CN115615651B - 一种用于高超声速高温风洞的分体式喷注器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高超声速高温风洞试验技术领域，公开了一种用于高超声速高温风洞的分体式喷注器。分体式喷注器采用分体设计，包括喷注器壳体和喷注面板，喷注器壳体由锻件加工制造，具有承压能力；喷注面板由燃料面板、氧化剂面板和喷嘴组成，采用真空钎焊连接。喷注面板安装在喷注器壳体内，通过沿周向均匀分布的螺钉固定。喷注面板内采用背向安装的氧化剂隔离密封圈、燃料隔离密封圈实现燃料集液腔和氧化剂集液腔的隔离密封，氧化剂隔离密封圈、燃料隔离密封圈中间设置隔离检查孔，通过压力传感器实时检测氧化剂隔离密封圈和燃料隔离密封圈之间的密封隔离状态。分体式喷注器能够满足高超声速飞行器以及超燃冲压发动机试验的需求。
Description
技术领域
本发明属于高超声速高温风洞试验技术领域，具体涉及一种用于高超声速高温风洞的分体式喷注器。
背景技术
在高超声速高温中开展高超声速飞行器以及超燃冲压发动机试验时，需要模拟马赫数、压力、温度、氧含量等参数，通常采用空气加热器对试验气体进行加热。燃烧加热器由于成本较低、启动迅速、运行时间长以及可提供高焓、高压的来流条件而得到广泛的应用。燃烧加热器与液体火箭发动机的工作原理基本一致，均是将燃烧剂和氧化剂经喷注器喷入燃烧室，完成掺混和燃烧等过程，产生高温高压燃气。
喷注器的主要作用是合理分配燃料和氧化剂，并进行燃料和氧化剂的雾化和掺混，是燃烧加热器的核心部件，主要包括氧化剂集液腔、燃料集液腔、喷嘴等部件。根据流量不同，喷嘴数量一般为几个至几百个，为了保证氧化剂集液腔与燃料集液腔之间不串腔，通常采用整体式喷注器，整体式喷注器的各喷嘴采用焊接方式将各部件组合成一个整体。但是，对于开展地面试验的燃烧加热器而言，因为状态参数众多，且要求重复使用，整体式喷注器不利于喷嘴压降等参数调整，而且一旦个别喷嘴出现烧蚀或损坏，整个整体式喷注器就报废了，成本代价高昂。
当前，亟需发展一种用于高超声速高温风洞的分体式喷注器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高超声速高温风洞的分体式喷注器。
本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特点是，所述的分体式喷注器采用分体设计，包括喷注器壳体和喷注面板，喷注器壳体的前端为氧化剂进口，喷注器壳体的后端连接喷注面板；喷注面板的阶梯圆台从后至前嵌入喷注器壳体对应的阶梯凹槽中，通过沿周向均匀分布的螺钉固定在喷注器壳体上；
喷注面板的阶梯圆台分为两个阶梯，阶梯圆台的前端和后端均封闭，前端的燃料面板上设置有若干个均匀分布的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ的轴线与喷注器壳体的中心轴线平行，后端的氧化剂面板上设置有若干个中心对称分布阵列排列的通孔Ⅱ，通孔Ⅱ的轴线也与喷注器壳体的中心轴线平行；通孔Ⅰ的数量远少于通孔Ⅱ的数量，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ错位分布，每个通孔Ⅱ内从后至前插入一个喷嘴，各喷嘴顶紧前端的燃料面板；在各喷嘴的前段，沿周向开有若干个均匀分布的燃料孔，在各喷嘴的后段，周向开有若干个均匀分布的氧化剂孔；阶梯圆台的前方圆台直径小于后方圆台直径，前方圆台上对应于喷嘴的燃料孔位置的周向封闭，定义为前方圆台Ⅰ，前方圆台上对应于的喷嘴的氧化剂孔的周向开有若干个平行于喷注器壳体的中心轴线的通槽，定义为前方圆台Ⅱ，前方圆台Ⅰ和前方圆台Ⅱ的外径相等；后方圆台设置有环形凹槽和与螺钉一一对应周向均匀分布的螺钉沉孔；
喷注器壳体的阶梯凹槽分为三个阶梯；阶梯凹槽的前端面为锥角向前的锥面；阶梯凹槽的第一个阶梯与前方圆台Ⅰ对应，前方圆台Ⅰ嵌入前阶梯凹槽的第一个阶梯；阶梯凹槽的第二个阶梯与前方圆台Ⅱ对应，阶梯凹槽的第二个阶梯的内径大于前方圆台Ⅱ的外径，阶梯凹槽的第二个阶梯的侧壁沿周向设置有若干个矩形锯齿，矩形锯齿之间的空腔在轴线方向贯通喷注器壳体，形成氧化剂分流通道，矩形锯齿之间的空腔在径向方向与前方圆台Ⅱ的通槽一一对应连通；阶梯凹槽的第三个阶梯端面设置有环形凸台；
喷注面板的阶梯圆台从后至前嵌入喷注器壳体的阶梯凹槽，环形凸台卡入环形凹槽时，阶梯凹槽的锥面与前方圆台Ⅰ的前端的燃料面板之间的空腔为燃料集液腔，燃料集液腔与燃料进口连通；前方圆台Ⅱ、阶梯凹槽的第二个阶梯、各喷嘴的后段之间封闭的空腔为氧化剂集液腔；在前方圆台Ⅰ的周向，采用背向安装方式安装氧化剂隔离密封圈和燃料隔离密封圈，实现燃料集液腔和氧化剂集液腔的隔离密封，在氧化剂隔离密封圈和燃料隔离密封圈中间设置隔离检查孔，通过压力传感器实时检测氧化剂隔离密封圈和燃料隔离密封圈之间的密封隔离状态；
氧化剂通过氧化剂进口进入，经氧化剂分流通道和前方圆台Ⅱ的通槽，将沿轴向流动转变为沿径向流动，再进入氧化剂集液腔，在氧化剂集液腔内通过喷嘴的氧化剂孔进入喷嘴；燃料经燃料进口进入燃料集液腔，在燃料集液腔内通过喷嘴的燃料孔进入喷嘴；氧化剂和燃料在喷嘴出口位置进行掺混、雾化、蒸发和燃烧。
进一步地，所述的氧化剂为常温空气和低温液氧混合后形成的低温富氧空气，氧化剂的温度范围为-100℃至-50℃；燃料为液体燃料，为异丁烷或酒精中的一种。
进一步地，所述的燃料面板和喷嘴之间、氧化剂面板和喷嘴之间均采用真空钎焊密封连接。
进一步地，所述的喷注器壳体采用锻件加工制造，最高承压25MPa。
进一步地，所述的喷注面板包括一系列根据试验需求设计的相互替换的单体喷注面板。
进一步地，所述的氧化剂隔离密封圈和燃料隔离密封圈均为自增强弹簧蓄能密封圈，自增强弹簧蓄能密封圈的基体材料为聚四氟乙烯，基体材料内部安装的金属弹簧材料为316不锈钢，自增强弹簧蓄能密封圈的工作温度范围为-196℃~200℃，自增强弹簧蓄能密封圈最高承压40MPa；氧化剂隔离密封圈朝向氧化剂集液腔，燃料隔离密封圈朝向燃料集液腔；
初始安装时，自增强弹簧蓄能密封圈通过金属弹簧张紧实现零压密封，当燃料集液腔或氧化剂集液腔压力升高时，氧化剂隔离密封圈的密封力由氧化剂集液腔提供，燃料隔离密封圈的密封力由燃料集液腔提供，保证在零压和高压下均能实现良好密封。
进一步地，所述的隔离检查孔通过软管连接压力传感器，压力传感器在试验前测试、在试验中监测氧化剂隔离密封圈和燃料隔离密封圈之间的密封隔离状态；隔离检查孔的内径为3mm。
本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器分为喷注器壳体和喷注面板两大部分，喷注器壳体为共用部件，设计多套不同参数的喷注面板，可以根据不同试验需要组合使用，能够满足高超声速飞行器以及超燃冲压发动机试验的需求。
附图说明
图1为本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器的组合图；
图2为本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器的分体图；
图3为本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器的剖面图；
图4为本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器的喷注器壳体与喷注面板安装及密封结构剖视图；
图5为本发明的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器的喷注器壳体与喷注面板安装及密封结构剖视图（局部放大图）。
图中，1.喷注器壳体；2.喷注面板；
101.氧化剂进口；102.氧化剂分流通道；103.燃料进口；
201.氧化剂集液腔；202.燃料集液腔；
301.氧化剂隔离密封圈；302.燃料隔离密封圈；303.隔离检查孔。
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~图5所示，本实施例的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器采用分体设计，包括喷注器壳体1和喷注面板2，喷注器壳体1的前端为氧化剂进口101，喷注器壳体1的后端连接喷注面板2；喷注面板2的阶梯圆台从后至前嵌入喷注器壳体1对应的阶梯凹槽中，通过沿周向均匀分布的螺钉固定在喷注器壳体1上；
喷注面板2的阶梯圆台分为两个阶梯，阶梯圆台的前端和后端均封闭，前端的燃料面板上设置有若干个均匀分布的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ的轴线与喷注器壳体1的中心轴线平行，后端的氧化剂面板上设置有若干个中心对称分布阵列排列的通孔Ⅱ，通孔Ⅱ的轴线也与喷注器壳体1的中心轴线平行；通孔Ⅰ的数量远少于通孔Ⅱ的数量，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ错位分布，每个通孔Ⅱ内从后至前插入一个喷嘴，各喷嘴顶紧前端的燃料面板；在各喷嘴的前段，沿周向开有若干个均匀分布的燃料孔，在各喷嘴的后段，周向开有若干个均匀分布的氧化剂孔；阶梯圆台的前方圆台直径小于后方圆台直径，前方圆台上对应于喷嘴的燃料孔位置的周向封闭，定义为前方圆台Ⅰ，前方圆台上对应于的喷嘴的氧化剂孔的周向开有若干个平行于喷注器壳体1的中心轴线的通槽，定义为前方圆台Ⅱ，前方圆台Ⅰ和前方圆台Ⅱ的外径相等；后方圆台设置有环形凹槽和与螺钉一一对应周向均匀分布的螺钉沉孔；
喷注器壳体1的阶梯凹槽分为三个阶梯；阶梯凹槽的前端面为锥角向前的锥面；阶梯凹槽的第一个阶梯与前方圆台Ⅰ对应，前方圆台Ⅰ嵌入前阶梯凹槽的第一个阶梯；阶梯凹槽的第二个阶梯与前方圆台Ⅱ对应，阶梯凹槽的第二个阶梯的内径大于前方圆台Ⅱ的外径，阶梯凹槽的第二个阶梯的侧壁沿周向设置有若干个矩形锯齿，矩形锯齿之间的空腔在轴线方向贯通喷注器壳体1，形成氧化剂分流通道102，矩形锯齿之间的空腔在径向方向与前方圆台Ⅱ的通槽一一对应连通；阶梯凹槽的第三个阶梯端面设置有环形凸台；
喷注面板2的阶梯圆台从后至前嵌入喷注器壳体1的阶梯凹槽，环形凸台卡入环形凹槽时，阶梯凹槽的锥面与前方圆台Ⅰ的前端的燃料面板之间的空腔为燃料集液腔202，燃料集液腔202与燃料进口103连通；前方圆台Ⅱ、阶梯凹槽的第二个阶梯、各喷嘴的后段之间封闭的空腔为氧化剂集液腔201；在前方圆台Ⅰ的周向，采用背向安装方式安装氧化剂隔离密封圈301和燃料隔离密封圈302，实现燃料集液腔202和氧化剂集液腔201的隔离密封，在氧化剂隔离密封圈301和燃料隔离密封圈302中间设置隔离检查孔303，通过压力传感器实时检测氧化剂隔离密封圈301和燃料隔离密封圈302之间的密封隔离状态；
氧化剂通过氧化剂进口101进入，经氧化剂分流通道102和前方圆台Ⅱ的通槽，将沿轴向流动转变为沿径向流动，再进入氧化剂集液腔201，在氧化剂集液腔201内通过喷嘴的氧化剂孔进入喷嘴；燃料经燃料进口103进入燃料集液腔202，在燃料集液腔202内通过喷嘴的燃料孔进入喷嘴；氧化剂和燃料在喷嘴出口位置进行掺混、雾化、蒸发和燃烧。
进一步地，所述的氧化剂为常温空气和低温液氧混合后形成的低温富氧空气，氧化剂的温度范围为-100℃至-50℃；燃料为液体燃料，为异丁烷或酒精中的一种。
进一步地，所述的燃料面板和喷嘴之间、氧化剂面板和喷嘴之间均采用真空钎焊密封连接。
进一步地，所述的喷注器壳体1采用锻件加工制造，最高承压25MPa。
进一步地，所述的喷注面板2包括一系列根据试验需求设计的相互替换的单体喷注面板。
进一步地，所述的氧化剂隔离密封圈301和燃料隔离密封圈302均为自增强弹簧蓄能密封圈，自增强弹簧蓄能密封圈的基体材料为聚四氟乙烯，基体材料内部安装的金属弹簧材料为316不锈钢，自增强弹簧蓄能密封圈的工作温度范围为-196℃~200℃，自增强弹簧蓄能密封圈最高承压40MPa；氧化剂隔离密封圈301朝向氧化剂集液腔201，燃料隔离密封圈302朝向燃料集液腔202；
初始安装时，自增强弹簧蓄能密封圈通过金属弹簧张紧实现零压密封，当燃料集液腔202或氧化剂集液腔201压力升高时，氧化剂隔离密封圈301的密封力由氧化剂集液腔201提供，燃料隔离密封圈302的密封力由燃料集液腔202提供，保证在零压和高压下均能实现良好密封。
进一步地，所述的隔离检查孔303通过软管连接压力传感器，压力传感器在试验前测试、在试验中监测氧化剂隔离密封圈301和燃料隔离密封圈302之间的密封隔离状态；隔离检查孔303的内径为3mm。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅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领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，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 (6)
1.一种用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特征在于，所述的分体式喷注器采用分体设计，包括喷注器壳体（1）和喷注面板（2），喷注器壳体（1）的前端为氧化剂进口（101），喷注器壳体（1）的后端连接喷注面板（2）；喷注面板（2）的阶梯圆台从后至前嵌入喷注器壳体（1）对应的阶梯凹槽中，通过沿周向均匀分布的螺钉固定在喷注器壳体（1）上；
所述的喷注面板（2）包括一系列根据试验需求设计的相互替换的单体的喷注面板（2）；
喷注面板（2）的阶梯圆台分为两个阶梯，阶梯圆台的前端和后端均封闭，前端的燃料面板上设置有若干个均匀分布的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ的轴线与喷注器壳体（1）的中心轴线平行，后端的氧化剂面板上设置有若干个中心对称分布阵列排列的通孔Ⅱ，通孔Ⅱ的轴线也与喷注器壳体（1）的中心轴线平行；通孔Ⅰ的数量远少于通孔Ⅱ的数量，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ错位分布，每个通孔Ⅱ内从后至前插入一个喷嘴，各喷嘴顶紧前端的燃料面板；在各喷嘴的前段，沿周向开有若干个均匀分布的燃料孔，在各喷嘴的后段，周向开有若干个均匀分布的氧化剂孔；阶梯圆台的前方圆台直径小于后方圆台直径，前方圆台上对应于喷嘴的燃料孔位置的周向封闭，定义为前方圆台Ⅰ，前方圆台上对应于的喷嘴的氧化剂孔的周向开有若干个平行于喷注器壳体（1）的中心轴线的通槽，定义为前方圆台Ⅱ，前方圆台Ⅰ和前方圆台Ⅱ的外径相等；后方圆台设置有环形凹槽和与螺钉一一对应周向均匀分布的螺钉沉孔；
喷注器壳体（1）的阶梯凹槽分为三个阶梯；阶梯凹槽的前端面为锥角向前的锥面；阶梯凹槽的第一个阶梯与前方圆台Ⅰ对应，前方圆台Ⅰ嵌入前阶梯凹槽的第一个阶梯；阶梯凹槽的第二个阶梯与前方圆台Ⅱ对应，阶梯凹槽的第二个阶梯的内径大于前方圆台Ⅱ的外径，阶梯凹槽的第二个阶梯的侧壁沿周向设置有若干个矩形锯齿，矩形锯齿之间的空腔在轴线方向贯通喷注器壳体（1），形成氧化剂分流通道（102），矩形锯齿之间的空腔在径向方向与前方圆台Ⅱ的通槽一一对应连通；阶梯凹槽的第三个阶梯端面设置有环形凸台；
喷注面板（2）的阶梯圆台从后至前嵌入喷注器壳体（1）的阶梯凹槽，环形凸台卡入环形凹槽时，阶梯凹槽的锥面与前方圆台Ⅰ的前端的燃料面板之间的空腔为燃料集液腔（202），燃料集液腔（202）与燃料进口（103）连通；前方圆台Ⅱ、阶梯凹槽的第二个阶梯、各喷嘴的后段之间封闭的空腔为氧化剂集液腔（201）；在前方圆台Ⅰ的周向，采用背向安装方式安装氧化剂隔离密封圈（301）和燃料隔离密封圈（302），实现燃料集液腔（202）和氧化剂集液腔（201）的隔离密封，在氧化剂隔离密封圈（301）和燃料隔离密封圈（302）中间设置隔离检查孔（303），通过压力传感器实时检测氧化剂隔离密封圈（301）和燃料隔离密封圈（302）之间的密封隔离状态；
氧化剂通过氧化剂进口（101）进入，经氧化剂分流通道（102）和前方圆台Ⅱ的通槽，将沿轴向流动转变为沿径向流动，再进入氧化剂集液腔（201），在氧化剂集液腔（201）内通过喷嘴的氧化剂孔进入喷嘴；燃料经燃料进口（103）进入燃料集液腔（202），在燃料集液腔（202）内通过喷嘴的燃料孔进入喷嘴；氧化剂和燃料在喷嘴出口位置进行掺混、雾化、蒸发和燃烧。
2.根据权利要求1所述的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特征在于，所述的氧化剂为常温空气和低温液氧混合后形成的低温富氧空气，氧化剂的温度范围为-100℃至-50℃；燃料为液体燃料，为异丁烷或酒精中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特征在于，所述的燃料面板和喷嘴之间、氧化剂面板和喷嘴之间均采用真空钎焊密封连接。
4.根据权利要求1所述的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特征在于，所述的喷注器壳体（1）采用锻件加工制造，最高承压25MPa。
5.根据权利要求1所述的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特征在于，所述的氧化剂隔离密封圈（301）和燃料隔离密封圈（302）均为自增强弹簧蓄能密封圈，自增强弹簧蓄能密封圈的基体材料为聚四氟乙烯，基体材料内部安装的金属弹簧材料为316不锈钢，自增强弹簧蓄能密封圈的工作温度范围为-196℃~200℃，自增强弹簧蓄能密封圈最高承压40MPa；氧化剂隔离密封圈（301）朝向氧化剂集液腔（201），燃料隔离密封圈（302）朝向燃料集液腔（202）；
初始安装时，自增强弹簧蓄能密封圈通过金属弹簧张紧实现零压密封，当燃料集液腔（202）或氧化剂集液腔（201）压力升高时，氧化剂隔离密封圈（301）的密封力由氧化剂集液腔（201）提供，燃料隔离密封圈（302）的密封力由燃料集液腔（202）提供，保证在零压和高压下均能实现良好密封。
6.根据权利要求1所述的用于高超声速高温风洞的分体式喷注器，其特征在于，所述的隔离检查孔（303）通过软管连接压力传感器，压力传感器在试验前测试、在试验中监测氧化剂隔离密封圈（301）和燃料隔离密封圈（302）之间的密封隔离状态；隔离检查孔（303）的内径为3mm。
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