CN114165359A - 一种防止身部过热的喷注器结构 - Google Patents

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Abstract

一种防止身部过热的喷注器结构，采用偏心喷注单元与同轴喷注单元的组合设计方案，降低了燃气发生器近壁面侧混合比，解决了燃气发生器壁面易烧蚀、发蓝的问题，可以适应高温、高压的极端恶劣环境，实现单壁不冷却结构燃气发生器的工作可靠性。本发明已应用于某液氢液氧火箭发动机，此外还可以应用于液氧甲烷火箭发动机、航空发动机及燃油锅炉等众多领域，结构简单，易于推广，成本低廉。

Description

一种防止身部过热的喷注器结构
技术领域
本发明涉及一种防止身部过热的喷注器结构，用于火箭发动机技术领域。
背景技术
燃气发生器是火箭发动机的关键部件，其作用是将推进剂以适当比例掺混后喷入燃烧室进行燃烧，产生的高温燃气(约800～900K)进而驱动涡轮泵做功。燃气发生器身部一般采用单壁不冷却结构，因此燃气发生器喷注器结构的选择对身部的热防护至关重要。燃气发生器的喷注器一般由若干喷嘴与一底、喷注器基体钎焊而成。传统的喷嘴，氧喷嘴与燃料喷嘴为同轴结构，理论上形成的喷嘴环形间隙是均匀的，但是在实际生产过程中，由喷嘴状态到最终状态的燃气发生器，会经历一系列的焊接过程，焊接过程容易导致喷嘴的环形间隙不均匀，尤其是导致最外圈喷嘴靠近壁面侧的环形间隙偏小，导致靠近壁面处的混合比偏高，形成局部高温，极易导致身部发蓝甚至烧蚀等问题，对身部的热防护非常不利。因此，普通的喷注器设计结构难以满足燃气发生器极端、恶劣的工作环境。
发明内容
本发明要解决解决燃气发生器身部发蓝、烧蚀的问题，提供了一种防止身部过热的喷注器结构，采用偏心喷注单元与同轴喷注单元组合的设计方案，即将偏心喷嘴喷注单元布置在喷注器的最外圈，同轴喷注单元布置在内圈，通过装配确保靠近壁面处的环形间隙较大，可以降低燃烧室近壁面处的混合比，提高燃气发生器整体的可靠性。
具体的，包括一底、喷注器基体、同轴式氧喷嘴、偏心式氧喷嘴及同轴式燃料喷嘴。偏心式氧喷嘴与燃料喷嘴组合成偏心喷注单元，布置在喷注器的最外圈。同轴式氧喷嘴与燃料喷嘴组合成同轴喷注单元，布置在喷注器的内圈。通过保证氧喷嘴的偏心截面(A-A)与喷注器基体最外圈装配孔(C-C)截面重合，且偏心方向远离壁面侧，来确保靠近壁面侧的环形间隙为最大，从而确保靠近壁面侧的混合比偏低，进而为身部创造较好的热环境，防止壁面发蓝及烧蚀。同时，其余内圈喷嘴采用同轴式喷嘴，既保证了喷雾的均匀性，又降低了加工难度。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种防止身部过热的喷注器结构，包括一底、喷注器基体、偏心喷注单元、同轴喷注单元；
喷注器基体的轴向开有若干圈同心圆孔，一底上开有若干圈同心圆孔，喷注器基体和一底上的圆孔一一对应，喷注器基体和一底上相对应的一对圆孔用于安装一个偏心喷注单元或同轴喷注单元；
在若干圈同心圆孔中，最外圈的圆孔安装偏心喷注单元，其他圈的圆孔安装同轴喷注单元；偏心喷注单元采用偏心氧喷嘴和燃料喷嘴装配而成；同轴喷嘴喷注单元采用同轴氧喷嘴和燃料喷嘴装配而成；
偏心氧喷嘴的内流道与外径不同轴，偏心方向远离喷注器基体的壁面。
本发明一实施例中，一底与喷注器基体构成燃料腔。
本发明一实施例中，偏心氧喷嘴的内流道为阶梯状圆柱腔，且不同段圆柱腔的轴线重合。
本发明一实施例中，偏心氧喷嘴的外型面为阶梯状圆柱体；且外径大的一段与内流道轴线不重合，外径小的一段与内流道轴线重合，使得偏心氧喷嘴出口壁厚一致。
本发明一实施例中，偏心氧喷嘴较大的一段外径轴线与燃料喷嘴的外径轴线重合。
本发明一实施例中，偏心氧喷嘴的内流道的偏心距L满足如下关系：
Figure BDA0003391692430000021
其中d8为同轴氧喷嘴的小端外径；d10为燃料喷嘴的出口内径。
本发明一实施例中，燃料喷嘴的径向开有若干排多个径向孔，并在喷嘴内设置均流腔，使喷嘴出口处的流量分布更均匀。
本发明一实施例中，燃料喷嘴的外径轴线与内流道轴线重合。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明采用偏心喷注单元与同轴喷注单元的组合设计方案，降低了燃气发生器近壁面侧混合比，解决了燃气发生器壁面易烧蚀、发蓝的问题，可以适应高温、高压的极端恶劣环境，实现单壁不冷却结构燃气发生器的工作可靠性。本发明已应用于某液氢液氧火箭发动机，此外还可以应用于液氧甲烷火箭发动机、航空发动机及燃油锅炉等众多领域，结构简单，易于推广，成本低廉。
(2)本发明中内圈喷嘴采用同轴喷注单元，既保证了雾化的均匀性，又降低了加工难度。
(3)本发明中燃气喷嘴径向开有若干排多个径向孔，并在喷嘴内设置均流腔，使喷嘴出口处的流量分布更均匀。
(4)本发明中偏心喷嘴外径较粗的一段与内流道轴线不重合，较细的一段与内流道轴线重合，使得偏心氧喷嘴出口壁厚一致，更有利于喷嘴在燃烧过程的燃烧稳定性。
附图说明
图1为本发明防止身部过热的喷注器示意图；
图2为喷注器基体结构示意图；
图3为偏心喷嘴喷注单元结构示意图；
图4为同轴喷嘴喷注单元示意图；
图5为偏心氧喷嘴结构示意图；
图6为同轴氧喷嘴结构示意图；
图7为燃料喷嘴结构示意图。
附图标记：1.一底；2.喷注器基体；3.同轴喷嘴喷注单元；4.偏心喷嘴喷注单元；5.偏心氧喷嘴；6.燃料喷嘴；7.同轴氧喷嘴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，一种防止身部过热的喷注器结构，包括一底1、喷注器基体2、同轴喷嘴喷注单元3、偏心喷嘴喷注单元4。一底1与喷注器基体2构成燃料腔，喷注器基体2的上部为氧化剂腔。喷注器最外圈喷嘴采用偏心喷嘴喷注单元4，其余圈喷嘴采用同轴喷嘴喷注单元3。
如图2所示，在喷注器基体2的径向开有多排若干个径向孔，用于燃料进入燃料腔时更均匀；在喷注器基体2的底板上开有多圈若干个孔，用于喷注单元装配；在最外圈孔的外侧处，沿孔的中心与喷注器基体的中心连线刻线(如图2所示的C-C处)，用于偏心喷注单元4的装配；喷注器基体2上用于喷嘴单元装配的孔与一底1上的孔位置对应，二者均用于安装喷嘴。
如图3所示，偏心喷嘴喷注单元4由偏心氧喷嘴5与燃料喷嘴6装配而成。
如图4所示，同轴喷嘴喷注单元3由同轴氧喷嘴7与燃料喷嘴6装配而成。
如图5所示，偏心氧喷嘴5的外径为阶梯状圆柱，内流道也为阶梯状圆柱；偏心氧喷嘴5的内流道孔径d3、d4同轴；外径d1与内流道孔径d3、d4不同轴；外径d2与内流道孔径d3、d4同轴，保证了喷嘴出口壁厚一致，对燃烧稳定性更为有利。偏心氧喷嘴5外径d1的轴线与内径d3的轴线组成截面A-A；通过外径d1的轴线并与截面A-A垂直的是1-1截面，通过内径d3的轴线并与截面A-A垂直的是2-2截面；1-1截面与2-2截面之间的距离为偏心距L。偏心距L的选择需要综合考虑喷注单元的理论混合比与偏心喷注单元4出口环形间隙的范围，确保喷注单元最小环形间隙处燃气温度不能过高，避免燃料喷嘴出口烧蚀。为了保证喷注器状态装配时使靠近壁面间隙最大，在偏心氧喷嘴5的入口端面，沿轴线偏移截面A-A刻线，其中轴线偏移方向的刻线较短，反方向刻线较长。
偏心距L跟燃气发生器的均一混合比时燃气温度相关，当燃气温度小于800K时，偏心距L可通过如公式(1)确定：
Figure BDA0003391692430000051
其中d8为同轴氧喷嘴7的小端外径；d10为燃料喷嘴6的出口内径。
如图6所示，同轴氧喷嘴7的外径d5、d8与内流道孔径d6、d7均为同一个轴线；同轴氧喷嘴7的外径为阶梯状圆柱，内流道也为阶梯状圆柱。
为了给壁面创造较好的热环境，保证靠近壁面处的环形间隙最大，在喷注器状态装配偏心喷嘴喷注单元4时，应保证偏心氧喷嘴5端面的刻线A-A截面与喷注器基体2上孔口处的刻线C-C截面重合，并且保证偏心氧喷嘴5端面上较长的刻线靠近壁面。
如图7所示，燃料喷嘴6的径向开有若干排多个径向孔，并在喷嘴内设置孔径d9的均流腔，使喷嘴出口处的流量分布更均匀，有利于喷嘴出口温度均匀。燃料喷嘴内的均流腔尺寸链关系如公式(2)
1.1d10≤d9≤0.9d11 (2)
一底1及所有喷嘴选用1Cr18Ni9Ti材料、喷注器基体2选用GH4169材料。喷注器所有零件通过钎焊组合而成。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种防止身部过热的喷注器结构，其特征在于，包括一底、喷注器基体、偏心喷注单元、同轴喷注单元；
喷注器基体的轴向开有若干圈同心圆孔，一底上开有若干圈同心圆孔，喷注器基体和一底上的圆孔一一对应，喷注器基体和一底上相对应的一对圆孔用于安装一个偏心喷注单元或同轴喷注单元；
在若干圈同心圆孔中，最外圈的圆孔安装偏心喷注单元，其他圈的圆孔安装同轴喷注单元；偏心喷注单元采用偏心氧喷嘴和燃料喷嘴装配而成；同轴喷嘴喷注单元采用同轴氧喷嘴和燃料喷嘴装配而成；
偏心氧喷嘴的内流道与外径不同轴，偏心方向远离喷注器基体的壁面。
2.根据权利要求1所述的喷注器结构，其特征在于，一底与喷注器基体构成燃料腔。
3.根据权利要求1所述的喷注器结构，其特征在于，偏心氧喷嘴的内流道为阶梯状圆柱腔，且不同段圆柱腔的轴线重合。
4.根据权利要求3所述的喷注器结构，其特征在于，偏心氧喷嘴的外型面为阶梯状圆柱体；且外径大的一段与内流道轴线不重合，外径小的一段与内流道轴线重合，使得偏心氧喷嘴出口壁厚一致。
5.根据权利要求4所述的喷注器结构，其特征在于，偏心氧喷嘴较大的一段外径轴线与燃料喷嘴的外径轴线重合。
6.根据权利要求1所述的喷注器结构，其特征在于，偏心氧喷嘴的内流道的偏心距L满足如下关系：
Figure FDA0003391692420000011
其中d8为同轴氧喷嘴的小端外径；d10为燃料喷嘴的出口内径。
7.根据权利要求1所述的喷注器结构，其特征在于，燃料喷嘴的径向开有若干排多个径向孔，并在喷嘴内设置均流腔，使喷嘴出口处的流量分布更均匀。
8.根据权利要求1所述的喷注器结构，其特征在于，燃料喷嘴的外径轴线与内流道轴线重合。
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