CN110805926B - 一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及火箭基组合循环发动机技术领域，公开了一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，包括主路通道和辅路通道，主路通道包括成排设置的主路喷注孔，与所有主路喷注孔连通的主路入口供油管；主路入口供油管为常开状态；辅路通道包括成排设置的辅路喷注孔，与所有辅路喷注孔连通的辅路入口供油管；主路喷注孔、辅路喷注孔设置在支板上；所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔均不相通，辅路入口供油管上设置有辅路入口膜片阀。采用双燃料通道，使不同相态的燃料分别通过双燃料通道喷注，保证在适中的系统压力下支板的供油量，适应主动冷却燃烧室出口燃油的温度、密度、压力、相态大范围变化。

Description

一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器
技术领域
本发明涉及火箭基组合循环发动机技术领域，尤其是一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器。
背景技术
火箭基组合循环(Rocket Based Combined Cycle：RBCC)发动机高飞行马赫数工作时，热流密度大，需要对燃烧室壁面采取防护措施，而采用燃料冷却燃烧室壁面是解决燃烧室热防护的有效手段，又由于RBCC发动机高马赫数飞行时燃烧室热流密度大，必须利用碳氢燃料在高温下裂解提供的化学热沉才能解决燃烧室热防护问题。
RBCC发动机在低飞行马赫数工作时，经壁面冷却后的碳氢燃料可能呈液态；若发动机系统采用冷态启动方案，由于燃烧室壁面温度低，在发动机启动时液态燃油经燃烧室壁面后可能仍为液态，热平衡后才能逐渐变为超临界态或气态；而RBCC发动机在高飞行马赫数工作时，液态碳氢燃料经燃烧室壁面吸热后变为超临界流体，经喷注器喷孔喷注后呈气态。
因此，RBCC发动机喷注器需要同时适应气态、液态甚至超临界态流体。由于支板喷注器能有效增强燃料与空气的混合和火焰稳定效果，是目前国内外RBCC发动机的常用组件。因此，适应气态、液态甚至超临界态流体的支板喷注设计成为主动冷却RBCC发动机的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，保证在发动机系统供应压力下支板供油量，适应主动冷却燃烧室出口燃油的温度、密度、压力、相态(液态、超临界态及气态等)变化。
本发明的技术解决方案是：一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，包括主路通道和辅路通道，主路通道包括成排设置的主路喷注孔，与所有主路喷注孔连通的主路入口供油管；主路入口供油管为常开状态；辅路通道包括成排设置的辅路喷注孔，与所有辅路喷注孔连通的辅路入口供油管；主路喷注孔、辅路喷注孔设置在支板上；所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔均不相通，辅路入口供油管上设置有辅路入口膜片阀，燃料吸热后逐渐转变为气态或超临界态时辅路入口膜片阀打开。
本发明采用双燃料通道，两通道分离，使不同相态的燃料通过单、双燃料通道喷注，保证在发动机系统供应压力下支板的供油量，适应主动冷却燃烧室出口燃油的温度、密度、压力、相态(液态、超临界态/气态等)大范围变化。当RBCC发动机低飞行马赫数工作或冷启动时，燃料呈液态，密度大，保证此时仅主路通道单独工作，喷注面积小，保证支板喷注的稳定性及燃料与空气的混合效果。而当RBCC发动机高飞行马赫数工作时，燃料在冷却通道内吸热后逐渐转变为气态或超临界态，喷前压力增加到一定的压力阀值时辅路入口膜片阀打开，喷孔总喷注面积增加，支板喷前压力降低，从而减轻发动机供应系统的负担和控制系统的复杂度。能够兼顾宽马赫数范围、长时间工作的RBCC发动机高效喷注、雾化或混合要求，宽范围高效稳定燃烧。
进一步地，支板为后掠支板，所有主路喷注孔均位于支板的前部楔面，所有辅路喷注孔位于支板的后部。
进一步地，所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔的喷注面积比为1.0～3.0。
进一步地，所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔的喷注面积比根据燃油雾化或混合的要求确定。
进一步地，所有主路喷注孔和所有辅路喷注孔的总喷注面积根据单个支板的燃料总流量以及燃油在冷态下、热态下的入口温度和密度确定。
进一步地，所有主路喷注孔的喷注总面积根据冷态启动下支板燃料的流量确定。
进一步地，所有辅路喷注孔的总喷注面积根据热态下支板燃料总流量、主路喷注孔与辅路喷注孔的喷注面积比确定。
进一步地，主路喷注孔的数量、孔径和喷注方式根据主路喷注总面积和冷态启动燃料流量，依据燃料混合效率要求确定。
进一步地，辅路喷注孔的数量、孔径和喷注方式根据辅路喷注总面积、热态下辅路通道分配的燃料流量、热态下燃油的密度和压力，依据燃料混合效率要求确定。
进一步地，辅路入口膜片阀的爆破压力根据燃料供应系统给出的供应压力限制确定。当燃料入口压力达到膜片阀爆破压力后，膜片阀自动破裂打开，开始辅路通道燃料供应，降低了燃油控制系统的复杂度。
通过对上述的喷注面积比、总喷注面积、主路喷注孔的数量、孔径及喷注面积、辅路喷注孔的数量、孔径及喷注面积各参数的限定，保证主路通道和辅路通道的喷注面积均能够满足系统的压力要求的情况下，使得辅路通道的辅路入口膜片阀能够在特定条件下打开，从而实现RBCC发动机在低飞行马赫数或高飞行马赫数工作不同模态下总喷注面积的变化。
本发明与现有技术相比有益效果为：
1、本发明在支板喷注器上布置有主路和辅路两个燃料通道，采用主路常开，辅路阀门控制的变喷注面积方案，通过支板喷注面积的变化保证在适中系统压力下燃料的高效喷注、雾化或混合，适应主动冷却燃烧室出口燃油的宽范围密度变化和相态变化，结构简单，易操作。
2、由于采用了辅路阀门控制的变喷注面积方案，解决了RBCC燃烧室喷注器难以适应主动冷却后燃油温度、密度、压力、相态(液态、超临界态及气态等)的大范围变化，无法兼顾宽马赫数范围、长时间工作的RBCC发动机高效喷注、雾化或混合要求，宽范围高效稳定燃烧，以及极端、恶劣工况下的可靠工作问题。
附图说明
图1是本发明的气液两相喷注的双通道支板喷注器示意图。
附图标记：1-支板，2-主路入口供油管，3-辅路入口供油管，4-辅路入口膜片阀，5-主路喷注孔，6-辅路喷注孔。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
本发明所述的“热态”是指高温燃油状态；“冷态”是指常温燃油状态。
如图1所示，本发明的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，包括主路通道和辅路通道，主路通道包括成排设置的主路喷注孔5，与所有主路喷注孔5连通的主路入口供油管2；主路入口供油管2为常开状态；辅路通道包括成排设置的辅路喷注孔6，与所有辅路喷注孔6连通的辅路入口供油管3；主路喷注孔5、辅路喷注孔6设置在支板1上；所有主路喷注孔5与所有辅路喷注孔6均不相通，辅路入口供油管3上设置有辅路入口膜片阀4，燃料吸热后逐渐转变为气态或超临界态时辅路入口膜片阀4打开。辅路燃料的路径为：辅路入口膜片阀4-辅路入口供油管3-辅路喷注孔6；主路燃料的路径为：主路入口供油管2-主路喷注孔5。本发明采用主路常开，辅路阀门控制的变喷注面积方案，通过支板喷注面积变化保证在适中系统压力下燃料的高效喷注、雾化或混合，适应主动冷却燃烧室出口燃油的宽范围密度变化和相态变化。
本发明采用双燃料通道，两通道分离，使不同相态的燃料分别通过双燃料通道喷注，保证在发动机的系统供应压力下支板的供油量，适应主动冷却燃烧室出口燃油的温度、密度、压力、相态(液态超临界态/气态等)大范围变化。当RBCC发动机低飞行马赫数工作或冷启动时，燃料呈液态，密度大，保证此时仅主路通道单独工作，喷注面积小，保证支板喷注的稳定性及燃料与空气的混合效果。而当RBCC发动机高飞行马赫数工作时，燃料在冷却通道内吸热后逐渐转变为气态或超临界态，喷前压力增加到一定的压力阀值时辅路入口膜片阀4打开，喷孔总喷注面积增加，支板的喷前压力降低，从而减轻发动机供应系统的负担和控制系统的复杂度。能够兼顾宽马赫数范围、长时间工作的RBCC发动机高效喷注、雾化或混合要求，宽范围高效稳定燃烧。
本实施例给出的是一种双通道后掠支板结构。具体的，支板1的结构形式依据燃烧组织设计确定，结构形式包括支板外形结构、后掠角度，所有主路喷注孔5均位于支板1的前部楔面，所有辅路喷注孔6位于支板1的后部。
本发明的支板1各结构参数通过下述步骤确定：
(1)根据燃烧室设计结果得到的单个支板燃料流量和燃油在热态下的入口温度和密度，确定冷态和热态下的喷注总面积；
(2)根据燃油雾化或混合的要求，确定所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔喷注面积比；
(3)根据喷注总面积、所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔喷注面积比，分别确定所有主路喷注孔和所有辅路喷注孔的喷注面积；
(4)根据所有主路喷注孔的喷注总面积和冷态启动燃料流量，依据燃料混合效率要求，确定主路喷注孔的喷孔数量、孔径和喷注方式；
(5)根据所有辅路喷注孔的喷注面积、热态下辅路通道分配的燃料流量、热态下燃油的密度和压力，依据燃料高效混合要求，确定辅路的喷孔数量、孔径和喷注方式；
(6)根据燃料供应系统给出的供应压力限制，确定辅路入口膜片阀的爆破压力。
实施例1：
针对工作范围为Ma(0～8)的RBCC发动机的燃烧室的后掠角度为30°的三角形后掠支板各参数：
(1)根据燃烧室设计结果得到单个支板燃料流量和燃油在冷态和热态下的入口温度和密度，确定热态下的喷注总面积为5.8875mm2。
(2)根据燃油混合效率的要求，确定所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔喷注面积比为3.63；
(3)根据喷注总面积、所有主路喷注孔与所有辅路喷注孔喷注面积比，确定所有主路喷注孔的总喷注面积为4.6158mm2，所有辅路喷注孔的总喷注面积为1.2717mm2。
(4)根据所有主路喷注孔的总喷注面积和冷态启动燃料流量，依据燃料混合效率要求，确定主路采用12个喷孔直喷方式的主路喷注孔，其孔径为0.7mm；
(5)根据辅路喷注孔的总喷注面积、热态下辅路通道分配的燃料流量、热态下燃油的密度和压力，依据燃料高效混合要求，确定辅路采用8个喷孔直喷方式的辅路喷注孔，其孔径为0.45mm；
(6)根据燃料供应系统给出的供应压力限制，确定辅路入口膜片阀的爆破压力为4.2MPa。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：包括主路通道和辅路通道，所述主路通道包括成排设置的主路喷注孔(5)，与所有所述主路喷注孔(5)连通的主路入口供油管(2)；所述主路入口供油管(2)为常开状态；所述辅路通道包括成排设置的辅路喷注孔(6)，与所有所述辅路喷注孔(6)连通的辅路入口供油管(3)；所述主路喷注孔(5)、辅路喷注孔(6)设置在支板(1)上；所有所述主路喷注孔(5)与所有所述辅路喷注孔(6)均不相通，所述辅路入口供油管(3)上设置有辅路入口膜片阀(4)；
所有所述主路喷注孔(5)的喷注总面积根据冷态启动下支板(1)燃料的流量确定；
采用双燃料通道，两通道分离，使不同相态的燃料通过单、双燃料通道喷注，保证在发动机系统供应压力下支板的供油量，适应主动冷却燃烧室出口燃油的温度、密度、压力、相态的变化。
2.根据权利要求1所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所有所述主路喷注孔(5)均位于支板(1)的前部楔面，所有所述辅路喷注孔(6)位于支板(1)的后部。
3.根据权利要求1或2所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所有所述主路喷注孔(5)与所有所述辅路喷注孔(6)的喷注面积比为1.0～3.0。
4.根据权利要求3所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所有所述主路喷注孔(5)与所有所述辅路喷注孔(6)的喷注面积比根据燃油混合效率的要求确定。
5.根据权利要求4所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所有所述主路喷注孔(5)和所有所述辅路喷注孔(6)的总喷注面积根据单个支板的燃料总流量以及燃油在冷态下、热态下的入口温度和密度确定。
6.根据权利要求5所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所有所述辅路喷注孔(6)的总喷注面积根据热态下支板(1)燃料总流量、主路喷注孔(5)与辅路喷注孔(6)的喷注面积比确定。
7.根据权利要求1所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所述主路喷注孔(5)的数量、孔径和喷注方式根据主路喷注总面积和冷态启动燃料流量，依据燃料混合效率要求确定。
8.根据权利要求6所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所述辅路喷注孔(6)的数量、孔径和喷注方式根据辅路喷注总面积、热态下辅路通道分配的燃料流量、热态下燃油的密度和压力，依据燃料混合效率要求确定。
9.根据权利要求3所述的一种适应气液两相喷注的双通道支板喷注器，其特征在于：所述辅路入口膜片阀(4)的爆破压力根据燃料供应系统给出的供应压力限制确定。
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