CN114320665A - 一种燃气发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气发生器，包括燃烧室头部、与燃烧室头部连接的燃烧室身部以及设置于燃烧室上的火花塞，燃烧室头部包括喷注器、设置于喷注器外周的燃料集液环、设置于喷注器上面的液氧集液腔，液氧集液腔上设有液氧入口管接头，燃料集液环上设有燃料入口管接头，喷注器包括多个同轴喷注单元，同轴喷注单元包括位于中心液氧流道和外环燃料流道，中心液氧流道与液氧集液腔连通，外环燃料流道与燃料集液环连通，中心液氧流道的末端液氧喷嘴和外环燃料流道的末端燃料喷嘴均与燃烧室身部连通。该燃气发生器中心区混合比接近当量混合比，可促进燃烧，提高点火成功率；边区混合比远离当量混合比，限制燃气温度不至于太高，可延长工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及燃气发生器领域，特别是涉及一种燃气发生器。
背景技术
液体火箭发动机(Liquid Rocket Engine，LRE)技术成熟度和继承性高，研制风险和成本低，为可重复使用火箭的首选推进方案，其中液氧甲烷发动机的可重复使用性最佳，近年来各国航天研究机构开始将重心转移到液氧甲烷发动机。甲烷在自然界储量丰富，是天然气，可燃冰等的主要成分，价格远低于煤油和液氢。作为火箭发动机推进剂，甲烷性能优良。甲烷推进剂无毒无污染，属于绿色推进剂，使用维护方便。作为摩尔质量最轻的碳氢燃料，甲烷的燃烧性能优异，低积碳、冷却不结焦、材料相容性好。因此液氧甲烷发动机的潜在寿命比传统发动机更长。
现有大推力液体火箭发动机均为泵压式方案，通过涡轮驱动泵输送推进剂，驱动涡轮的工质由燃气发生器提供。燃气发生器是产生高温燃气的装置，它由喷注器、燃烧室、喷管和点火装置组成。燃气发生器通常使用与主燃烧室相同的推进剂，但是它的工作特点与主燃烧室不尽相同。为了确保涡轮叶片温度不超过材料的许用极限，燃气发生器的燃气温度相比主燃烧室偏低；推进剂混合比偏离化学当量混合比，推进剂流量与发动机总流量的占比非常小。为保证可靠点火，推进剂在中心区集中燃烧。
燃气发生器的设计需要呈现出与传统设计不同的状态，才能满足液氧甲烷发动机高效率、高可靠性以及可重复使用的要求。由于液氧甲烷发动机采用双低温推进剂，再加上混合比偏置，燃气发生器的可靠点火异常困难。燃气发生器的燃气温度超过1000℃，如果不采取热防护措施，不超过10s内壁温度即超过金属材料的许用极限。主燃烧室通常采用再生冷却技术进行有效热防护，喷注器通常不采取任何热防护措施。
但是，现有燃气发生器的设计和加工基于一次性使用的液体火箭发动机燃烧室，没有考虑模块化、互换性和维修性，各部件主要通过焊接方式连接，拆装麻烦，某个部件出现故障时整体将失去基本功能，不适用地面试验时测试不同结构的功能，成本较高。
采用双低温推进剂的燃气发生器可靠点火异常困难，现有燃气发生器的点火器安装在头部，通过长细管将点火高温燃气引入燃烧室，并且流经头部的低温燃料腔，行程较长，使燃气温度损失较大，经常造成燃气发生器点火失败。
已有燃气发生器方案采用辐射冷却和再生冷却，喷注器无任何热防护措施，仅能对燃烧室身部进行热防护，容易造成喷注器过热甚至烧毁，限制了燃气发生器的使用次数，也限制了燃气发生器产生的燃气温度，不能超过 1000℃。
综上所述，如何有效地解决燃气发生器可靠点火与有效热防护等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气发生器，该燃气发生器可提高点火成功率和防热有效性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种燃气发生器，包括燃烧室头部、与所述燃烧室头部连接的燃烧室身部以及设置于燃烧室上的火花塞，
所述燃烧室头部包括喷注器、设置于所述喷注器外周的燃料集液环、设置于所述喷注器上面的液氧集液腔，所述液氧集液腔上设有液氧入口管接头，所述燃料集液环上设有燃料入口管接头，
所述喷注器包括多个同轴喷注单元，所述同轴喷注单元包括位于中心液氧流道和外环燃料流道，所述中心液氧流道与所述液氧集液腔连通，所述外环燃料流道与所述燃料集液环连通，所述中心液氧流道的末端液氧喷嘴和所述外环燃料流道的末端燃料喷嘴均与所述燃烧室身部连通。
可选地，所述多个同轴喷注单元包括一个中心区同轴喷注单元和多个边区同轴喷注单元，所述多个边区同轴喷注单元布置在以所述中心区同轴喷注单元为中心的同心圆上。
可选地，所述喷注器在靠近所述燃烧室身部的喷注面上设有多圈液膜孔，每圈具有多个燃料液膜冷却喷嘴。
可选地，所述液氧喷嘴为直流喷嘴，所述燃料喷嘴为切向孔式离心喷嘴，所述燃料液膜冷却喷嘴为直流喷嘴。
可选地，所述同轴喷注单元与所述喷注器的喷注面上的安装孔过盈配合；
所述燃料集液环和所述液氧集液腔通过压紧法兰连接。
可选地，所述燃烧室身部的端面有法兰盘，所述燃烧室身部与所述燃烧室头部通过法兰方式连接。
可选地，所述法兰盘的端面包含若干道密封槽，所述密封槽内安装有柔性石墨垫圈。
可选地，所述燃烧室身部沿周向均布有多道冷却通道，所述冷却通道沿所述燃烧室身部的长度方向设置，所述燃烧室身部的上端和下端分别设置有与所述冷却通道出口和入口连通的出口环道和入口环道，所述冷却通道的出口和所述冷却通道的入口上均连接有直通接头。
可选地，所述燃烧室身部设置有火花塞孔，所述火花塞连接于所述火花塞孔处，所述火花塞孔为螺纹孔。
可选地，所述燃烧室身部在所述火花塞孔所在位置设置有孤岛式凸台，所述火花塞孔开设于所述孤岛式凸台的中间位置。
本发明所提供的燃气发生器，包括燃烧室头部、燃烧室身部、火花塞以及管路接头，燃烧室身部与燃烧室头部连接，燃烧室身部与燃烧室头部构成燃烧室，火花塞设置于燃烧室上。各种管接嘴、测压接口、点火接口均选用标准件，可通过螺纹连接方式与燃烧室装配。发动机通过前后双支架固定安装在水平台面上。
燃烧室头部包括喷注器、燃料集液环、液氧集液腔，燃烧室头部采用传统机械加工工艺加工成型，喷注器材料为无氧铜，其余部件材料为不锈钢。燃料集液环设置于喷注器外周，燃料集液环上设有燃料入口管接头；液氧集液腔设置于喷注器上面，液氧集液腔上设有液氧入口管接头，也就是说燃烧室头部为两腔三底结构，上底与中底之间形成液氧集液腔，下底与中底之间形成液燃料集液环，液氧集液腔在上，燃料集液环在下。下底为喷射面，为了加工方便，喷注器的喷注面为平面。
喷注器包括多个同轴喷注单元，同轴喷注单元包括位于中心液氧流道和外环燃料流道，中心液氧流道与液氧集液腔连通，外环燃料流道与燃料集液环连通，中心液氧流道的末端液氧喷嘴和外环燃料流道的末端燃料喷嘴均与燃烧室身部连通。液氧喷嘴和燃料喷嘴为同轴喷注单元，液氧喷嘴在内圈，燃料喷嘴在外环，喷注器氧混合比氧燃比偏置设计，中心区混合比接近当量混合比，可促进燃烧，提高点火成功率；边区混合比远离当量混合比，整体平均混合比偏离当量混合比，限制燃气温度不至于太高，可延长工作时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中一种具体实施方式所提供的燃气发生器头部的结构示意图；
图2为燃气发生器头部的剖视图；
图3为燃气发生器头部的结构图；
图4为喷注器的结构示意图；
图5为图4中A-A处的剖视图；
图6为图4中B面处的剖视图；
图7为燃气发生器身部的结构示意图。
附图中标记如下：
液氧集液腔1、压紧法兰2、燃料集液环3、喷注器4、燃烧室身部5、同轴喷注单元41、燃料入口42、液氧入口43、燃料喷嘴44、液氧喷嘴45、燃料液膜冷却喷嘴46、冷却通道51。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种燃气发生器，该燃气发生器可提高点火成功率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图7，图1为本发明中一种具体实施方式所提供的燃气发生器头部的结构示意图；图2为燃气发生器头部的剖视图；图3为燃气发生器头部的结构图；图4为喷注器的结构示意图；图5为图4中A-A处的剖视图；
图6为图4中B面的剖视图；图7为燃气发生器身部的结构示意图。
在一种具体实施方式中，本发明所提供的燃气发生器，包括燃烧室头部、与燃烧室头部连接的燃烧室身部5以及设置于燃烧室上的火花塞，
燃烧室头部包括喷注器4、设置于喷注器4外周的燃料集液环3、设置于喷注器4上面的液氧集液腔1，液氧集液腔1上设有液氧入口43管接头，燃料集液环3上设有燃料入口42管接头，
喷注器4包括多个同轴喷注单元41，同轴喷注单元41包括位于中心液氧流道和外环燃料流道，中心液氧流道与液氧集液腔1连通，外环燃料流道与燃料集液环3连通，中心液氧流道的末端液氧喷嘴45和外环燃料流道的末端燃料喷嘴44均与燃烧室身部5连通。
上述结构中，燃气发生器包括燃烧室头部、燃烧室身部5、火花塞以及管路接头，燃烧室身部5与燃烧室头部连接，燃烧室身部5与燃烧室头部构成燃烧室，火花塞设置于燃烧室上。各种管接嘴、测压接口、点火接口均选用标准件，可通过螺纹连接方式与燃烧室装配。发动机通过前后双支架固定安装在水平台面上。
燃烧室头部包括喷注器4、燃料集液环3、液氧集液腔1，燃烧室头部采用传统机械加工工艺加工成型，喷注器4材料为无氧铜，其余部件材料为不锈钢。燃料集液环3设置于喷注器4外周，燃料集液环3上设有燃料入口42 管接头；液氧集液腔1设置于喷注器4上面，液氧集液腔1上设有液氧入口 43管接头，也就是说燃烧室头部为两腔三底结构，上底与中底之间形成液氧集液腔1，下底与中底之间形成液燃料集液环3，液氧集液腔1在上，燃料集液环3在下。下底为喷射面，为了加工方便，喷注器4的喷注面为平面。
喷注器4包括多个同轴喷注单元41，同轴喷注单元41包括位于中心液氧流道和外环燃料流道，中心液氧流道与液氧集液腔1连通，外环燃料流道与燃料集液环3连通，中心液氧流道的末端液氧喷嘴45和外环燃料流道的末端燃料喷嘴44均与燃烧室身部5连通。
具体地说，喷注器4包含液氧喷嘴45、燃料喷嘴44以及对应的流道和集液腔，液氧喷嘴45和燃料喷嘴44为同轴喷注单元41，液氧喷嘴45在内圈，燃料喷嘴44在外环，喷注器4氧混合比(氧燃比)偏置设计，中心区混合比接近当量混合比，可促进燃烧，提高点火成功率；边区混合比远离当量混合比，整体平均混合比偏离当量混合比，限制燃气温度不至于太高，可延长工作时间。
需要说明的是，工程中燃气发生器应用比较多的燃料组合为酒精/空气(氧气)、煤油/空气(氧气)、甲烷/氧，甲烷俗称天然气，价格便宜，容易获取，成本很低；氧来源于空气，容易制备。
上述燃气发生器仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要做出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式，多个同轴喷注单元41包括一个中心区同轴喷注单元41和多个边区同轴喷注单元41，多个边区同轴喷注单元41布置在以中心区同轴喷注单元41为中心的同心圆上。
上述结构中，同轴喷注单元41按同心圆布置，比如喷注器4包含7个同轴喷注单元41，一个位于中心区，其余6个圆周一圈同心圆排布，位置相对靠近燃烧室壁面，远离燃烧室中轴线，中心区混合比接近当量混合比，可促进燃烧，提高点火成功率；整体平均混合比偏离当量混合比，限制燃气温度不至于太高，可延长工作时间。
在上述各个具体实施例的基础上，喷注器4在靠近燃烧室身部5的喷注面上设有多圈液膜孔，每圈具有多个燃料液膜冷却喷嘴46，燃料液膜冷却喷嘴46设置于同轴喷注单元41边区，燃烧室头部边区设置燃料液膜冷却喷嘴 46，燃烧室身部5设置冷却通道51，采用再生-液膜复合冷却措施，同时对燃烧室头部喷注面和燃烧室身部5内壁面进行长时间热防护，可保护喷注面和内壁面不被烧毁。
可选地，液氧喷嘴45为直流喷嘴，均匀喷射，燃料喷嘴44为切向孔式离心喷嘴，提高燃料掺混效率。喷注器4还可以采用直流互击式喷嘴，或者单组元离心喷嘴。
燃料液膜冷却喷嘴46为直流喷嘴，均匀冷却。
每个同轴喷注单元41的流量均等，切向孔和同轴直流孔的尺寸精度和内表面光洁度要求较高，一般采取先钻孔后铰孔的加工方式。
在具体实施例中，每个同轴喷注单元41中液氧喷嘴45内径为2.5mm。每个同轴喷注单元41中燃料喷嘴44旋流室内径为3.5mm。每个同轴喷注单元41中燃料喷嘴44旋流室外径为6.76mm。每个同轴喷注单元41中燃料喷嘴44旋流室共有3个切向入口，内径为1.5mm。每个同轴喷注单元41液氧和燃料质量流量为0.1018kg/s和0.04073kg/s。
每个同轴喷注单元41的液氧和燃料喷嘴44与喷注面的夹角均为90度。喷注面靠近燃烧室壁面位置沿轴向均布燃料液膜冷却喷嘴46。燃料液膜冷却喷嘴46为直流喷嘴，单个流量为0.05431kg/s，共有18个，总质量流量： 2.138kg/s，中心区液氧流量：0.7128kg/s，中心区燃料流量：0.2851kg/s，液膜流量：0.9775kg/s。
在上述各个具体实施例的基础上，喷注器4上具有安装孔，同轴喷注单元41与喷注器4的喷注面上的安装孔过盈配合，可拆卸连接，每同轴喷注单元41可单独进行替换，方便模块化拆卸，提高利用率，降低成本。
在上述各个具体实施例的基础上，燃料集液环3和液氧集液腔1单独加工，结构简单，易于加工。燃料集液环3和液氧集液腔1通过压紧法兰2连接，基于模块化设置，以法兰连接代替焊接，方便进行拆装，便于对各零部件进行替换和维修，非常适合用于地面实验。
需要说明的是，燃烧室身部5采用金属增材制造技术(俗称3D打印)进行加工，采用激光选区熔化(SLM)技术，单向变速铺粉。加工材料可以高温合金，比如为GH-3536镍基高温合金，适用于发动机的燃烧室高温部件，900℃以下长期使用，短时工作温度达到1080℃，并且热加工成型性和焊接性良好。
燃烧室身部5的3D打印工序完成后，各机械接口通过传统机械加工工艺进行精细尺寸控制。3D打印的燃烧室身部5为整体件，燃烧室身部5的端面有法兰盘，燃烧室身部5与燃烧室头部通过法兰和螺栓方式连接，可拆卸连接，连接方便，易于更换维修，整体模块化设计，使用寿命较长。
在上述各个具体实施例的基础上，法兰盘的端面包含若干道密封槽，比如含两道密封槽，密封槽内安装有柔性石墨垫圈，用柔性石墨垫圈进行密封，可有效防止高温燃气泄露。
在上述各个具体实施例的基础上，燃烧室身部5沿周向均布有多道冷却通道51，冷却通道51沿燃烧室身部5的长度方向设置，可对燃烧室身部5的整个长度方向进行冷却，冷却距离较长，冷却效果较好。
在具体实施例中，燃烧室总长为300mm，圆直段直径为67.8mm，冷却通道51可以设计为矩形槽道结构，冷却通道51个数n＝60，沿周向均匀分布。冷却通道51的高度h＝4.41mm、宽度w＝1mm，沿程保持不变，冷却较为均匀，防止局部温度过高。
燃烧室身部5的上端和下端分别设置有出口环道和入口环道，出口环道和入口环道分别设置有冷却通道51的出口和入口连，冷却通道51的出口和冷却通道51的入口上均连接有直通接头，具体可以是37°直通接头，密封性良好，必要时可采用紫铜垫片进行有效密封，保证冷却通道51的入口和出口不易泄露。
可选地，冷却通道51通过焊接方式与燃烧室身部5连接，直通接头公称直径可以为DN6。冷却剂为低温液甲烷。
在上述各个具体实施例的基础上，由于燃烧室头部直径小并且结构相对复杂和紧凑，无法安装点火火花塞，故将火花塞安装在燃烧室身部5。
燃烧室身部5设置有火花塞孔，火花塞连接于火花塞孔处，采用高能航空火花塞点火，简单可靠。在燃烧室身部5点火，点火行程较短，点火源能量损失较小，降低了火花塞点火源的能量损耗。
可选地，火花塞孔为螺纹孔，火花塞的连接处具有外螺纹，火花塞与火花塞孔为螺纹连接，比如燃烧室身部5设置M14螺纹孔，采用M14航空火花塞点火，连接方便，便于拆卸。
当然，火花塞安装在燃烧室身部5只是一种优选的实施方式，并不是唯一的，还可以采用火炬式点火器在燃烧室头部点火，点火器与燃气发生器本体同轴安装。
在上述各个具体实施例的基础上，燃烧室身部5在火花塞孔所在位置设置有孤岛式凸台，火花塞孔开设于孤岛式凸台的中间位置，火花通过孤岛式凸台穿过冷却通道51进入燃烧室，产生高温对燃料实施点火。
具体地说，孤岛式凸台结构具有对称性，上游为抛物线形，下游为圆型，中间为火花塞孔，可提高各冷却通道51冷却剂流量的一致性，降低冷却剂流经孤岛式凸台结构的压力损失，并且保证下游的流量均匀分布，将孤岛式凸台结构对冷却剂流动的影响降至最小。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的燃气发生器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种燃气发生器，其特征在于，包括燃烧室头部、与所述燃烧室头部连接的燃烧室身部(5)以及设置于燃烧室上的火花塞，
所述燃烧室头部包括喷注器(4)、设置于所述喷注器(4)外周的燃料集液环(3)、设置于所述喷注器(4)上面的液氧集液腔(1)，所述液氧集液腔(1)上设有液氧入口(43)管接头，所述燃料集液环(3)上设有燃料入口(42)管接头，
所述喷注器(4)包括多个同轴喷注单元(41)，所述同轴喷注单元(41)包括位于中心液氧流道和外环燃料流道，所述中心液氧流道与所述液氧集液腔(1)连通，所述外环燃料流道与所述燃料集液环(3)连通，所述中心液氧流道的末端液氧喷嘴(45)和所述外环燃料流道的末端燃料喷嘴(44)均与所述燃烧室身部(5)连通。
2.根据权利要求1所述的燃气发生器，其特征在于，所述多个同轴喷注单元(41)包括一个中心区同轴喷注单元(41)和多个边区同轴喷注单元(41)，所述多个边区同轴喷注单元(41)布置在以所述中心区同轴喷注单元(41)为中心的同心圆上。
3.根据权利要求2所述的燃气发生器，其特征在于，所述喷注器(4)在靠近所述燃烧室身部(5)的喷注面上设有多圈液膜孔，每圈具有多个燃料液膜冷却喷嘴(46)。
4.根据权利要求3所述的燃气发生器，其特征在于，所述液氧喷嘴(45)为直流喷嘴，所述燃料喷嘴(44)为切向孔式离心喷嘴，所述燃料液膜冷却喷嘴(46)为直流喷嘴。
5.根据权利要求2所述的燃气发生器，其特征在于，所述同轴喷注单元(41)与所述喷注器(4)的喷注面上的安装孔过盈配合；
所述燃料集液环(3)和所述液氧集液腔(1)通过压紧法兰(2)连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的燃气发生器，其特征在于，所述燃烧室身部(5)的端面有法兰盘，所述燃烧室身部(5)与所述燃烧室头部通过法兰方式连接。
7.根据权利要求6所述的燃气发生器，其特征在于，所述法兰盘的端面包含若干道密封槽，所述密封槽内安装有柔性石墨垫圈。
8.根据权利要求6所述的燃气发生器，其特征在于，所述燃烧室身部(5)沿周向均布有多道冷却通道(51)，所述冷却通道(51)沿所述燃烧室身部(5)的长度方向设置，所述燃烧室身部(5)的上端和下端分别设置有与所述冷却通道(51)出口和入口连通的出口环道和入口环道，所述冷却通道(51)的出口和所述冷却通道(51)的入口上均连接有直通接头。
9.根据权利要求6所述的燃气发生器，其特征在于，所述燃烧室身部(5)设置有火花塞孔，所述火花塞连接于所述火花塞孔处，所述火花塞孔为螺纹孔。
10.根据权利要求9所述的燃气发生器，其特征在于，所述燃烧室身部(5)在所述火花塞孔所在位置设置有孤岛式凸台，所述火花塞孔开设于所述孤岛式凸台的中间位置。
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