室。
背景技术
火箭发动机比冲性能提高可以减少工作时的推进剂耗量，进而增加飞行器有效载荷或延长飞行器寿命。提高推进剂燃烧效率是提高发动机比冲性能的重要途径。对于液体火箭发动机，提高燃烧效率的同时会增加燃烧室热负荷，但热负荷过高将导致燃烧室材料难以承受。因此提高液体火箭发动机性能需要解决两大问题，一是改善推进剂雾化掺混效果，以提高燃烧效率，二是优化燃烧室热防护设计，以降低燃烧室工作温度。
推进剂雾化掺混通过喷注器完成，现有液体火箭发动机喷注器有直流式、针拴式、层板式、离心式等多种形式，其中离心式喷注器喷嘴壳体大，流量系数低，单位喷嘴面积上通过的流量较小；直流式、针拴式、层板式属于撞击雾化方式，但氧化剂和燃料流撞击距离太近，雾化效果改善难度较大。
在发动机燃烧室热防护方面，现有液体火箭发动机多采用了液膜冷却或复合冷却方式。对于液膜冷却一方面在高温壁面下容易发生膜沸腾而显著降低冷却效果，另一方面，液膜有限空间内难以有效参与燃烧反应，导致发动机性能损失。
发明内容
为解决上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种直流冷壁式发动机燃烧室，可提高推进剂燃烧效率和燃烧室热防护能力。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种直流冷壁式发动机燃烧室，包括依次连接的燃烧室上盖、燃烧室直线段、喷注段和喷管收敛扩张段，所述喷注段的外壁上沿周向布置有氧化剂集液腔、氧化剂喷注孔、燃料集液腔和燃料喷注孔，氧化剂和燃料分别从氧化剂再生冷却槽道和燃料再生冷却槽道进入氧化剂集液腔和燃料集液腔，然后从氧化剂喷注孔和燃料喷注孔流出形成射流，射流贴近燃烧室直线段内壁面但不与壁面接触，在燃烧室上盖上撞击雾化、掺混和燃烧，经过喷管收敛扩张段排出燃烧室。
优选地，所述的氧化剂喷注孔和燃料喷注孔位于轴向不同截面。通过改变氧化剂喷注孔和燃料喷注孔与燃烧室轴线的夹角调整氧化剂和燃料射流在燃烧室上盖上的撞击点布置。
优选地，所述的燃烧室上盖为推进剂撞击雾化面板，通过改变其与燃烧室直线段的夹角调整氧化剂和燃料射流与燃烧室上盖的撞击角度。
优选地，所述的燃烧室直线段为圆筒形或锥筒形。
优选地，所述的氧化剂集液腔通过氧化剂喷注孔与燃烧室连通上。
优选地，所述的燃料集液腔通过燃料喷注孔与燃烧室连通。
相对于传统喷注器，本发明具有更远的射流撞击距离，可以提高推进剂雾化效果；通过改变氧化剂喷孔和燃料喷孔角度调整其在燃烧室上盖上的撞击点位置，从而强化掺混效果；通过射流孔周向近壁布置降低燃气对燃烧时壁面的热传递，通过射流沿程蒸发降低壁面附近燃气温度，喷注器的氧化剂集液腔和燃料集液腔对燃烧室收敛段进行对流冷却，从而提高燃烧室热防护能力，在内部热负荷较大时，推进剂可通过再生冷却槽道后再进入集液腔，进一步强化燃烧室冷却。燃烧室整体结构简单，易于加工实现。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例锥筒形直流冷壁式发动机燃烧室结构示意图。
图2为本发明另一个具体实施例圆筒形直流冷壁式发动机燃烧室结构示意图。
图3为本发明实施例中辐射冷却直流冷壁式发动机喷注段环向剖面展开图。
图4为本发明实施例中再生冷却直流冷壁式发动机喷注段环向剖面展开图。
图5为本发明实施例中氧化剂喷注孔和燃料喷注孔的布置图。
图6为本发明实施例中氧化剂和燃料撞击点布置图。
图中：1-燃烧室上盖；2-燃烧室直线段；3-喷注段；4-喷管收敛扩张段；5-氧化剂集液腔；6-氧化剂喷注孔；7-燃料集液腔；8-燃料喷注孔；9-氧化剂再生冷却槽道；10-燃料再生冷却槽道；11-氧化剂撞击点；12-燃料撞击点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种直流冷壁式发动机燃烧室，包括依次连接的燃烧室上盖1、燃烧室直线段2、喷注段3和喷管收敛扩张段4，所述喷注段3的外壁上沿周向布置有氧化剂集液腔5、氧化剂喷注孔6、燃料集液腔7和燃料喷注孔8，氧化剂和燃料分别从氧化剂再生冷却槽道9和燃料再生冷却槽道10进入氧化剂集液腔5和燃料集液腔7，然后从氧化剂喷注孔6和燃料喷注孔8流出形成射流，射流贴近燃烧室直线段内壁面但不与壁面接触，在燃烧室上盖1上撞击雾化、掺混和燃烧，经过喷管收敛扩张段4排出燃烧室产生推力。为表述方便，图1中喷注段3上部和下部分别显示了氧化剂和燃料的集液腔和喷注孔结构，根据喷注孔布置情况，实际剖面图中上下部可能为同一种推进剂的集液腔和喷注孔位置。锥筒形燃烧室结构在确保氧化剂和燃料射流对燃烧室直线段贴近热防护的同时，通过喷注孔小角度调整，优化射流在燃烧室上盖上的撞击点布置，可以获取均匀掺混的雾化场。通过改变燃烧室上盖1与燃烧室直线段的夹角，可以调整氧化剂和燃料射流在燃烧室上盖1上的撞击角度，理论上90°的垂直撞击雾化效果最好。
图2给出了一种圆筒形直流冷壁式发动机燃烧室结构示意图，与图1相比，只是燃烧室直线段由圆筒形改为锥筒形，一般地，对推力较小的发动机，燃烧室直径较小，可直接采用圆筒形结构，
图3和给出了喷注段3上氧化剂集液腔5、燃料集液腔7和氧化剂喷注孔6和燃料喷注孔8结构剖面展开图，图中氧化剂喷注孔7和燃料喷注孔8位于轴向不同截面。当发动机热负荷较大，工作温度较高时，可增加再生冷却槽道结构。图4为带再生冷却槽道的喷注段结构示意图，氧化剂和燃料分别从氧化剂再生冷却槽道9和燃料再生冷却槽道10进入相应的集液腔，然后通过喷注孔形成射流。
图5给出了一种喷注孔出口布置示意图，图中氧化剂喷注孔6和燃料喷注孔8布置在同一横截面上，图6给出了一种两圈布置的氧化剂和燃料撞击点示意图，其中实心圆点为燃料撞击点12，叉形圆点为氧化剂撞击点11，通过改变氧化剂喷注孔6和燃料喷注孔8角度可以调整氧化剂和燃料撞击点分布形态，调节喷雾液滴的掺混过程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种直流冷壁式发动机燃烧室，其特征在于，包括依次连接的燃烧室上盖(1)、燃烧室直线段(2)、喷注段(3)和喷管收敛扩张段(4)，所述喷注段(3)的外壁上沿周向布置有氧化剂集液腔(5)、氧化剂喷注孔(6)、燃料集液腔(7)和燃料喷注孔(8)，氧化剂和燃料分别从氧化剂再生冷却槽道(9)和燃料再生冷却槽道(10)进入氧化剂集液腔(5)和燃料集液腔(7)，然后从氧化剂喷注孔(6)和燃料喷注孔(8)流出形成射流，射流贴近燃烧室直线段内壁面但不与壁面接触，在燃烧室上盖(1)上撞击雾化、掺混和燃烧，经过喷管收敛扩张段(4)排出燃烧室。
2.根据权利要求书1所述的直流冷壁式发动机燃烧室，其特征在于，所述的氧化剂喷注孔(6)和燃料喷注孔(8)位于轴向不同截面，通过改变氧化剂喷注孔(6)和燃料喷注孔(8)与燃烧室轴线的夹角调整氧化剂和燃料射流在燃烧室上盖(1)上的撞击点布置。
3.根据权利要求书1所述的直流冷壁式发动机燃烧室，其特征在于，所述的燃烧室上盖(1)为推进剂撞击雾化面板，通过改变其与燃烧室直线段(2)的夹角调整氧化剂和燃料射流与燃烧室上盖(1)的撞击角度。
4.根据权利要求书1所述的直流冷壁式发动机燃烧室，其特征在于，所述的燃烧室直线段(2)为圆筒形或锥筒形。
5.根据权利要求书1所述的直流冷壁式发动机燃烧室，其特征在于，所述的氧化剂集液腔(5)通过氧化剂喷注孔(6)与燃烧室连通上。
6.根据权利要求书1所述的直流冷壁式发动机燃烧室，其特征在于，所述的燃料集液腔(7)通过燃料喷注孔(8)与燃烧室连通。
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