CN114251191A - 一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，属于固体火箭冲压发动机燃气发生器的技术领域。本发明主要由燃烧室、喷管、支板组成。在支板的中空圆柱体部分开有用于流量调节、掺混的燃气孔。支板使一次燃气能沿着轴向更深入补燃室，然后由径向的燃气孔流出，有利于一次燃气和空气的掺混，且通过控制支板上燃气孔的数量、大小、位置，实现对燃气的流量调节和掺混，进而提升推进剂燃烧效率。喷管是可拆卸式的，通过喷管喉径大小调节燃气流量，满足不同的流量性能需求。支板的锥体段采用实心锥体，有利于减少燃气总压损失，提高燃气利用率。根据喷射角度需求，调节燃气孔的角度，进一步改善掺混效果，提高后续补燃室的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于固体火箭冲压发动机燃气发生器的技术领域，涉及一种新型的固体火箭冲压发动机燃气发生器。
背景技术
固体火箭冲压发动机具有比冲高、体积小、结构紧凑、工作可靠、使用方便等优点，是新一代导弹的优选动力装置。燃气发生器是冲压发动机的重要组成部分，在冲压发动机工作过程中燃气发生器内的推进剂燃烧产生的贫氧燃气与进气道流入的空气混合，在补燃室中进行二次燃烧，最后气流由喷管喷出产生推力。固体火箭冲压发动机的燃气发生器由燃烧室和尾喷管组成，燃气发生器在固体火箭冲压发动机中的作用就是相当于一个小的固体火箭，提供一次燃气。固体火箭冲压发动机的进气道进气量会随着导弹工作高度、工作马赫数、工作攻角以及侧滑角等发生变化，如果固体火箭冲压发动机上的燃气发生器为固定流量，那么冲压发动机补燃室内的空燃比就会发生变化而偏离设计的空燃比，这会造成固冲发动机的燃烧效率降低，甚至会使冲压发动机熄火。
目前，国内外燃气发生器流量调节，多采用在喷管喉道位置安装限流孔，通过改变喉道面积，改变燃气流量，这种不仅会带来燃气发生器内部压力的骤变，而且结构复杂，精度难以保证。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，通过在喷管后端增加支板，实现对一次燃气的流量调节和掺混，提高推进剂利用率，提升燃烧室的燃烧效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，主要由燃烧室、喷管、支板组成。所述支板与喷管连接的一端为中空的圆柱体，在支板的中空圆柱体部分开有用于流量调节、掺混的燃气孔，此外，所述支板圆柱体的另一端呈锥体。可拆卸式的喷管采用不同喉径的喷管，满足不同的流量性能需求。喷管与燃烧室密封连接。喷管与支板密封连接，所述支板安装在喷管后端，是喷管的延伸段。燃烧室燃烧产生一次燃气，所述一次燃气通过喷管喉径大小调节燃气流量。经喷管调节后的燃气，支板使一次燃气能沿着轴向更深入补燃室，然后由燃气孔流出，有利于一次燃气和空气的掺混，且通过控制支板上燃气孔的数量、大小、位置、角度，实现对燃气的流量调节和掺混，进而提升推进剂燃烧效率。
通过控制支板上燃气孔的数量、大小、位置、角度，实现对燃气的流量调节和掺混，实现方法为：
所述支板由圆柱体和锥体组成，圆柱体上沿轴分布燃气孔，锥体的作用是使流场保持相对稳定，不产生过多的激波；
所述支板长度为L，对于补燃室头部距离L0，即燃气发生器喷管出口到进气道出口之间的轴向距离，满足：L≤L0；
所述支板由圆柱体和锥体组成，其中，圆柱体的内径为D1，圆柱体长度为L1，锥体高度为h，喷管出口直径De，满足：
所述燃气孔沿轴线均匀分布在支板，有利于燃气沿程进入补燃室，增加补燃室燃气分布，每个燃气孔的直径为d，第一个燃气孔的中心到支板一端距离为l，最后一个燃气孔的中心到支板另一端距离为l1，每两个孔孔中心之间间距为l0，两个孔孔中心之间间距相等，燃气孔数量为n，满足：
所述燃气孔总数量为n，喷管出口流量为
每个燃气孔的出口流量
为：
作为优选，所述燃气孔的角度根据喷射角度需求而定，燃气孔与轴向夹角为α，夹角α满足：
45°≤α≤90° (3)
根据公式控制燃气流量，根据公式调节燃气的掺混，即实现对燃气的流量调节和掺混。
作为优选，所述支板的锥体段为实心锥体，有利于减少燃气总压损失，提高燃气利用率。
作为优选，所述一次燃气通过喷管喉径大小调节燃气流量，实现方法为：
所述燃烧室内径为D0，燃烧室出口直径Dr；
所述喷管喉径Dt，喷管入口直径Dr，喷管出口直径De，满足：
其中，Pc为燃烧室压强，Pe为喷管出口压强，Γ为比热比函数，k为比热比，是常数，Ae为喷管出口面积，At为喷喉面积，Tf为燃烧室温度，R为混合气的平均气体常数，ρ为一次燃气密度，ue为喷管出口速度；
为了便于喷管加工，作为优选，收敛半角为β，满足：β∈(30°～60°)，作为进一步优选，收敛半角为β为45°时更便于流场稳定。对于中小型喷管，扩张半角θ，满足：0°≤θ≤20°，一般选为15°。
作为优选，燃烧室呈圆柱形，腔内浇注固体推进剂。
作为优选，喷管和燃烧室通过螺母、垫片及螺钉密封连接；喷管和支板通过螺母、垫片及螺钉密封连接。
所述燃气发生器厚度计算时，按照燃气发生器采用要求中最大值Pmax，各部位的直径Di，材料的屈服强度为σs，取安全系数n0，则有许用应力[σ]，筒体厚度δ满足：
其中，
为压力波动系数，Di为各部位圆筒的内径，ξ为焊接系数，Pc为燃烧室压强，[σ]为筒体材料许用应力。
有益效果：
1、本发明公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，支板使一次燃气能沿着轴向更深入补燃室，然后由径向的燃气孔流出，有利于一次燃气和空气的掺混，且通过控制支板上燃气孔的数量、大小、位置，实现对燃气的流量调节和掺混，进而提升推进剂燃烧效率。本发明还根据大量试验数据和理论分析，给出通过控制支板上燃气孔的数量、大小、位置，实现对燃气的流量调节和掺混的具体方法，实现精准快速调节、掺混。
2、本发明公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，喷管是可拆卸式的，通过喷管喉径大小调节燃气流量，采用不同喉径的喷管，满足不同的流量性能需求，并给出通过喷管喉径大小调节燃气流量的具体方法，实现精准快速流量调节。
3、本发明公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，支板的锥体段采用实心锥体，有利于减少燃气总压损失，提高燃气利用率。
4、本发明公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，根据喷射角度需求，调节燃气孔的角度，进一步改善掺混效果，提高后续补燃室的工作效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为燃烧室剖面图；
图2为喷管剖面图；
图3为支板剖面图；
图4为集流量调节和掺混于一体的燃气发生器结构示意图；
其中：1—燃烧室、2—喷管、3—支板、4—燃气孔、5—垫片、6—螺钉、7—螺母。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
如图4所示，本实施例公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，应用于固体火箭冲压发动机。本实施例主要由燃烧室1、喷管2、支板3组成。所述支板3与喷管2连接的一端为中空的圆柱体，在支板3的中空圆柱体部分开有用于流量调节、掺混的燃气孔4，此外，所述支板3圆柱体的另一端呈锥体。可拆卸式的喷管2采用不同喉径的喷管2，满足不同的流量性能需求。喷管2与燃烧室1密封连接。喷管与支板3密封连接，所述支板3安装在喷管后端，是喷管2的延伸段。燃烧室1燃烧产生一次燃气，所述一次燃气通过喷管喉径大小调节燃气流量。经喷管调节后的燃气，支板3使一次燃气能沿着轴向更深入补燃室，然后由燃气孔4流出，有利于一次燃气和空气的掺混，且通过控制支板3上燃气孔4的数量、大小、位置、角度，实现对燃气的流量调节和掺混，进而提升推进剂燃烧效率。
本实施例公开的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器的装配顺序是：在燃烧室内浇注好推进剂，然后将喷管通过螺钉密封安装好，选好燃气孔的数量，在喷管出口，用螺钉螺母密封安装好支板。
在实际使用时，对于指定类型推进剂，已知推进剂初温T1，燃烧室1内浇筑的推进剂燃烧产生高温高压的一次燃气，得到此时燃烧室内的压强Pc，一次燃气流出喉部直径为Dt、出口直径为De的喷管后，经过热力学计算，能够算得喷管入口即燃烧室1出口的总焓Im,c，燃烧室温度Tf，喷管喉部截面的温度Tt和压强Pt，以及喷管出口截面的总焓Im,e、组分密度ρe、温度Te和压强Pe，能够算得在喷管出口截面上，一次燃气的速度ue为：
进一步算得喷管出口截面处一次燃气得质量流量
为：
其中，Ae为喷管出口截面面积，
当采用燃气孔4数量为n的支板3时，每个燃气孔4的出口流量
为：
由于燃气孔4出口方向与轴向方向夹角为α，导致一次燃气进入补燃室的方向有一定的夹角，能与进气道进入的空气有一个更好的掺混，同时，支板3使一次燃气能沿着轴向更深入补燃室，然后由燃气孔4流出，能达到不同深度注入一次燃气，进而提升推进剂燃烧效率，对后续亚燃超燃模态转换提供能量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：主要由燃烧室(1)、喷管(2)、支板(3)组成；所述支板(3)与喷管(2)连接的一端为中空的圆柱体，在支板(3)的中空圆柱体部分开有用于流量调节、掺混的燃气孔(4)，此外，所述支板(3)圆柱体的另一端呈锥体；可拆卸式的喷管(2)采用不同喉径的喷管(2)，满足不同的流量性能需求；喷管(2)与燃烧室(1)密封连接；喷管(2)与支板(3)密封连接，所述支板(3)安装在喷管后端，是喷管(2)的延伸段；燃烧室(1)燃烧产生一次燃气，所述一次燃气通过喷管(2)喉径大小调节燃气流量；经喷管(2)调节后的燃气，支板(3)使一次燃气能沿着轴向更深入补燃室，然后由燃气孔(4)流出，有利于一次燃气和空气的掺混，且通过控制支板(3)上燃气孔(4)的数量、大小、位置、角度，实现对燃气的流量调节和掺混，进而提升推进剂燃烧效率。
2.如权利要求1所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：通过控制支板(3)上燃气孔(4)的数量、大小、位置、角度，实现对燃气的流量调节和掺混。
3.如权利要求2所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：所述支板(3)由圆柱体和锥体组成，圆柱体上沿轴分布燃气孔，锥体的作用是使流场保持相对稳定，不产生过多的激波；
所述支板(3)长度为L，对于补燃室头部距离L0，即燃气发生器喷管出口到进气道出口之间的轴向距离，满足：L≤L0；
所述支板(3)由圆柱体和锥体组成，其中，圆柱体的内径为D1，圆柱体长度为L1，锥体高度为h，喷管(2)出口直径De，满足：
所述燃气孔(4)沿轴线均匀分布在支板(3)，有利于燃气沿程进入补燃室，增加补燃室燃气分布，每个燃气孔(4)的直径为d，第一个燃气孔(4)的中心到支板一端距离为l，最后一个燃气孔(4)的中心到支板另一端距离为l1，每两个孔孔中心之间间距为l0，两个孔孔中心之间间距相等，燃气孔(4)数量为n，满足：
所述燃气孔(4)总数量为n，喷管(2)出口流量为
每个燃气孔(4)的出口流量
为：
所述燃气孔(4)的角度根据喷射角度需求而定，燃气孔(4)与轴向夹角为α，夹角α满足：
45°≤α≤90° (3)
根据公式(2)控制燃气流量，根据公式(3)调节燃气的掺混，即实现对燃气的流量调节和掺混。
4.如权利要求3所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：所述支板(3)的锥体段为实心锥体，有利于减少燃气总压损失，提高燃气利用率。
5.如权利要求3或4所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：所述一次燃气通过喷管(2)喉径大小调节燃气流量，实现方法为，
所述燃烧室(1)内径为D0，燃烧室出口直径Dr；
所述喷管(2)喉径Dt，喷管(2)入口直径Dr，喷管(2)出口直径De，满足：
其中，Pc为燃烧室(1)压强，Pe为喷管(2)出口压强，Γ为比热比函数，k为比热比，是常数，Ae为喷管(2)出口面积，At为喷喉面积，Tf为燃烧室(1)温度，R为混合气的平均气体常数，ρ为一次燃气密度，ue为喷管(2)出口速度。
6.如权利要求5所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：为了便于喷管加工，收敛半角为β，满足：β∈(30°～60°)；对于中小型喷管，扩张半角θ，满足：0°≤θ≤20°。
7.如权利要求6所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：收敛半角为β为45°，扩张半角θ为15°。
8.如权利要求3或4所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：燃烧室(1)呈圆柱形，腔内浇注固体推进剂。
9.如权利要求3或4所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：喷管(2)和燃烧室(1)通过螺母(7)、垫片(5)及螺钉(6)密封连接；喷管(2)和支板(3)通过螺母(7)、垫片(5)及螺钉(6)密封连接。
10.如权利要求3或4所述的一种集流量调节和掺混于一体的燃气发生器，其特征在于：所述燃气发生器厚度计算时，按照燃气发生器采用要求中最大值Pmax，各部位的直径Di，材料的屈服强度为σs，取安全系数n0，则有许用应力[σ]，筒体厚度δ满足：
其中，
为压力波动系数，Di为各部位圆筒的内径，ξ为焊接系数，Pc为燃烧室压强，[σ]为筒体材料许用应力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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