CN112253333B - 一种具有均流功能的集合器入口导流结构 - Google Patents

Abstract

一种具有均流功能的集合器入口导流结构，在发动机头部的氢集合器入口处固定安装导流片作为导流结构。导流片固定连接在过滤网和集合器入口之间，且，导流片的高度高于过滤网，从而保护位于集合器入口附近的过滤网；导流片为弧形凸台，弧形凸台的径向截面为楔形；导流片的覆盖弧度α大于集合器入口的覆盖弧度β；导流片的底部与氢集合器固定连接；导流片的内壁和外壁均向内倾斜；导流片弧形凸台的两端设计有斜切面，以实现导流片影响区与没有导流片区域流场的平滑过渡。本发明可用于氢氧火箭发动机头部氢入口集合器，解决入口正对外圈喷嘴烧蚀问题和气流高通量区过滤网易于破损的问题。

Description

一种具有均流功能的集合器入口导流结构

技术领域

本发明涉及一种具有均流功能的集合器入口导流结构，属于导流结构技术领域。

背景技术

氢氧火箭发动机以液氢、液氧作为推进剂，具有高比冲、无污染等优点，是当今世界上面级发动机、深空探测器等采用的主流推进技术之一。氢氧火箭发动机工作时，燃料氢和氧化剂液氧分别经氢头腔和氧头腔分配至喷嘴，氢、氧在喷嘴出口区域混合后燃烧将化学能转化为热能和压力势能，进而将燃烧产物经过喉部和喷管挤压排出产生推力。

对于膨胀循环发动机氢燃料经过身部换热后需先进入涡轮泵推动涡轮做功后再进入头腔，因此多设有轮胎形氢集合器并设置一到两个集中入口。现役氢氧火箭发动机头部多配备上百、甚至几百个喷嘴，头腔氢喷嘴流量分配的均匀性直接影响氢喷嘴抗烧蚀能力、燃烧室内的燃烧状态、发动机性能稳定性等。但是由于氢头腔多位于氧头腔和燃烧室之间，空间狭小难以采用均流板等措施进行均流设计。另外，对于设有集中入口的氢集合器，集合器内的流动不均匀性更增加了氢喷嘴流量均匀性设计的困难。

以往研制经验还表明，设有集中入口的氢集合器入口高流速区的过滤网易于出现破损现象。分析发现入口高速气流冲刷、变工况正反交变应力拉扯导致疲劳断裂是入口区过滤网易于破损的主要原因。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种具有均流功能的集合器入口导流结构，可用于氢氧火箭发动机头部氢集合器均流分配，解决高速流体直接吹袭造成入口正对的外圈氢喷嘴流量偏低易于烧蚀的问题。亦可起到保护入口附近过滤网的作用，防止高速气流冲击导致破损。本发明还可以推广应用到氢氧火箭发动机和其他液体火箭发动机有均流设计需求、设置集中入口的其它集合器中。

本发明的技术方案是：

一种具有均流功能的集合器入口导流结构，在发动机头部的氢集合器入口处固定安装导流片作为导流结构；

导流片固定连接在过滤网和集合器入口之间，且，导流片的高度高于过滤网，从而保护位于集合器入口附近的过滤网，并减小高速主流对正对集合器入口的径向孔及氢环缝流量均匀性的不利影响；

导流片为弧形凸台，弧形凸台的径向截面为楔形；导流片的弧度α大于集合器入口的的覆盖弧度β；

导流片的底部与氢集合器固定连接；

导流片的内壁和外壁均向内倾斜；

导流片弧形凸台的两端设计有斜切面。

所述导流片的覆盖弧度α大于所述氢集合器入口的的覆盖弧度β。

α/β的取值范围为3～5。

所述导流片的高度大于所述过滤网的高度。

所述斜切面起始位置位于集合器入口所覆盖角度范围外侧，斜切面的末端高度h取值范围为1.5～3mm。

所述导流片斜切面与导流片底面夹角ψ的取值范围为5～10°。

所述导流片朝向集合器入口一侧的壁面与发动机头部轴线夹角θ，作为导流面。

所述夹角θ的取值范围为30°～60°。

所述导流片与氢集合器焊接成一体结构，或导流片与氢集合器采用3D打印、造工艺加工成一体结构。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明导流片设计为弧形凸台，其覆盖弧度α大于所述氢集合器入口的覆盖弧度β，α：β＝3～5：1，以确保入口附近高流速区的喷嘴和过滤网都得到保护。

2)本发明导流片顶部高于所述过滤网最高点，可避免入口气流直接吹袭所述过滤网及其背面的环径向孔，可减小入口高速气流对入口正对氢环缝内氢流量的影响，同时也保护了入口正对的过滤网。

3)本发明导流片正对入口面与头部轴线夹角θ小于60°，一方面保证被导流片遮挡导向部分的入口气流方向有一个向上与水平线夹角大于30°确保本身不会直接吹向过滤网，另一方面，被导向折向轴线上方的气流还可形成气帘，具有防止未遮挡部分入口气流斜插吹袭的功能。

4)本发明导流片正对集合器入口面与发动机头部轴线夹角θ大于30°，可实现被导流片遮挡导向部分的入口气流方向有一个向上的角度，气流与水平线夹角小于60°，有助于控制导流片附加流阻损失。

5)本发明导流片两端设计了高度逐件降低的斜切面，实现导流片的作用由高速区向低速区的平滑过渡，可避免断面突变对两端流动均匀性产生不利影响。

6)本发明斜切面，斜切面与水平面夹角ψ，ψ＝5～10°，其功能是保持高度渐变段的顶面导流作用。

7)本发明斜切面起始位置位于集合器入口氢集合器所覆盖角度范围外侧，其末端高度h取值1.5～3mm，能够保证末端零件具有一定刚度和强度即可，尽可能与没有导流片区域实现平滑过渡。

8)本发明导流片底部截面为圆弧结构，其半径R与集合器截面半径相等，便于安装贴合进行焊接。

9)本发明导流片可采用焊接方法与氢集合器形成组件，亦可采用3D打印、铸造等工艺进行一体加工成型，再进行头部后续焊接等，对氢集合器外形尺寸没有影响，具有均流效果好、结构简单、工艺难度小等优点。

附图说明

图1为一种具有均流功能的集合器入口导流结构图；

图2为图1的轴向示意图；

图3为本发明导流片结构示意图。

其中：1为集合器入口；2为氢集合器；3为导流片；4为过滤网；5为二底；6为径向孔；7为喷注器面板；8为氢喷前腔；9为氧喷嘴；10为氢环缝；11为燃烧室；12为斜切面。

具体实施方式

本发明是一种具有均流功能的集合器入口导流结构，一方面避免集中入口高速气流直接吹袭正对的径向孔，从而解决入口正对的外圈喷嘴由于头腔流速高、静压低导致氢流量偏低易于烧蚀的问题；另一方面，集合器内流动周向分布更均匀，可进一步提高氢头腔内所有氢流量分配的均匀性，增强了喷注器整体抗烧蚀的能力。导流结构还遮挡大部分入口气流，避免其直接吹袭入口区过滤网导致压差负荷集中于气流高通量区，有助于提高过滤网在发动机工作过程中的疲劳寿命。

如图1所示，氢气经集合器入口1进入氢集合器2内，然后流经导流片3和过滤网4，通过二底5上的若干个径向孔6进入二底5和喷注器面板7间形成的氢喷前腔8，之后自若干个氧喷嘴9和喷注器面板7间形成的氢环缝10喷入燃烧室中，氢气与若干个氧喷嘴9喷出的氧气在燃烧室11内雾化、混合、燃烧。

本发明一种具有均流功能的集合器入口导流结构，在发动机头部氢集合器2入口处设计导流结构——导流片3作为导流结构。导流片3固定连接在过滤网4和集合器入口1之间，且，导流片3的高度高于过滤网4，从而保护位于集合器入口1附近的过滤网4。并减小高速主流对正对集合器入口1的径向孔6及氢环缝10流量均匀性的不利影响；

导流片3为弧形凸台，弧形凸台的径向截面为楔形；导流片3的覆盖弧度α大于集合器入口1的覆盖弧度β；导流片3的底部与氢集合器2固定连接；导流片3的内壁和外壁均向内倾斜；导流片3弧形凸台的两端设计有斜切面12。

如图2所示，导流片3的覆盖弧度α大于所述集合器入口1的覆盖弧度β。α/β的取值范围为3～5，以确保入口附近高流速区的喷嘴和过滤网都得到保护。

所述导流片3的高度大于所述过滤网4的高度，可避免入口气流直接吹袭所述过滤网4及其背面的径向孔6，可减小入口高速气流对入口正对氢环缝10流量的影响，同时也保护了入口正对的过滤网4。

图3中B-B为径向横截面剖视图，A为斜切面局部放大视图，斜切面12起始位置位于集合器入口1所覆盖角度范围外侧，斜切面12的末端高度h取值范围为1.5～3mm。能够保证末端零件具有一定刚度和强度即可，尽可能与没有导流片区域实现平滑过渡。所述斜切面12夹角ψ一般为5～10°。

所述导流片3朝向集合器入口1一侧的壁面与发动机头部轴线夹角θ，作为导流面，确保吹袭导流片的气流被导流片引导形成向上的角度不直接吹袭过滤网4和径向孔6，同时形成气帘有防止未被遮挡区域气体斜插吹袭的功能。所述夹角θ的取值范围为30°～60°。

所述导流片3与氢集合器2焊接成一体结构，或导流片3与氢集合器2采用3D打印、铸造等工艺加工成一体结构。所述导流片3底部截面为圆弧结构，其半径R与集合器截面半径相等，便于安装贴合进行焊接。

集合器入口1流入的燃料氢经过导流片3的导流作用，大部沿着周向流向集合器的远端，少量燃料在入口向上呈一定角度的气帘干扰下沿着集合器上部绕道流向正对入口处的径向孔6，可实现控制入口正对径向孔流速的目标。

随着氢集合器2内主流沿着周向流动其径向速度分量逐步减小，需要逐步减小导流片在径向的导流保护作用，因而在导流片两端设置了斜切面12。

当覆盖弧度α大于90度时，在氢集合器2和导流片3的共同作用下，氢集合器2内主流径向速度分量已经很小，已不再需要导流片对径向流动进行干预，因此导流片的覆盖弧度α一般不大于120度。

按照上述具体实施方式，对发动机头部氢集合器2入口区过滤网起到保护作用。本发明具有均流功能的氢集合器入口导流结构，显著提高了最外圈喷嘴流量分配的均匀性、降低了入口高气流高通量区过滤网两侧的压差，解决了外圈喷嘴烧蚀现象和入口区过滤网易损坏的问题。

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 (7)

1.一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，在发动机头部的氢集合器(2)入口处固定安装导流片(3)作为导流结构；

导流片(3)固定连接在过滤网(4)和集合器入口(1)之间，且，导流片(3)的高度高于过滤网(4)，从而保护位于集合器入口(1)附近的过滤网(4)，并减小高速主流对正对集合器入口(1)的径向孔(6)及氢环缝(10)流量均匀性的不利影响；

导流片(3)为弧形凸台，弧形凸台的径向截面为楔形；导流片(3)的覆盖弧度α大于集合器入口(1)的覆盖弧度β；

导流片(3)的底部与氢集合器(2)固定连接；

导流片(3)的内壁和外壁均向内倾斜；

导流片(3)弧形凸台的两端设计有斜切面(12)。

2.根据权利要求1所述的一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，α/β的取值范围为3～5。

3.根据权利要求1所述的一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，所述斜切面(12)起始位置位于集合器入口(1)所覆盖角度范围外侧，斜切面(12)的末端高度h取值范围为1.5～3mm。

4.根据权利要求3所述的一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，所述导流片(3)斜切面(12)与导流片(3)底面夹角ψ的取值范围为5°～10°。

5.根据权利要求4所述的一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，所述导流片(3)朝向集合器入口(1)一侧的壁面与发动机头部轴线夹角θ，作为导流面。

6.根据权利要求5所述的一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，所述夹角θ的取值范围为30°～60°。

7.根据权利要求6所述的一种具有均流功能的集合器入口导流结构，其特征在于，所述导流片(3)与氢集合器(2)焊接成一体结构，或导流片(3)与氢集合器(2)采用3D打印或铸造工艺加工成一体结构。

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