CN116123565A - 一种燃烧型空气加热器水冷点火段 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃烧型空气加热器水冷点火段，涉及燃烧室技术领域，其技术方案要点是：包括点火段本体和火炬安装座组件，火炬安装座组件与点火段本体的侧壁固定连接，点火段本体的侧壁设有堵头，堵头上设有火炬安装座组件；点火段本体的两端分别固定安装有上游法兰和下游法兰；上游法兰和下游法兰的侧壁均安装有多个直通钢管，多个直通钢管等弧长间隔分布，上游法兰和下游法兰内均设有汇流环槽，汇流环槽与多个直通钢管连通；点火段本体内设有多个冷却剂流通通道。该点火段采用单层壁结构，直接在点火段(燃烧室)本体单层壁中打冷却剂通道孔，从而不需要采用异种金属的真空扩散焊工艺，大幅度降低加工制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧室技术领域，更具体地说，它涉及一种燃烧型空气加热器水冷点火段。
背景技术
点火段(燃烧室)为液体火箭发动机、燃气发生器、燃烧型空气加热器的推进剂(工质)提供燃烧空间，点火段(燃烧室)内发生着燃料的掺混燃烧过程，燃气温度高、压力大，是燃烧型空气加热器等动力装置的关键部段。
为了满足点火段(燃烧室)的高温高压运行要求，如图1所示，现有技术方案为：点火段(燃烧室)采用夹层结构设计，内壳用导热性能较好的铜合金材料，外壳采用不锈钢材料，在铜合金内壳外表面铣若干冷却槽道，冷却槽道中通冷却剂(燃料或冷却水)，内壳与外壳采用异种金属的真空扩散焊连接。此种方案结构强度大，可满足高温高压条件运行要求，但是此种方案需要异种金属的真空扩散焊工艺，制造过程复杂，加工难度大，经费要求高。
本发明主要改进点火段(燃烧室)的结构设计方案，采用单层壁结构，直接在点火段(燃烧室)本体单层壁中打冷却剂通道孔，从而不需要采用异种金属的真空扩散焊工艺，大幅度降低加工制造成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧型空气加热器水冷点火段，该点火段解决了背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种燃烧型空气加热器水冷点火段，包括点火段本体和火炬安装座组件，所述火炬安装座组件与点火段本体的侧壁固定连接，所述点火段本体的侧壁设有堵头，所述堵头上设有火炬安装座组件；所述点火段本体的两端分别固定安装有上游法兰和下游法兰；所述上游法兰和下游法兰的侧壁均安装有多个直通钢管，多个所述直通钢管等弧长间隔分布，所述上游法兰和下游法兰内均设有汇流环槽，所述汇流环槽与多个直通钢管连通；所述点火段本体内设有多个冷却剂流通通道，多个所述冷却剂流通通道延点火段本体的圆环截面等弧长间隔分布，多个所述冷却剂流通通道的两端分别与两个汇流环槽连通。
本发明进一步设置为：所述点火段本体的外径为d4＝d2+2h；其中，d2为点火段本体的内径，h为点火段本体的壁厚，所述点火段本体的壁厚h>15mm，所述点火段本体的长度L≤340mm。
本发明进一步设置为：所述冷却剂流通通道d1为5-6mm，所述冷却剂流通通道所在直径d3＝d2+d1+5，所述冷却剂流通通道的个数为
本发明进一步设置为：所述法兰厚度H>50mm，所述环槽外径d7＝d3+44mm，所述上游法兰或下游法兰的紫铜垫槽内径d5＝d7+4mm；所述紫铜垫槽外径d6＝d5+20mm。
综上所述，本发明具有以下有益效果：该点火段采用单层壁结构，直接在点火段(燃烧室)本体单层壁中打冷却剂通道孔，从而不需要采用异种金属的真空扩散焊工艺，大幅度降低加工制造成本。
附图说明
图1是本发明背景技术中现有点火段(燃烧器)结构示意图；
图2是本发明实施例中点火段结构图；
图3是图2中A-A处的截面图；
图4是本发明实施例中点火段本体的侧视图；
图5是图4中A-A处的截面图；
图6是本发明实施例中点火段本体的正视图；
图7是本发明实施例中法兰的侧视图；
图8是图7中B-B处的截面图；
图9是本发明实施例中法兰的正视图；
图10是本发明实施例中热防护计算域及计算边界条件示意图；
图11是本发明实施例中速度场计算结果图；
图12是本发明实施例中温度场数值计算结果图。
图中：1、点火段本体；2、上游法兰；3、下游法兰；4、堵头；5、火炬安装座组件；6、直通钢管；7、冷却剂流通通道；8、汇流环槽。
具体实施方式
以下结合附图1-12对本发明作进一步详细说明。
实施例：一张燃烧型空气加热器水冷点火段，如图1至图12所示，包括点火段本体1和火炬安装座组件5，火炬安装座组件5与点火段本体1的侧壁固定连接，点火段本体1的侧壁开口处安装有堵头4，堵头4上安装有火炬安装座组件5，同时火炬安装座组件5与点火段本体1氩弧焊连接；点火段本体1的两端分别与上游法兰2和下游法兰3氩弧焊连接；上游法兰2和下游法兰3的侧壁均安装有多个直通钢管6，直通钢管6为冷却剂入口或冷却剂出口，本实施例的直通钢管6采用DN25直通钢管6，且焊接在法兰上，多个直通钢管6等弧长间隔分布，上游法兰2和下游法兰3内均开设有汇流环槽8，汇流环槽8与多个直通钢管6连通；如图4-图6所示，点火段本体1内开有多个冷却剂流通通道7，多个冷却剂流通通道7延点火段本体1的圆环截面等弧长间隔分布，多个冷却剂流通通道7的两端分别与两个汇流环槽8连通。
本实施例优选的，点火段本体1的外径为d4＝d2+2h；其中，d2为点火段本体1的内径，h为点火段本体1的壁厚，点火段本体1的壁厚h>15mm，点火段本体1的长度L≤340mm；本实施例中，点火段本体1的内径d2根据燃烧型空气加热器喷注器有效直径确定，长度L根据燃烧型空气加热器特征长度确定。
本实施例优选的，冷却剂流通通道7d1取4mm，冷却剂流通通道7所在直径d3＝d2+d1+5，冷却剂流通通道7的个数为
本实施例优选的，为保证强度和安装焊接直通钢管6，要求法兰厚度H>50mm，为保证环槽汇流均匀性，要求d7＝d3+44mm，为避免紫铜垫传力到法兰薄弱环节，要求上游法兰2或下游法兰3的紫铜垫槽内径d5＝d7+4mm，紫铜垫槽外径d6＝d5+20mm。
采用商业软件对本发明的点火段热防护能力进行了评估。计算域及边界条件见图10，边界条件汇总见表1。冷却水入口为速度边界6m/s(试验测量数据)，冷却水出口为自由发展流，点火段壁面界面为对称面，受热边根据巴兹公式(参见宇航出版社出版，朱宁昌翻译的专著《液体火箭发动机设计》)给出对流换热系数和热燃气温度1760K(燃烧型空气加热器典型工况点),点火段外壳、端面为绝热边界，冷却水与点火段接触的面为耦合换热边界。
表1仿真所用边界条件
本发明所述点火段计算域内的速度分布见图11，最大速度小于10m/s，冷却水流速符合设计要求(为避免较大压力损失，工程上一般要求冷却剂流速小于15m/s)。
本发明所述点火段计算域内的温度分布见图12。热燃气侧温度最高约800K，小于不锈钢材料的使用温度上限1000K。流经点火段冷却剂通道后，冷却水温升约10℃。
综上，本发明所述点火段设计方案可以满足燃烧型空气加热器等动力装置的高温高压运行需求。冷却剂流速符合工程设计要求，热防护能力可靠。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (4)
1.一种燃烧型空气加热器水冷点火段，包括点火段本体(1)和火炬安装座组件(5)，所述火炬安装座组件(5)与点火段本体(1)的侧壁固定连接，其特征是：所述点火段本体(1)的侧壁设有堵头(4)，所述堵头(4)上设有火炬安装座组件(5)；所述点火段本体(1)的两端分别固定安装有上游法兰(2)和下游法兰(3)；所述上游法兰(2)和下游法兰(3)的侧壁均安装有多个直通钢管(6)，多个所述直通钢管(6)等弧长间隔分布，所述上游法兰(2)和下游法兰(3)内均设有汇流环槽(8)，所述汇流环槽(8)与多个直通钢管(6)连通；所述点火段本体(1)内设有多个冷却剂流通通道(7)，多个所述冷却剂流通通道(7)延点火段本体(1)的圆环截面等弧长间隔分布，多个所述冷却剂流通通道(7)的两端分别与两个汇流环槽(8)连通。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧型空气加热器水冷点火段，其特征是：所述点火段本体(1)的外径为d4＝d2+2h；其中，d2为点火段本体(1)的内径，h为点火段本体的壁厚，所述点火段本体(1)的壁厚h>15mm，所述点火段本体(1)的长度L≤340mm。
3.根据权利要求2所述的一种燃烧型空气加热器水冷点火段，其特征是：所述冷却剂流通通道(7)d1为5-6mm，所述冷却剂流通通道(7)所在直径d3＝d2+d1+5，所述冷却剂流通通道(7)的个数为
4.根据权利要求3所述的一种燃烧型空气加热器水冷点火段，其特征是：所述法兰厚度H>50mm，所述环槽外径d7＝d3+44mm，所述上游法兰(2)或下游法兰(3)的紫铜垫槽内径d5＝d7+4mm；所述紫铜垫槽外径d6＝d5+20mm。
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