CN111997782A - 一种旋流式微型气氢气氧推力器结构 - Google Patents

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Abstract

一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，包括：氢气管、氧气管、点火器、点火器底座、喷管、燃烧室、旋流器、喷注器。喷注器、旋流器、燃烧室和喷管依次连接，旋流器右端面开设有沉槽，沉槽用于使从氧气流道喷出的氧气起旋形成初始旋流场，且本发明旋流比的取值范围为0.6～1.2。本发明通过结构设计及流场组织，使氧燃在喷注后可实现快速混合，保证燃烧稳定进行；并借助氧气流动形成的旋流场对燃烧室壁面进行有效冷却，保证推力器安全工作。

Description

一种旋流式微型气氢气氧推力器结构
技术领域
本发明涉及一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，属于推力器技术领域。
背景技术
水基推进系统(water-based propulsion)具有高比冲、无污染、与空间生保系统兼容良好等优点，是空间推进技术研究领域的前沿和热点，具有巨大发展潜力。在采用水基推进技术的微纳星系统中，小(微)型气氢气氧推力器是重要的动力装置。其设计涉及微小尺度燃烧及高温条件下的结构热防护等关键问题，但相关研究成果有限，尚难支撑各类技术需求。
在典型的微纳星在轨应用场景中，小(微)型推力器使用的气氢气氧全部来自于水的在线电解，因此氧(化剂)燃(料)混合比始终处于化学当量条件下。这导致推力器在当量燃烧形成的高温环境下长时间工作，给推力器的热防护及相关结构设计带来巨大挑战。
另一方面，小(微)型推力器的输出功率低，氧燃流量小，如何在空间有限的推力室中实现快速混合，保证微小尺度燃烧的稳定性，也是推力器设计的关键。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对微型气氢气氧推力器的现有技术缺陷，本发明提出了一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，可同时实现旋流冷却及旋流稳燃的推力器结构。通过结构设计及流场组织，使氧燃在喷注后可实现快速混合，保证燃烧稳定进行；并借助氧气流动形成的旋流场对燃烧室壁面进行有效冷却，保证推力器安全工作。
本发明的技术方案是：
一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，包括：氢气管、氧气管、点火器、点火器底座、喷管、燃烧室、旋流器、喷注器；
喷注器、旋流器、燃烧室和喷管依次连接；
点火器通过点火器底座固定连接喷注器，点火器底座内设置有点火通道，点火通道与喷注器内腔连通，且点火通道的轴线垂直于喷注器的轴线；
喷注器的侧壁固定连接氧气管，氧气管的轴线和喷注器的互相垂直，氧气管和喷注器的内腔连通用于喷注氧气；
喷注器的端面开有通孔，氢气管穿过喷注器端面的通孔插入旋流器；
旋流器朝向喷注器的一端作为左端面，旋流器朝向燃烧室的一侧端作为右端面，旋流器右端面开设有沉槽，所述沉槽的截面为中心对称图形；
旋流器沉槽的底面开有周向均布的通孔，作为氧气流道；周向均布有四个通孔；
所述沉槽用于使从氧气流道喷出的氧气起旋形成初始旋流场；
旋流器沿轴线开设有阶梯轴，所述阶梯轴由左端面至右端面依次为光孔、锥孔、细孔；旋流器细孔的内径为1mm，细孔的轴向长度为0.5mm；
旋流器锥孔的开口方向朝向旋流器的左端面；旋流器锥孔的锥角为120°。
氢气管插入旋流器的光孔，旋流器光孔的内径与氢气管的外壁配合；
点火器中心与旋流器出口截面的距离为8～12mm，即点火通道的轴线与旋流器右端面的轴向距离的取值范围为8～12mm，燃烧室的内径
Figure BDA0002601021100000021
不大于15mm；
喷管内为阶梯孔，所述阶梯孔沿气流流动方向依次为：通孔段、锥孔段、小孔段和放大段；
喷管的通孔段的内径等于燃烧室的内径
Figure BDA0002601021100000022
喷管锥孔段的开口朝向燃烧室一侧；喷管通孔段的轴向长度为3mm。
喷管小孔段的轴向长度为1.5mm。
喷管的放大段为锥孔，喷管的放大段的开口与喷管锥孔段的开口方向相反。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明通过调节氧燃喷注速度比即可形成不同旋流数水平的涡流场，并诱导涡破碎现象，增强氧燃混合，稳定燃烧。通常，旋流燃烧装置要实现旋流数的精确调控，都要借助较为复杂的结构设计(如不同原理的旋流器、旋流叶片等)。但本发明仅依靠简明的结构设计即可实现这一点，不仅加工难度大大降低，发动机工作适应性也随之提高。
2)本发明基于高温旋流特有的径向温度分离效应，巧妙利用外围温度较低的气流冷却燃烧室内壁面，从而实现可靠的发动机热防护。这也得益于微型发动机的尺寸优势，即相较于常规尺寸发动机，其比表面积(内壁面总面积/燃烧室总体积)显著增大。这有利于旋流产生更显著的径向温度分离效应。本发明将这两点结合起来，实现旋流冷却的功能设计，是关键的创新点。
附图说明
图1为为本发明结构示意图；
图2为本发明轴向剖视图；
图3为图1的A向视图；
图4为图1的B向视图；
图5(a)为点火器底座剖视图；
图5(b)为图5(a)的俯视图；
图6为喷管剖视图；
图7为燃烧室剖视图；
图8(a)为旋流器剖视图；
图8(b)为旋流器轴向视图；
图8(c)为旋流器输出端面轴侧图；
图9为喷注器剖视图。
具体实施方式
推力器工作时，氢气从端部中心的燃路喷注器沿轴向喷入；氧气从端部壁面处沿切向喷入，在燃烧室中形成初始涡流场。氢氧在燃路喷注器出口附近完成混合，经由电火花点火后开始燃烧，在中心形成高温区。燃烧产生的高温产物气流经由喷管喷出，产生推力。
本发明的技术特点如下：
1)氧燃快速混合
通过调节氧燃的喷注速度比，可形成不同旋流数(swirl number)水平的涡流场。当无量纲旋流数处于0.6～1.2时，涡破碎(vortex breakdown)现象出现，中心负压区形成。轴向逆压梯度(axial reversed pressure-gradient)驱动下游外围的新鲜氧气回流至上游中心区域，与新鲜氢气混合，极大提高氧燃混合速率。
2)旋流冷却
氧气在喷入推力室前，在旋流器内起旋，形成初始旋流场。氧气旋流在进入燃烧室后，贴近内壁面的部分与燃烧室发生对流换热，冷却燃烧室壁面。靠近中心区域的部分则与中心供入的氢气充分混合，形成旋流燃烧。旋流燃烧的离心分离效应会使密度更大(温度更低)的组分始终处于流动的外围，使燃烧室径向形成自内向外温度逐渐降低的梯度，从而实现对燃烧室内壁的有效冷却。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，包括：氢气管1、氧气管2、点火器3、点火器底座4、喷管5、燃烧室6、旋流器7、喷注器8。图3为图1的A向视图，图4为图1的B向视图。
喷注器8、旋流器7、燃烧室6和喷管5依次连接；
如图2和图5(a)所示，点火器3通过点火器底座4固定连接喷注器8，点火器底座4内设置有点火通道，点火通道与喷注器8内腔连通，且点火通道的轴线垂直于喷注器8的轴线。图5(b)为图5(a)的俯视图。
喷注器8的侧壁固定连接氧气管2，氧气管2的轴线和喷注器8的互相垂直，氧气管2和喷注器8的内腔连通用于喷注氧气。
如图9所示，喷注器8的端面开有通孔，氢气管1穿过喷注器8端面的通孔插入旋流器7；
定义旋流器7朝向喷注器8的一端作为左端面，旋流器7朝向燃烧室6的一侧端作为右端面。如图8(b)和图8(c)所示，旋流器7右端面开设有沉槽，所述沉槽的截面为中心对称图形；
旋流器7沉槽的底面开有周向均布的通孔，作为氧气流道；沉槽用于使从氧气流道喷出的氧气起旋形成初始旋流场。
本发明实施例中旋流器7沉槽的底面周向均布有四个通孔，如图8(b)所示，沉槽的侧壁形成内切圆，内切圆的直径和燃烧室6的内径尺寸配合。
如图8(a)所示，旋流器7沿轴线开设有阶梯轴，所述阶梯轴由左端面至右端面依次为光孔、锥孔、细孔；本发明实施例中旋流器7细孔的内径为1mm，细孔的轴向长度为0.5mm。
旋流器7锥孔的开口方向朝向旋流器7的左端面；本发明实施例中旋流器7锥孔的锥角为120°。
氢气管1插入旋流器7的光孔，旋流器7光孔的内径与氢气管1的外壁配合，氢气管1和旋流器7的连接部分焊接处理。
本发明实施例中点火器3中心与旋流器7出口截面的距离为8～12mm，即点火通道的轴线与旋流器7右端面的轴向距离的取值范围为8～12mm，燃烧室6的内径
Figure BDA0002601021100000051
不大于15mm。
如图6所示，喷管5内为阶梯孔，所述阶梯孔沿气流流动方向(即高温燃气流动方向)依次为：通孔段、锥孔段、小孔段和放大段；
如图7所示，喷管5的通孔段的内径等于燃烧室6的内径
Figure BDA0002601021100000052
喷管5锥孔段的开口朝向燃烧室6一侧，本发明实施例中喷管5通孔段的轴向长度为3mm，喷管5小孔段的轴向长度为1.5mm。
喷管5的放大段为锥孔，喷管5的放大段的开口与喷管5锥孔段的开口方向相反；
喷管5的管扩张比取值范围为1：100～225，喷管5放大段的大径端内径取值范围为燃烧室6内径的10～15倍。
本发明旋流比的取值范围为0.6～1.2；旋流比为气氢供气入口和气氧供气入口的速度之比。在保持流量不变的前提下，可通过调整进气管直径来实现不同的气氢气氧入口流速配比。具体的，氧气管2入口和氢气管1入口的气体流速之比的取值范围为0.6～1.2。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，包括：氢气管(1)、氧气管(2)、点火器(3)、点火器底座(4)、喷管(5)、燃烧室(6)、旋流器(7)、喷注器(8)；
喷注器(8)、旋流器(7)、燃烧室(6)和喷管(5)依次连接；
点火器(3)通过点火器底座(4)固定连接喷注器(8)，点火器底座(4)内设置有点火通道，点火通道与喷注器(8)内腔连通，且点火通道的轴线垂直于喷注器(8)的轴线；
喷注器(8)的侧壁固定连接氧气管(2)，氧气管(2)的轴线和喷注器(8)的互相垂直，氧气管(2)和喷注器(8)的内腔连通用于喷注氧气；
喷注器(8)的端面开有通孔，氢气管(1)穿过喷注器(8)端面的通孔插入旋流器(7)；
旋流器(7)朝向喷注器(8)的一端作为左端面，旋流器(7)朝向燃烧室(6)的一侧端作为右端面，旋流器(7)右端面开设有沉槽，所述沉槽的截面为中心对称图形；
旋流器(7)沉槽的底面开有周向均布的通孔，作为氧气流道；
所述沉槽用于使从氧气流道喷出的氧气起旋形成初始旋流场；
旋流器(7)沿轴线开设有阶梯轴，所述阶梯轴由左端面至右端面依次为光孔、锥孔、细孔；
旋流器(7)锥孔的开口方向朝向旋流器(7)的左端面；
氢气管(1)插入旋流器(7)的光孔，旋流器(7)光孔的内径与氢气管(1)的外壁配合；
喷管(5)内为阶梯孔，所述阶梯孔沿气流流动方向依次为：通孔段、锥孔段、小孔段和放大段；
喷管(5)的通孔段的内径等于燃烧室(6)的内径
Figure FDA0002601021090000011
喷管(5)锥孔段的开口朝向燃烧室(6)一侧；
喷管(5)的放大段为锥孔，喷管(5)的放大段的开口与喷管(5)锥孔段的开口方向相反。
2.根据权利要求1述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，喷管(5)的管扩张比取值范围为1：100～225。
3.根据权利要求1述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，喷管(5)放大段的大径端内径取值范围为燃烧室(6)内径的10～15倍。
4.根据权利要求1所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，燃烧室(6)的内径
Figure FDA0002601021090000021
不大于15mm。
5.根据权利要求4所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，点火通道的轴线与旋流器(7)右端面的轴向距离的取值范围为8～12mm。
6.根据权利要求1～5任意之一所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，旋流器(7)锥孔的锥角为120°，旋流器(7)细孔的内径为1mm，细孔的轴向长度为0.5mm。
7.根据权利要求6所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，旋流器(7)沉槽的底面周向均布有四个通孔。
8.根据权利要求7所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，喷管(5)通孔段的轴向长度为3mm，喷管(5)小孔段的轴向长度为1.5mm。
9.根据权利要求8所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，氢气管(1)和旋流器(7)的连接部分焊接处理。
10.根据权利要求1～5任意之一所述的一种旋流式微型气氢气氧推力器结构，其特征在于，氧气管(2)入口和氢气管(1)入口的气体流速之比的取值范围为0.6～1.2。
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