CN113154391B - 一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法，主要解决现有点火装置存在点火能量相对较小，不能够满足全流量补燃火箭发动机等大流量、高压力热力系统对点火启动的需求等技术问题。该装置包括依次连接的头部、身部和燃气导管；所述头部内沿气体流动方向依次设置气氧入口和同轴喷嘴且气氧入口与同轴喷嘴中心同轴，头部侧壁沿气体流动方向依次设置喷嘴甲烷入口和至少一个点火器；所述身部包括内壁、外壁和补燃甲烷入口；内壁和外壁之间设置补燃甲烷集气腔，补燃甲烷入口设置在外壁上；所述燃气导管包括喉部以及喉部上游的收敛段和喉部下游的微扩段。该方法包括：1)形成中心流体；2)形成燃烧气体；3)掺混燃烧；4)充分燃烧。

Description

一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法

技术领域

本发明涉及一种火炬点火装置，具体涉及一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法。

背景技术

全流量补燃循环液氧甲烷发动机是一种大流量、低成本、可重复使用的高性能动力系统，是当今航天动力系统研究的最前沿。该动力系统由推力室、富氧发生器、富燃发生器等多个核心热力组件构成，复杂的热力系统从点火能量、启动可靠性、工作时间、启动压力适应性、重复使用性、多热力组件通用性等多个角度对点火装置提出了全方位、多维度的苛刻要求。

现有类型的气氧气甲烷火炬点火装置多采用撞击式燃烧组织方案，冷却方式多为排放冷却，燃气导管内流动状态多为亚音速流动，流量范围多为0～60g/s之间，工作压力为0～1MPa之间，燃气导管内的流动温度多在1600K以下，二次掺混燃烧位置多在导管出口，点火能量相对较小，均不能够满足全流量补燃火箭发动机等大流量、高压力热力系统对点火启动的需求。因此，研究一种大流量、高压、可重复使用的高能点火装置是十分必要的，但是大流量的气氧气甲烷为了更充分的燃烧以提供更高的点火能量就需要更优化的燃烧组织方式，而优化的燃烧组织方式也会导致点火装置内壁的温度过高；工作压力的升高会使点火装置中心流场的热流密度线性升高，点火装置器壁温度升高；而点火装置的器壁温度过高会影响点火装置的的稳定性和点火的可靠性，因而需要对点火装置的器壁温度进行控制，同时，点火装置的可重复使用也要求对点火装置进行温度控制。

综上所述，提供一种大流量、高压、可重复使用的点火装置主要面临的问题是燃烧组织方式的优化和点火装置内壁温度的控制。

发明内容

本发明目的在于针对目前点火装置存在点火能量相对较小，不能够满足全流量补燃火箭发动机等大流量、高压力热力系统对点火启动的需求，而大流量、高压、可重复使用的点火装置因燃烧组织方式优化而导致点火装置内壁温度过高的技术问题，而提供一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种气氧气甲烷火炬点火装置，包括依次连接的头部、身部和燃气导管；

所述头部内沿气体流动方向依次设置气氧入口和同轴喷嘴，且气氧入口与同轴喷嘴中心同轴，头部侧壁沿气体流动方向依次设置喷嘴甲烷入口和至少一个点火器，所述同轴喷嘴包括同轴设置的内喷嘴和外喷嘴，所述内喷嘴与气氧入口相通，所述外喷嘴与喷嘴甲烷入口相通；

所述所述气体流动方向是指火炬点火装置中氧气和甲烷气体从通入点火装置到从燃气导管排出的气体流向；所述同轴喷嘴用于初步组织甲烷与氧气的掺混燃烧；

所述身部包括内壁、外壁和补燃甲烷入口；

所述内壁和头部共同围成燃烧室；所述内壁和外壁之间设置的环形空腔构成补燃甲烷集气腔，所述补燃甲烷入口设置在外壁上且与补燃甲烷集气腔相通，所述内壁上设置有将燃烧室与补燃甲烷集气腔相通的多排补燃气孔；补燃甲烷入口、补燃甲烷集气腔与补燃气孔形成补燃气通路，向燃烧室补充燃气的同时在燃烧室内壁形成富燃燃气保护膜；

所述同轴喷嘴及点火器的出口均与燃烧室相通，且点火器中轴线与同轴喷嘴的中轴线相交，出口朝向燃烧室；

所述燃气导管包括设置在燃气导管内部的喉部以及喉部上游的收敛段和喉部下游的微扩段，所述燃气导管的长度为100～500mm；所述燃气导管用于将正在反应的燃气加速至超音速状态并将其导入热力组件指定位置完成热力装置启动过程。

进一步地，所述微扩段为单一角度扩张或多个角度进行多级扩张。

进一步地，所述微扩段的角度范围为0.2°～3°，可根据热力组件结构的需要选择合适的燃气导管长度，在微扩段设置适宜扩张角度和扩张级数。

进一步地，所述点火器优选为两个，两个点火器对称布置且与喷嘴甲烷入口在径向上成90°错开。

进一步地，所述身部包括固定法兰；所述内壁和头部焊接，所述外壁为回转体结构，法兰用于将火炬点火装置固定到热力装置上。

进一步地，所述补燃气孔为圆柱形，孔径为0.5～1.5mm。

进一步地，所述燃烧室与同轴喷嘴相通端为锥台形状，所述燃烧室与燃气导管相通端为圆柱形状，所述锥台形状区域用于布置点火器，可有效减小点火器的径向尺寸，使结构更加紧凑，便于移植安装；圆柱形状区域用于布置掺混燃烧。

本发明还提供了一种气氧气甲烷火炬生成方法，包括以下步骤：

1)形成中心流体：由气氧入口和喷嘴甲烷入口分别通入气氧和气甲烷，从同轴喷嘴向燃烧室喷入混合气体形成中心流体；

2)形成燃烧气体：步骤1中形成的中心流体由点火器点燃形成燃烧气体；

3)掺混燃烧：步骤2中所述燃烧气体在燃烧室中，与身部内壁通入的补燃甲烷气体沿轴线方向逐渐发生掺混燃烧；

4)充分燃烧：步骤3中发生掺混燃烧的气体经燃气导管内的收敛-微扩结构加速至超音速状态，当燃烧气体到达燃气导管出口时得到充分燃烧。

进一步地，所述步骤1中，通入气氧和气甲烷的流量速率为100～300g/s，所述步骤2中从同轴喷嘴向燃烧室喷入的燃烧气体速率为20～100m/s；所述步骤3中，燃烧室中气氧与气甲烷的掺混比小于2，低于气氧气甲烷的掺混当量比(3.6～3.8)。

本发明的有益效果在于：

首先，本发明提供的火炬点火装置采用同轴喷嘴组织气氧和气甲烷的掺混燃烧，此时喷入燃烧室中的燃烧气体是富氧燃气，所述富氧燃气沿点火装置中心轴线方向与通过补燃气孔进入燃烧室的甲烷逐级掺混燃烧，富氧燃气逐渐变成富燃燃气；富燃燃气通过燃气导管内的收敛-微扩型面，控制燃烧气体在燃气导管内跨音速流动径向掺混速率，减缓燃烧气体在燃气导管中加速掺混燃烧的趋势，避免了燃烧气体组成的反应流跨音速时产生正激波，严格控制反应流在燃气导管内的燃烧进程，达到燃气充分燃烧和燃气导管可靠冷却的目的，在保证结构冷却的条件下提高排放燃气的总温。

其次，本发明提供的火炬点火装置采用多种方式进行温度控制。第一，本发明提供的点火装置采用的同轴喷嘴更易进行温度控制，该喷嘴可以中心通氧气，侧边通入燃料气体甲烷，甲烷气体以环柱形喷入燃烧室，形成甲烷与氧气掺混燃烧的中心高温区和器壁边区富燃燃气低温区；第二，补燃气孔通过向燃烧室通入甲烷燃气，在内壁区形成富燃燃气的气膜保护；第三，燃气导管内适用于反应流的跨音速收敛-微扩型面设计，通过将部分燃气内能转换为动能降低燃气静温，改善燃气导管内壁面热环境，大幅缓解了燃气导管的热负载。

最后，本发明提供的火炬点火装置具有较强的通用性和可移植性。同轴喷嘴组织气氧气甲烷的燃烧，内流场高温区位于流场中心，减轻了壁面热防护压力，流场温度分布不会随工作压力的改变发生较大变化，增加了火炬点火装置对不同压力热力组件的通用性；同时燃气导管长度可根据适用的热力系统的结构特点进行调节，结构紧凑，可移植性强。本发明提供火炬点火装置最大工作压力为4MPa，理论燃气温度达到2000K以上，最大功率为1.1MW，工作时间2～3s，对热力装置的点火能力达到100～500kg/s量级，下游点火压力达到10～60MPa量级，可适用于全流量补燃循环液氧甲烷发动机多热力组件系统，同时也适用于类似的大型燃烧器和大推力发动机系统。

附图说明

图1为本发明气氧气甲烷火炬点火装置实施例的剖视图。

图2为本发明气氧气甲烷火炬点火装置实施例热试时流场温度云图。

图3为本发明气氧气甲烷火炬点火装置实施例热试时流场氧组分消耗云图。

附图标记如下：

1-气氧入口，2-喷嘴甲烷入口，3-头部，4-同轴喷嘴，5-点火器，6-燃烧室，7-内壁，8-补燃甲烷入口，9-补燃气孔，10-外壁，11-补燃甲烷集气腔，12-固定法兰，13-喉部，14-燃气导管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种如图1所示气氧气甲烷点火装置，包括依次连接的头部3、身部和燃气导管14。

头部3内沿气体流动方向依次设置气氧入口1和同轴喷嘴4且气氧入口1与同轴喷嘴4中心同轴，头部3侧壁沿气体流动方向依次设置喷嘴甲烷入口2和两个点火器5，点火器5对称布置且与喷嘴甲烷入口2径向上成90°错开；所述同轴喷嘴4包括同轴设置的内喷嘴和外喷嘴，所述内喷嘴与气氧入口1相通，所述外喷嘴与喷嘴甲烷入口2相通；所述气体流动方向是指火炬点火装置中氧气和甲烷气体从通入点火装置到从燃气导管排出的气体流向。

同轴喷嘴4主要用于初步组织甲烷与氧气的掺混燃烧，在喷嘴下游形成富氧燃烧区，当工作压力和流量改变时该区域不会受到较大影响，对火炬点火装置流场温度布局和火焰稳定起到关键作用。

高压氧气经过输送管路后由气氧入口1进入头部3的同轴喷嘴4，高压甲烷经过输送管路分流为喷嘴甲烷路和补燃甲烷路。

点火装置的身部包括内壁7、外壁10和补燃甲烷入口8；内壁7和头部3共同围成燃烧室6；内壁7和外壁10之间的环形空腔构成补燃甲烷集气腔11，其中内壁7与头部3焊接，外壁10为回转体结构。

喷嘴甲烷路由喷嘴甲烷入口2进入同轴喷嘴4，与氧气掺混后在点火器5处被火花塞点燃，并在燃烧室6中心区域发生掺混燃烧后形成富氧燃烧气体；补燃甲烷路由位于外壁10的补燃甲烷入口8进入补燃甲烷集气腔11，并经由位于内壁7上多排补燃气孔9进入燃烧室6，并在流场边区形成冷却保护气膜。其中，补燃气孔9为圆柱形，孔径为0.5～1.5mm。

随着燃烧气体的轴向流动，中心富氧燃烧气体逐渐与边区气膜发生径向掺混补燃，燃烧气体混合比逐渐由富氧向富燃状态过渡。尚未反应充分的燃烧气体以亚音速状态进入燃气导管14，经过收敛-微扩后燃烧气体实现跨音速流动并进一步在导管内加速；燃烧气体在燃气导管14内进一步发生反应，总温进一步提升，但由于部分内能转化为燃烧气体的动能，燃烧气体静温上升得到有效控制，壁面附近流场温度被限制在1200K左右，当燃烧气体到达燃气导管14出口时得到充分燃烧，总温达到2000K以上，排入下游热力装置完成点火启动。所述燃气导管14从喉部13至燃气导管14出口为微扩段；本实施例中微扩段为单一角度扩张，在另一个实施例中也可以根据燃气导管14的长度采用多个角度进行多级扩张；微扩段的扩张角度范围为0.2°～3°；燃气导管14的长度为100～500mm。

所述燃烧室(6)与同轴喷嘴(4)相通端为锥台形状，所述燃烧室(6)与燃气导管(14)相通端为圆柱形状。

火炬点火装置通过身部的固定法兰12固定到热力装置上，并通过燃气导管14插入热力装置内部。

本发明还提供了一种气氧气甲烷火炬生成方法，首先由气氧入口1和喷嘴甲烷入口2以100～300g/s的流量速率通入气氧和气甲烷，从同轴喷嘴4出口以20～100m/s的速率向燃烧室6喷入混合气体形成的中心流体，所述中心流体由点火器5点燃，形成富氧燃气；富氧燃气在燃烧室6中，与身部侧壁通入的补燃甲烷气体沿轴线方向逐渐发生掺混燃烧，富氧燃气逐渐变成富燃燃气，气氧与气甲烷的掺混比小于2；掺混燃烧气体经燃气导管(14)内的收敛-微扩结构加速至超音速状态，当燃烧气体到达燃气导管出口时得到充分燃烧。

发明人采用本发明实施例中提供的火炬点火装置和火炬生成方法，完成点火热试。

热试中监测到气氧气甲烷火炬点火装置内流场温度云图和氧组分消耗云图。如图2所示：燃烧室6内高温区主要集中在中心流场区域，沿轴线方向高温区逐渐放大，流场平均温度逐渐升高。补燃甲烷气体在燃烧室6壁面附近形成气膜保护区，使燃烧室6壁面附近为低温的冷却区，沿轴线方向补燃甲烷气体逐渐与中心流场的燃烧气体发生掺混燃烧，气膜保护区域可以有效延伸至燃气导管14内部，确保在燃烧室6内实现低温燃烧的目的。燃气导管14内流场温度沿轴线先上升后降低，这表明掺混后的反应流通过喉部13完成了跨音速流动，燃气导管14内的温度得到有效控制，边区温度控制在1200K以下。

如图3所示：点火装置中燃烧室6上游氧气组分主要集中于流场中心区域，随着燃气的轴向流动，氧气组分逐渐消耗，这证明流场反应进程得到了有效的控制。燃气导管14中氧气组分逐渐降低，喉部13附近氧消耗速率并未有明显的提高，这说明跨音速流动过程中流场径向掺混燃烧速度得到有效控制，并未出现正激波。至燃气出口处，氧气基本完全消耗，说明流场中化学能得到充分释放，该点火装置可以满足高能排放的要求。

Claims (9)

1.一种气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：

包括依次连接的头部(3)、身部和燃气导管(14)；

所述头部(3)内沿气体流动方向依次设置气氧入口(1)和同轴喷嘴(4)，且气氧入口(1)与同轴喷嘴(4)中心同轴，头部(3)侧壁沿气体流动方向依次设置喷嘴甲烷入口(2)和至少一个点火器(5)，所述同轴喷嘴(4)包括同轴设置的内喷嘴和外喷嘴，所述内喷嘴与气氧入口(1)相通，所述外喷嘴与喷嘴甲烷入口(2)相通；

所述身部包括内壁(7)、外壁(10)和补燃甲烷入口(8)；

所述内壁(7)和头部(3)共同围成燃烧室(6)；所述内壁(7)和外壁(10)之间设置的环形空腔构成补燃甲烷集气腔(11)，所述补燃甲烷入口(8)设置在外壁(10)上且与补燃甲烷集气腔(11)相通，所述内壁(7)上设置有将燃烧室(6)与补燃甲烷集气腔(11)相通的多排补燃气孔(9)；

所述同轴喷嘴(4)及点火器(5)的出口均与燃烧室(6)相通，且点火器(5)中轴线与同轴喷嘴(4)的中轴线相交，出口朝向燃烧室(6)；

所述燃气导管(14)包括设置在燃气导管(14)内部的喉部(13)以及喉部(13)上游的收敛段和喉部(13)下游的微扩段，所述燃气导管(14)的长度为100～500mm。

2.根据权利要求1所述的气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：所述微扩段为单一角度扩张或多个角度进行多级扩张。

3.根据权利要求2所述的气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：所述微扩段的角度范围为0.2°～3°。

4.根据权利要求1～3任一项所述的气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：所述点火器(5)有两个，所述两个点火器(5)对称布置且与喷嘴甲烷入口(2)在径向上成90°错开。

5.根据权利要求1所述的气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：所述身部包括固定法兰(12)；所述内壁(7)和头部(3)焊接，所述外壁(10)为回转体结构。

6.根据权利要求1所述的气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：所述补燃气孔(9)为圆柱形，孔径为0.5～1.5mm。

7.根据权利要求1所述的气氧气甲烷火炬点火装置，其特征在于：所述燃烧室(6)与同轴喷嘴(4)相通端为锥台形状，所述燃烧室(6)与燃气导管(14)相通端为圆柱形状。

8.一种气氧气甲烷火炬生成方法，其特征在于，应用于权利要求1～7任意一项所述的气氧气甲烷火炬点火装置，包括以下步骤：

1)形成中心流体：由气氧入口(1)和喷嘴甲烷入口(2)分别通入气氧和气甲烷，从同轴喷嘴(4)向燃烧室(6)喷入混合气体形成中心流体；

2)形成燃烧气体：步骤1中形成的中心流体由点火器(5)点燃形成燃烧气体；

3)掺混燃烧：步骤2中所述燃烧气体在燃烧室(6)中，与身部内壁(7)通入的补燃甲烷气体沿轴线方向逐渐发生掺混燃烧；

4)充分燃烧：步骤3中发生掺混燃烧的气体经燃气导管(14)内的收敛-微扩结构加速至超音速状态，当燃烧气体到达燃气导管(14)出口时得到充分燃烧。

9.根据权利要求8所述的气氧气甲烷火炬生成方法，其特征在于：所述步骤1中，通入气氧和气甲烷的流量速率为100～300g/s，所述步骤1中从同轴喷嘴(4)向燃烧室(6)喷入的混合气体速率为20～100m/s；所述步骤3中，燃烧室(6)中气氧与气甲烷的掺混比小于2。