CN108915899A - 一种四底三腔喷注器 - Google Patents

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Abstract

一种四底三腔喷注器，承力座与燃气顶盖一体件和带环三底与导火管一体件构成燃气腔；带环三底与导火管一体件、带环二底共同形成的腔体为氧化剂腔；氧化剂进口段为氧化剂的入口，与氧化剂集合器相连通；氧化剂进口段设置导流片，将来流氧化剂分为两股分别流入氧化剂集合器的两侧；带环二底、一底共同形成的腔体为燃料腔；燃料进口段为燃料的入口，与燃料集合器相连通；燃料进口段设置导流片，将来流燃料分为两股分别流入燃料集合器的两侧；带环三底与导火管一体件、带环二底、一底上沿喷流方向安装喷嘴组件；上述燃气腔、氧化剂腔、燃料腔三腔从上到下依次分布。

Description

一种四底三腔喷注器
技术领域
本发明涉及一种四底三腔喷注器，可用于航空航天、热能工程、燃烧技术领域。
背景技术
高压补燃循环发动机具有大推力、高比冲等系列优点，是未来载人登月和深空探测重型运载火箭上面级的首选动力。美国、前苏联(俄罗斯)、日本等航天大国先后研制了SSME、RD-0120、LE-7系列百吨级大推力补燃发动机，发动机推力均在100～300吨之间，用于运载器的芯级动力系统，有利地提升了火箭运载能力。
大推力高压补燃循环发动机单台推力为百吨量级，燃烧室尺寸显著增加。从国内外的研制经验来看，随着燃烧室尺寸的增加，燃烧室发生高频燃烧不稳定的倾向大大增加，为了抑制推力室燃烧不稳定的发生，进行合理的推力室头腔及喷注器结构设计尤为重要。
大推力高压补燃循环发动机单台推力为百吨量级，燃烧室推进剂流量显著增加，燃烧室高效燃烧、大幅变推及稳定燃烧变得更加困难。随着流量的增加，单喷嘴流量也相应增加，喷嘴数量也明显增加，合理降低喷注器流阻损失以提高喷嘴压降对于提高燃料雾化、混合和稳定燃烧具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种低流阻损失、高效稳定燃烧的四底三腔喷注器结构。
本发明的技术解决方案是：一种四底三腔喷注器，包括承力座与燃气顶盖一体件、带环三底与导火管一体件、带环二底、氧化剂集合器、燃料集合器、一底、喷嘴组件、氧化剂进口段、燃料进口段；
承力座与燃气顶盖一体件和带环三底与导火管一体件构成燃气腔；
带环三底与导火管一体件、带环二底共同形成的腔体为氧化剂腔；氧化剂进口段为氧化剂的入口，与氧化剂集合器相连通；氧化剂进口段设置导流片，将来流氧化剂分为两股分别流入氧化剂集合器的两侧；
带环二底、一底共同形成的腔体为燃料腔；燃料进口段为燃料的入口，与燃料集合器相连通；燃料进口段设置导流片，将来流燃料分为两股分别流入燃料集合器的两侧；
带环三底与导火管一体件、带环二底、一底上沿喷流方向安装喷嘴组件；
上述燃气腔、氧化剂腔、燃料腔三腔从上到下依次分布。
优选的，B燃气进口段与A燃气进口段呈180°分布，且在燃气腔内设置多孔燃气整流栅。
优选的，所述的多孔整流栅的位置应确保多孔整流栅与三底之间形成阻尼腔，且使一阶切向振型的能量能够顺利通过喷嘴组件气路通道到达阻尼腔。
优选的，所述的多孔燃气整流栅由多圈孔组成，其中外圈孔直径大于内圈孔直径。
优选的，n圈外圈孔的直径均大于其余内圈孔直径，其中n圈外圈孔沿径向的长度要不小于燃气头腔中产生的回流涡的径向宽度。
优选的，氧化剂集合器中的氧化剂通过设置在带环三底上的氧化剂斜径向孔进入氧化剂腔，氧化剂斜径向孔入口所在端面为垂直于孔的平台结构且入口设置倒圆角。
优选的，所述的平台结构垂直氧化剂流动方向。
优选的，所述的氧化剂斜径向孔为变孔径或者不变孔径.
优选的，当为变孔径时，以垂直于入口且过轴线的截面A-A为对称面，孔径变化对称分布，且正对导流片区域Q1的孔径为大孔径，导流片圆弧延伸覆盖区域Q2为中孔径，其余区域Q3向远离入口方向孔径依次分布大孔径、中孔径和小孔径，且各占1/3，或区域Q3孔径由大到小逐渐减小。
优选的，所述的氧化剂集合器、燃料集合器的入口区域均为扩口段，即入口区域出口等效宽度H3大于其入口等效宽度H2且均大于其进口段入口等效宽度H1，即H3>H2>H1。
优选的，所述的导流片为整体结构。
优选的，所述导流片两分支圆弧与集合器入口区域圆弧同心，且保证导流片圆弧的起点、中点、终点到集合器入口区域圆弧的垂直宽度相差不大于0.5mm。
优选的，燃料集合器中的燃料通过带环二底上的燃料径向孔进入燃料腔；所述的燃料径向孔为变孔径或者不变孔径。
优选的，所述的燃料径向孔为变孔径时，以垂直于入口且过轴线的截面A-A为对称面，孔径变化对称分布，且正对导流片区域Q1的孔径为大孔径，导流片弧度延伸覆盖区域Q2为中孔径，其余区域Q3向远离入口方向孔径依次分布大孔径、中孔径和小孔径，且各占1/3，或区域Q3孔径由大到小逐渐减小。
优选的，所述的氧化剂集合器、燃料集合器为环腔结构。
本发明与现有技术相比有益效果为：
两燃气入口呈180°分布，在入口下游区域存在明显回流涡，通过设置多孔燃气整流栅，且整流栅外圈孔径大于内圈孔径，且n圈外圈孔沿径向的长度要不小于燃气头腔中产生的回流涡的径向宽度，可以有效消除涡流现象，确保进入燃气喷嘴的流量均匀；通过调节整流栅在燃气头腔中的位置，确保整流栅与三底间形成阻尼腔，使一阶切向振型的能量能够顺利通过喷嘴组件气路通道到达该腔，耗散最多的振荡能量，抑制燃烧不稳定的发生。
与氧化剂进口段相连通的氧化剂集合器入口区域为扩口段，即该区域出口等效宽度H3大于其入口等效宽度H2且均大于氧化剂进口段入口等效宽度H1，可以有效降低该区域的流体流速，减小流阻损失，且保证氧化剂集合器内部的氧化剂流量分布尽可能均匀；氧化剂集合器扩口段设置导流片，将来流氧化剂分为两股分别流入氧化剂集合器的两侧，从而避免正对氧化剂进口段的径向孔内流体流速过高导致的流场不均匀和流阻损失较大的问题。氧化剂斜径向孔入口所在端面为垂直于孔的平台结构，便于斜径向孔的加工；且斜径向孔入口设置倒圆角，可以有效降低斜径向孔的流阻损失；且平台结构垂直氧化剂流动方向，进一步减小径向孔处的流阻损失。氧化剂集合器中的氧化剂通过带环三底上的沿环周向均匀分布的氧化剂斜径向孔进入氧化剂腔，从而保证氧化剂腔内的氧化剂分布更加均匀。
与燃料进口段相连通的燃料集合器入口区域为扩口段，即该区域出口等效宽度H3大于其入口等效宽度H2且均大于氧化剂进口段入口等效宽度H1，可以有效降低该区域的流体流速，减小流阻损失，且保证燃料集合器内部的燃料流量分布尽可能均匀；燃料集合器扩口段设置导流片，将来流燃料分为两股分别流入燃料集合器的两侧，从而避免正对燃料进口段的径向孔内流体流速过高导致的流场不均匀和流阻损失较大的问题。燃料集合器中的燃料通过带环二底上的沿环周向均匀分布的燃料径向孔进入燃料腔，从而保证燃料腔内的燃料分布更加均匀。
导流片为整体结构，且导流片两分支圆弧与集合器入口区域圆弧同心，且保证导流片圆弧的起点、中点、终点到集合器入口区域圆弧的垂直宽度相差不大于0.5mm，即h1≈h2≈h3，从而有效降低流阻损失，且不易产生回流涡，避免诱导出现燃烧不稳定性等现象；
一种四底三腔喷注器，三腔主要包括燃气腔、氧化剂腔、燃料腔，三腔从上到下依次分布；氧化剂腔在中间，从而可以保证氧化剂喷嘴长度较短，避免氧化剂喷嘴受到燃气高速热冲击造成的断裂问题。喷注器的各部分零组件间可以通过增材制造等技术一体加工，或是通过氩弧焊或电子束焊等方式连接为一体。
附图说明
图1为本发明主视剖图；
图2为本发明氧化剂斜径向孔示意图；
图3为本发明多孔整流栅示意图；
图4为本发明氧化剂/燃料集合器入口区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
如图1所示，一种四底三腔喷注器，包括承力座与燃气顶盖一体件1、A燃气进口段2、B燃气进口段3、多孔燃气整流栅4、带环三底与导火管一体件5、带环二底6、氧化剂集合器7、燃料集合器8、一底9、喷嘴组件10、氧化剂进口段11、燃料进口段12。
承力座与燃气顶盖一体件1、多孔燃气整流栅4、和带环三底与导火管一体件5共同构成燃气头腔；A燃气进口段2、B燃气进口段3呈180°分布在燃气头腔两端，且分别为B燃气、A燃气的入口；多孔燃气整流栅4分布多圈小孔，处于燃气头腔内部，用于燃气的整流，保证进入各燃气喷嘴的燃气流量均匀；通过调节整流栅在燃气头腔中的位置，确保整流栅与三底间形成阻尼腔，使一阶切向振型的能量能够顺利通过喷嘴组件气路通道到达该腔，耗散最多的振荡能量，抑制燃烧不稳定的发生。
带环三底与导火管一体件5、带环二底6共同形成的腔体为氧化剂头腔；氧化剂进口段11为氧化剂的入口，与氧化剂集合器7相连通；氧化剂进口段11设置导流片16，将来流氧化剂分为两股分别流入氧化剂集合器7的两侧，从而避免正对氧化剂进口段11的氧化剂径向孔14的流速过高导致的流场不均匀和流阻损失较大的问题。氧化剂集合器7呈环腔结构；氧化剂集合器7中的氧化剂通过带环三底5上的氧化剂斜径向孔14进入氧化剂腔；氧化剂斜径向孔14沿环周向均匀分布；
带环二底6、一底9共同形成的腔体为燃料头腔；燃料进口段12为燃料的入口，与燃料集合器8相连通；燃料进口段12设置导流片13，将来流燃料分为两股分别流入燃料集合器8的两侧，从而避免正对燃料进口段12的燃料径向孔15的流速过高导致的流场不均匀和流阻损失较大的问题。燃料集合器8呈环腔结构；燃料集合器8中的燃料通过带环二底6上的燃料径向孔15进入燃料腔；燃料径向孔15沿环周向均匀分布；
一种四底三腔喷注器，三腔主要包括燃气腔、氧化剂腔、燃料腔，三腔从上到下依次分布；氧化剂腔在中间，从而可以保证氧化剂喷嘴长度较短，避免氧化剂喷嘴受到燃气高速热冲击造成的断裂问题。喷注器的各部分零组件间可以通过增材制造等技术一体加工，或是通过氩弧焊或电子束焊等方式连接为一体。
如图2所示，氧化剂斜径向孔14入口所在端面为垂直于孔的平台结构且入口设置倒圆角，且平台结构垂直氧化剂流动方向，进一步减小径向孔处的流阻损失。
如图3所示，多孔燃气整流栅4由7圈孔组成，其中外圈孔直径大于内圈孔直径。3圈外圈孔的直径均大于其余内圈孔直径，且3圈外圈孔沿径向的长度要不小于燃气头腔中产生的回流涡的径向宽度。
如图4所示，与氧化剂进口段11相连通的氧化剂集合器7入口区域为扩口段，即该区域出口等效宽度H3大于其入口等效宽度H2且均大于氧化剂进口段入口等效宽度H1，即H3>H2>H1；上述设计可以有效降低该区域的流体流速，减小流阻损失，且保证氧化剂集合器7内部的氧化剂流量分布尽可能均匀；与燃料进口段12相连通的燃料集合器8入口区域为扩口段，即该区域出口等效宽度H3大于其入口等效宽度H2且均大于燃料进口段入口等效宽度H1，即H3>H2>H1，上述设计可以有效降低该区域的流体流速，减小流阻损失，且保证燃料集合器8内部的燃料流量分布尽可能均匀；
导流片13和16为整体结构，设置在集合器入口区域，且保证导流片两分支圆弧与集合器入口区域圆弧同心，且保证h1≈h2≈h3(即保证导流片圆弧的起点、中点、终点到集合器入口区域圆弧的垂直宽度相差不大于0.5mm)。该结构可有效降低流阻损失，且不易产生回流涡，从而避免诱导出现燃烧不稳定性等现象；
当氧斜径向孔14或燃料径向孔15为变孔径分布时，以垂直于入口且过轴线的截面A-A为对称面，孔径变化对称分布，且正对导流片区域Q1的孔径为大孔径，导流片弧度延伸覆盖区域Q2为中孔径，其余区域Q3向远离入口方向孔径依次分布大孔径、中孔径和小孔径，且各占1/3，或区域Q3孔径由大到小逐渐减小。这可以确保集合器内部流阻损失更小，且确保集合器内流场分布更加均匀，从而保证喷嘴出口流量均匀性要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (15)

1.一种四底三腔喷注器，其特征在于：包括承力座与燃气顶盖一体件(1)、带环三底与导火管一体件(5)、带环二底(6)、氧化剂集合器(7)、燃料集合器(8)、一底(9)、喷嘴组件(10)、氧化剂进口段(11)、燃料进口段(12)；
承力座与燃气顶盖一体件(1)和带环三底与导火管一体件(5)构成燃气腔；
带环三底与导火管一体件(5)、带环二底(6)共同形成的腔体为氧化剂腔；氧化剂进口段(11)为氧化剂的入口，与氧化剂集合器(7)相连通；氧化剂进口段(11)设置导流片，将来流氧化剂分为两股分别流入氧化剂集合器(7)的两侧；
带环二底(6)、一底(9)共同形成的腔体为燃料腔；燃料进口段(12)为燃料的入口，与燃料集合器(8)相连通；燃料进口段(12)设置导流片，将来流燃料分为两股分别流入燃料集合器(8)的两侧；
带环三底与导火管一体件(5)、带环二底(6)、一底(9)上沿喷流方向安装喷嘴组件(10)；
上述燃气腔、氧化剂腔、燃料腔三腔从上到下依次分布。
2.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于：B燃气进口段(3)与A燃气进口段(2)呈180°分布，且在燃气腔内设置多孔燃气整流栅(4)。
3.根据权利要求2所述的喷注器，其特征在于：所述的多孔整流栅(4)的位置应确保多孔整流栅与三底之间形成阻尼腔，且使一阶切向振型的能量能够顺利通过喷嘴组件气路通道到达阻尼腔。
4.根据权利要求1或2所述的喷注器，其特征在于：所述的多孔燃气整流栅(4)由多圈孔组成，其中外圈孔直径大于内圈孔直径。
5.根据权利要求4所述的喷注器，其特征在于：n圈外圈孔的直径均大于其余内圈孔直径，其中n圈外圈孔沿径向的长度要不小于燃气头腔中产生的回流涡的径向宽度。
6.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于：氧化剂集合器(7)中的氧化剂通过设置在带环三底(5)上的氧化剂斜径向孔(14)进入氧化剂腔，氧化剂斜径向孔(14)入口所在端面为垂直于孔的平台结构且入口设置倒圆角。
7.根据权利要求6所述的喷注器，其特征在于：所述的平台结构垂直氧化剂流动方向。
8.根据权利要求1或6所述的喷注器，其特征在于：所述的氧化剂斜径向孔(14)为变孔径或者不变孔径。
9.根据权利要求8所述的喷注器，其特征在于：当为变孔径时，以垂直于入口且过轴线的截面A-A为对称面，孔径变化对称分布，且正对导流片区域Q1的孔径为大孔径，导流片圆弧延伸覆盖区域Q2为中孔径，其余区域Q3向远离入口方向孔径依次分布大孔径、中孔径和小孔径，且各占1/3，或区域Q3孔径由大到小逐渐减小。
10.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于：所述的氧化剂集合器(7)、燃料集合器(8)的入口区域均为扩口段，即入口区域出口等效宽度H3大于其入口等效宽度H2且均大于其进口段入口等效宽度H1，即H3>H2>H1。
11.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于：所述的导流片为整体结构。
12.根据权利要求1或11所述的喷注器，其特征在于：所述导流片两分支圆弧与集合器入口区域圆弧同心，且保证导流片圆弧的起点、中点、终点到集合器入口区域圆弧的垂直宽度相差不大于0.5mm。
13.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于：燃料集合器(8)中的燃料通过带环二底(6)上的燃料径向孔(15)进入燃料腔；所述的燃料径向孔为变孔径或者不变孔径。
14.根据权利要求13所述的喷注器，其特征在于：所述的燃料径向孔为变孔径时，以垂直于入口且过轴线的截面A-A为对称面，孔径变化对称分布，且正对导流片区域Q1的孔径为大孔径，导流片弧度延伸覆盖区域Q2为中孔径，其余区域Q3向远离入口方向孔径依次分布大孔径、中孔径和小孔径，且各占1/3，或区域Q3孔径由大到小逐渐减小。
15.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于：所述的氧化剂集合器(7)、燃料集合器(8)为环腔结构。
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