CN115435338B

CN115435338B - 一种采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器

Info

Publication number: CN115435338B
Application number: CN202211395509.1A
Authority: CN
Inventors: 杨样; 刘崇智; 曾令国; 唐志共
Original assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2042-11-09
Also published as: CN115435338A

Abstract

本发明公开了一种采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器。该喷注器包括以喷注器圆心为中心，呈N个同心圆排列的喷嘴，N≥8，对N/2进行向上取整，得到M；M圈以内的喷嘴采用中心喷嘴；第M圈的喷嘴采用隔板喷嘴；在第M圈以外、位于圆周上第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的喷嘴也采用隔板喷嘴；在第M圈以外、位于圆周第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的隔板喷嘴两侧采用分区喷嘴，隔板喷嘴的顺时针一侧布置三角形分布的分区喷嘴；剩余的喷嘴均为基本喷嘴。该喷注器能够较好地兼顾燃烧稳定性和流场均匀性，解决了大尺寸的高温燃烧风洞或燃气流装置核心燃烧组织设计问题。

Description

一种采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器

技术领域

本发明属于高温燃烧风洞技术领域，具体涉及一种采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器。

背景技术

燃烧加热器是高温燃烧风洞或燃气流装置的核心子系统。随着高温燃烧风洞、燃气流装置往更大尺度发展，需要发展具有更高性能的大流量燃烧加热器。大流量燃烧加热器通常需要高效组织液态燃料（如酒精、煤油、异丁烷等）、液氧和空气形成喷雾燃烧，并在出口获得均一的试验气体（包括组分场、温度场和速度场）。对于大流量燃烧加热器，往往面临燃烧不稳定性的技术难题。所谓燃烧不稳定，是指燃烧压力、温度和速度呈现周期性振荡，从而导致加热器或发动机振动和局部热负荷加剧，使得加热器遭到破坏和烧蚀。比如，在大型液体火箭发动机燃烧室研制中，抑制燃烧不稳定一直以来就是世界级技术难题，一旦发生，需要投入大量资源才能解决。特别地，对于大尺寸的高温燃烧风洞或燃气流装置，一般还需要保持出口试验气流的均一性，而为了保持均匀性，往往更容易导致产生燃烧不稳定。

现有的大型燃烧器或液体火箭发动机推力室往往采用隔板和声腔来抑制振荡，主要存在以下问题：

a.采用实体隔板，由于隔板处没有燃烧，导致出口处对应隔板的位置温度偏低，这对于主要关注推力的液体火箭发动机而言不会导致问题，但对于应用于高温燃烧风洞一类的场合可能导致流场均匀性恶化，近期发展的隔板喷嘴可以减弱流场不均匀性，但需特别注意隔板喷嘴的强度和防热设计；

b.采用声腔，声腔主要用于抑制高阶振荡，对于破坏力显著的一阶压力振荡作用有限；

c.实体隔板的布置和声腔设计依赖于经验，往往需要设计-试验多轮迭代优化才能获得合适的设计方案，需要耗费极大财力、物力和人力。

当前，亟需发展一种适用于高温燃烧风洞的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器。

本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器，其特点是，所述的喷注器包括以喷注器圆心为中心，呈N个同心圆排列的喷嘴，N≥8，对N/2进行向上取整，得到M；M圈以内的喷嘴采用中心喷嘴；第M圈的喷嘴采用隔板喷嘴；在第M圈以外、位于圆周上第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的喷嘴也采用隔板喷嘴；在第M圈以外、位于圆周第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的隔板喷嘴两侧采用分区喷嘴，还在隔板喷嘴的顺时针一侧布置三角形分布的分区喷嘴；剩余的喷嘴均为基本喷嘴；

分区喷嘴、基本喷嘴和中心喷嘴的出口与喷注器面板的表面平齐；隔板喷嘴伸出喷注器面板高度为50mm~150mm；隔板喷嘴附近的喷注器面板上开有气孔，气孔内喷出的高压气体形成气膜，气膜冷却隔板喷嘴并隔绝隔板喷嘴周围的热流；

隔板喷嘴、分区喷嘴、基本喷嘴和中心喷嘴采用同轴直流喷嘴或者同轴离心喷嘴；隔板喷嘴、分区喷嘴、基本喷嘴和中心喷嘴采用燃料和氧化剂比例相同的液态燃料；

以基本喷嘴流量为1，则隔板喷嘴流量为基本喷嘴流量的0.6~0.8倍，分区喷嘴流量为基本喷嘴流量的1.3~1.5倍，中心喷嘴流量为基本喷嘴流量的1.5~2倍。

进一步地，所述的喷注器应用于液体烃类或者富氧空气燃烧的加热器，隔板喷嘴和分区喷嘴采用同轴直流喷嘴，基本喷嘴和中心喷嘴采用同轴离心喷嘴。

进一步地，所述的隔板喷嘴的材质为不锈钢。

进一步地，所述的分区喷嘴、基本喷嘴和中心喷嘴的材质均为铬锆铜。

本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器瞄准解决燃烧不稳定关键措施是能量释放不均匀，除利用隔板喷嘴的物理隔离外，还通过中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴的流量和喷雾形态差异造成横向及纵向能量释放不均匀，在加强抑制燃烧不稳定性同时，极大削弱了诱发燃烧不稳定性的不利因素，而且可根据需要，为隔板喷嘴、中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴灵活选用同轴直流喷嘴或同轴离心喷嘴，使得本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器能够应用于各类燃料和氧化剂，具有通用性。

本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器通过隔板喷嘴、中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴的组合应用，结合物理隔离、横向能量释放不均匀、纵向能量释放不均匀三个技术手段，达到大流量燃烧器不稳定燃烧“防治结合”的目的。隔板喷嘴、中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴的流量不同，能够产生横向能量释放不均匀的效果。但是，隔板喷嘴、中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴的燃料和氧化剂比例维持相同，从而使得燃烧室各流线处组分浓度、温度等保持均一，燃烧加热器出口试验气流具备良好的流场均匀性。

本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器，具体采取以下措施：

1.隔板喷嘴通常伸出喷注器面板50~150mm，将整个燃烧区域划分成一周多径或两周多径，从而将燃烧室划分成若干小燃烧区域，起到物理隔离作用，有效抑制压力波的横向传播，提高激发不稳定燃烧所需的能量；同时，为了防止隔板喷嘴热流过大烧蚀，隔板喷嘴通常采用同轴直流喷嘴，且流量为基本喷嘴的0.6~0.8倍左右。

2.在第M圈的隔板喷嘴以内布置中心喷嘴，中心喷嘴流量显著大于基本喷嘴，为基本喷嘴流量的1.5~2倍，主要目的是将更大的能量释放集中在中心区域，这是考虑到越靠近外径，横向振荡的破坏力往往越强，将横向能量释放密度向中心区域集中，有利于减弱大破坏力的边区振荡。

3.在第M圈以外、隔板喷嘴两侧采用分区喷嘴，且分区喷嘴流量为基本喷嘴流量的1.3~1.5倍，能够进一步加强外围径向分区内的能量分布不均匀性，进一步减弱该区域内激发不稳定燃烧的可能性。

4.隔板喷嘴、中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴分别采用同轴直流喷嘴和同轴离心喷嘴两种不同形式。其中，隔板喷嘴和分区喷嘴采用同轴直流喷嘴，中心喷嘴和基本喷嘴采用同轴离心喷嘴。同轴直流喷嘴和同轴离心喷嘴采用不同燃料喷注方式，隔板喷嘴及分区喷嘴采用直流喷注，喷射距离长，有利于形成纵向能量不均匀分布。当本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器应用于液体烃类和富氧空气燃烧的加热器时，考虑到同轴离心喷嘴有更好的雾化场，能更快完成燃烧区，而同轴直流喷嘴通常燃烧区靠后一些，有利于形成纵向能量不均匀分布。

5.各种喷嘴采用燃料和氧化剂比例相同的液态燃料，无燃料和氧化剂类型限制，各类液体燃料及气体氧化剂均可适用。燃烧室各流线处组分浓度、温度等保持均一，燃烧加热器出口试验气流具备良好的流场均匀性。

6.隔板喷嘴采用不锈钢材质，是考虑到不锈钢材料能够增加结构强度，更加适应隔板喷嘴在隔绝切向振荡时突出部分的根部受切变应力较大的情况，同时在喷嘴附近面板开气孔，利用气膜进行冷却并隔绝热流；中心喷嘴、分区喷嘴与基本喷嘴均采用铬锆铜材质，是考虑到铬锆铜能够兼顾高导热率及较高力学强度。

本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器能够较好地兼顾燃烧稳定性和流场均匀性，解决了大尺寸的高温燃烧风洞或燃气流装置核心燃烧组织设计问题，使得出口试验气流的燃烧稳定性和出口流场均匀性指标均能够达到高水平，燃烧室室压在稳定运行状态波动幅值较平面分布面板显著降低60%以上，整个大流量燃烧加热喷注器振动加速度降低80%以上。

附图说明

图1为本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器的结构示意图；

图2为本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器采用的同轴直流喷嘴结构示意图；

图3为本发明的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器采用的同轴离心喷嘴结构示意图。

图中，1.隔板喷嘴；2.分区喷嘴；3.基本喷嘴；4.中心喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器取N=8，M=4，包括以喷注器圆心为中心，呈8个同心圆排列的喷嘴；第4圈的喷嘴采用隔板喷嘴1；在第4圈以外、位于圆周上第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的喷嘴也采用隔板喷嘴1；在第4圈以外、位于圆周第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的隔板喷嘴1两侧采用分区喷嘴2，还在隔板喷嘴1的顺时针一侧布置三角形分布的分区喷嘴2；剩余的喷嘴均为基本喷嘴3；

分区喷嘴2、基本喷嘴3和中心喷嘴4的出口与喷注器面板的表面平齐；隔板喷嘴1伸出喷注器面板高度为50mm~150mm；隔板喷嘴1附近的喷注器面板上开有气孔，气孔内喷出的高压气体形成气膜，气膜冷却隔板喷嘴1并隔绝隔板喷嘴1周围的热流；

隔板喷嘴1、分区喷嘴2、基本喷嘴3和中心喷嘴4采用同轴直流喷嘴或者同轴离心喷嘴；隔板喷嘴1、分区喷嘴2、基本喷嘴3和中心喷嘴4采用燃料和氧化剂比例相同的液态燃料；

以基本喷嘴3流量为1，则隔板喷嘴1流量为基本喷嘴3流量的0.6~0.8倍，分区喷嘴2流量为基本喷嘴3流量的1.3~1.5倍，中心喷嘴4流量为基本喷嘴3流量的1.5~2倍。

进一步地，所述的喷注器应用于液体烃类或者富氧空气燃烧的加热器，隔板喷嘴1和分区喷嘴2采用同轴直流喷嘴，基本喷嘴3和中心喷嘴4采用同轴离心喷嘴。

进一步地，所述的隔板喷嘴1的材质为不锈钢。

进一步地，所述的分区喷嘴2、基本喷嘴3和中心喷嘴4的材质均为铬锆铜。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的技术领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器，其特征在于，所述的喷注器包括以喷注器圆心为中心，呈N个同心圆排列的喷嘴，N≥8，对N/2进行向上取整，得到M；M圈以内的喷嘴采用中心喷嘴（4）；第M圈的喷嘴采用隔板喷嘴（1）；在第M圈以外、位于圆周上第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的喷嘴也采用隔板喷嘴（1）；在第M圈以外、位于圆周第0°、60°、120°、180°、240°、300°位置的隔板喷嘴（1）两侧采用分区喷嘴（2），还在隔板喷嘴（1）的顺时针一侧布置三角形分布的分区喷嘴（2）；剩余的喷嘴均为基本喷嘴（3）；

分区喷嘴（2）、基本喷嘴（3）和中心喷嘴（4）的出口与喷注器面板的表面平齐；隔板喷嘴（1）伸出喷注器面板高度为50mm~150mm；隔板喷嘴（1）附近的喷注器面板上开有气孔，气孔内喷出的高压气体形成气膜，气膜冷却隔板喷嘴（1）并隔绝隔板喷嘴（1）周围的热流；

隔板喷嘴（1）、分区喷嘴（2）、基本喷嘴（3）和中心喷嘴（4）采用同轴直流喷嘴或者同轴离心喷嘴；隔板喷嘴（1）、分区喷嘴（2）、基本喷嘴（3）和中心喷嘴（4）采用燃料和氧化剂比例相同的液态燃料；

以基本喷嘴（3）流量为1，则隔板喷嘴（1）流量为基本喷嘴（3）流量的0.6~0.8倍，分区喷嘴（2）流量为基本喷嘴（3）流量的1.3~1.5倍，中心喷嘴（4）流量为基本喷嘴（3）流量的1.5~2倍。

2.根据权利要求1所述的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器，其特征在于，所述的喷注器应用于液体烃类或者富氧空气燃烧的加热器，隔板喷嘴（1）和分区喷嘴（2）采用同轴直流喷嘴，基本喷嘴（3）和中心喷嘴（4）采用同轴离心喷嘴。

3.根据权利要求1所述的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器，其特征在于，所述的隔板喷嘴（1）的材质为不锈钢。

4.根据权利要求1所述的采用混合喷嘴的大流量燃烧加热喷注器，其特征在于，所述的分区喷嘴（2）、基本喷嘴（3）和中心喷嘴（4）的材质均为铬锆铜。