CN109595096A - 一种喷注器声腔热防护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种喷注器声腔热防护装置，包括边区冷却孔和冷却剂自击对，边区冷却孔位于相邻声腔孔之间，周向单圈等间距排列；冷却剂自击对由冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔组成，冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔布置在声腔孔内侧，相同流体介质等孔径设计，周向单圈等间距排列，实现声腔结构的热防护。本发明克服了大推力高室压轨控发动机燃烧过程中喷注器边区燃气回流、声腔烧蚀的问题，改善喷注器结构热防护效果，提高发动机工作可靠性和寿命。

Description

一种喷注器声腔热防护装置
技术领域
本发明属于液体火箭发动机领域，具体涉及一种用于大推力高室压轨控发动机的喷注器声腔热防护装置。
背景技术
高室压发动机工作过程中，边区的冷却剂圆柱射流与高密度燃气介质发生剧烈气动力作用，引起喷注器边区的低流强区域高温燃气回流，导致声腔结构烧蚀和抑制高频不稳定燃烧功能失效，因此采用合理的声腔热防护方法非常重要。
目前，高室压姿控小推力发动机和常规室压轨控大推力发动机的喷注器技术已经比较成熟，工程上建立了比较完善的设计准则和测试筛选方法。其中，小推力发动机不易发生燃烧不稳定现象，通常不需要设计声腔结构，常规室压发动机边区冷却射流对燃气作用较小，燃气热流密度低，声腔烧蚀不明显，发动机高性能、热防护和高可靠性要求易满足。
由于大推力高室压轨控发动机抑制一阶切向高频不稳定燃烧需要在喷注面周围布置声腔孔，声腔开口面积约为喷注面积的10％～12％，导致边区低流强区域和冷却孔间距较大。燃气回流带来的高密度热流容易造成喷注器面板过热和声腔结构烧蚀，现有的喷注器设计无法满足热防护要求，所以克服以上问题是设计声腔热防护方法的关键。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种适用于大推力高室压轨控发动机的喷注器声腔热防护装置，以适应高温燃气回流的恶劣工况，显著提高结构可靠性和发动机寿命。。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种喷注器声腔热防护装置，包括边区冷却孔和冷却剂自击对，边区冷却孔位于相邻声腔孔之间，周向单圈等间距排列；冷却剂自击对位于声腔孔内侧，周向单圈等间距排列，实现声腔结构的热防护。
进一步地，所述的边区冷却孔为圆直孔结构，冷却孔的孔径和入射角由工程设计经验或者发动机热试车考核给出。
进一步地，所述的冷却剂自击对由冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔组成，冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔布置在声腔孔内侧，相同流体介质等孔径设计；撞击形成的液扇合成动量角通过下式由自击对两孔入射角计算得到：
θ4＝(θ41+θ42)/2；
其中：θ4为液扇合成动量角，θ41、θ42分别为冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔的入射角。
进一步地，自击冷却剂射流撞击点O位于声腔孔内侧，通过冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔位置入射角θ41、θ42调整，由冷流试验或者数值仿真计算优化。
进一步地，液扇张角可以通过射流速度或者喷注压降调整，由冷流试验或者数值仿真计算优化。
进一步地，液扇中雾化液滴的位置和分布范围由射流撞击点O和液扇张角确定，要求可以完全覆盖声腔孔开口区域，不干涉边区射流，不影响液膜形态和边区冷却。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
克服了大推力高室压轨控发动机燃烧过程中喷注器边区燃气回流、声腔烧蚀的问题，改善喷注器结构热防护效果，提高发动机工作可靠性和寿命。
附图说明
图1为本发明所述的一种喷注器声腔热防护装置示意图；
图2为喷注器边区冷却孔剖视图；
图3为喷注器冷却剂自击对剖视图；
图中：1-喷注器喷注面，2-声腔孔，3-边区冷却孔，4-冷却剂自击对，41-冷却剂自击对外圈喷注孔，42-冷却剂自击对内圈喷注孔，5-中心区氧燃互击对。
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。
如图1所示，用于大推力高室压轨控发动机的喷注器声腔热防护装置，包括边区冷却孔3和冷却剂自击对4，布置于喷注面边区，靠近燃烧室壁面区域，周向单圈等间距排列。
如图2所示，边区冷却孔3为圆直孔结构，布置于相邻声腔孔之间，边区冷却液膜隔绝燃气对燃烧室壁面的传热和下游喉部的热返浸，将喷注器和焊缝温度控制在较低水平，冷却孔的孔径d3和入射角θ3由工程设计经验或者发动机热试车考核给出。
如图3所示，冷却剂自击对4由冷却剂自击对外圈喷注孔41和冷却剂自击对内圈喷注孔42组成，布置在声腔孔内侧，通过射流撞击雾化形成液扇，雾化液滴和冷却剂蒸汽填充声腔附近的低流强区域，隔离下游高温燃气，实现声腔结构的热防护，撞击形成的液扇合成动量角θ4由自击对孔径d41、d42和入射角θ41、θ42计算得到。
式中：ρ、分别为通过自击对圆直孔的流体介质密度和质量流量，下角标41、42分别为自击对内、外圈两孔.
冷却剂自击对内、外圈两孔均为同种流体介质，即燃料。
ρ41＝ρ42＝ρf (2)
为增强液扇雾化效果和更容易控制液扇形态分布，采用冷却剂自击对内、外圈两孔采用等孔径设计。
d41＝d42 (3)
其中，d41为冷却剂自击对外圈喷注孔41的直径；d42为冷却剂自击对内圈喷注孔42的直径。
由于两孔孔径和压降相同，得到冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔的质量流量相同。
将式(2)、(3)、(4)代入式(1)，液扇合成动量角θ4可以仅由冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔的入射角θ41、θ42表示。
θ4＝(θ41+θ42)/2 (5)
自击冷却剂射流撞击点O位于声腔孔内侧，可以通过冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔位置和入射角θ41、θ42调整，由冷流试验或者数值仿真计算优化。
液扇张角可以通过射流速度或者喷注压降调整，由冷流试验或者数值仿真计算优化。
液扇中雾化液滴的位置和分布范围由射流撞击点O和液扇张角确定，要求可以完全覆盖声腔孔开口区域，不干涉边区射流，不影响液膜形态和边区冷却。
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)

1.一种喷注器声腔热防护装置，包括边区冷却孔(3)和冷却剂自击对(4)，其特征在于：边区冷却孔(3)位于相邻声腔孔之间，周向单圈等间距排列；冷却剂自击对(4)位于声腔孔内侧，周向单圈等间距排列，实现声腔结构的热防护。
2.根据权利要求1所述一种喷注器声腔热防护装置，其特征在于，所述的边区冷却孔(3)为圆直孔结构，冷却孔的孔径和入射角由工程设计经验或者发动机热试车考核给出。
3.根据权利要求1所述一种喷注器声腔热防护装置，其特征在于，所述的冷却剂自击对(4)由冷却剂自击对外圈喷注孔(41)和冷却剂自击对内圈喷注孔(42)组成，冷却剂自击对外圈喷注孔(41)和冷却剂自击对内圈喷注孔(42)布置在声腔孔内侧，相同流体介质等孔径设计；撞击形成的液扇合成动量角通过下式由自击对两孔入射角计算得到：
θ4＝(θ41+θ42)/2；
其中：θ4为液扇合成动量角，θ41、θ42分别为冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔的入射角。
4.根据权利要求1所述一种喷注器声腔热防护装置，其特征在于，自击冷却剂射流撞击点O位于声腔孔内侧，通过冷却剂自击对外圈喷注孔和冷却剂自击对内圈喷注孔位置入射角θ41、θ42调整，由冷流试验或者数值仿真计算优化。
5.根据权利要求1所述一种喷注器声腔热防护装置，其特征在于，液扇张角可以通过射流速度或者喷注压降调整，由冷流试验或者数值仿真计算优化。
6.根据权利要求1所述一种喷注器声腔热防护装置，其特征在于，液扇中雾化液滴的位置和分布范围由射流撞击点O和液扇张角确定，要求可以完全覆盖声腔孔开口区域，不干涉边区射流，不影响液膜形态和边区冷却。
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