CN116146981B - 一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板 - Google Patents

一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板 Download PDF

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Abstract

本发明属于高超声速高温风洞技术领域，具体涉及一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板。喷注面板中的喷嘴采用同心圆布置方式，在均匀分布的若干个半径和中心圆圈上安装凸出喷注器面的隔板喷嘴作为隔断，隔板喷嘴将喷注面板分隔为中心圆形区域和若干个扇形区域，每个区域内安装缩进喷注器面的基本喷嘴。基本喷嘴为双组元同轴离心喷嘴，既供应燃料又供应氧化剂，是燃烧组织的基本单元。隔板喷嘴只供应氧化剂，是燃烧组织的辅助单元；一部分在隔板喷嘴凸出喷注器面的圆柱侧面形成一层低温气膜进行防护；另一部分氧化剂在隔板喷嘴出口端面形成一层低温气膜进行防护。喷注面板能够抑制高频燃烧振荡，同时，能够对伸入高温燃气的隔板喷嘴进行热防护。

Description

一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板
技术领域
本发明属于高超声速高温风洞技术领域，具体涉及一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板。
背景技术
在风洞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，产生高温高压的燃气。
喷注器的主要作用是对燃料和氧化剂进行合理分配，并实现燃料和氧化剂的雾化和掺混，喷注器是燃烧加热器的核心部件，同一喷注器面上布置的喷嘴数量一般为几个至几百个。当喷注器的尺寸达到一定尺度时，极易产生高频燃烧振荡现象，对设备造成严重损害。
当前，亟需发展一种能够抑制高频燃烧振荡的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板。
本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，其特点是，所述的喷注面板为封闭的管体，管体的前端为燃料面板，管体的后端为氧化剂面板，燃料面板和氧化剂面板之间贯穿并固定若干个喷嘴；喷嘴的出口位于氧化剂面板的圆形的喷注器面上，以喷注器面的圆心为中心，喷嘴沿喷注器面的径向分布并呈N个同心圆排列，N≥6；喷嘴包括隔板喷嘴和基本喷嘴；在喷注器面上取均匀分布的M个半径，M≥3，在各半径上，对N/2进行向上取整，得到L；从外圈至内圈依次布置L个隔板喷嘴，在第L个隔板喷嘴的圆周上，全部布置隔板喷嘴；隔板喷嘴将喷注器面分成M+1个区域，中心区域为圆形区域，四周区域为扇形区域，各区域内布置基本喷嘴；中心区域的基本喷嘴数量与单个扇形区域中的基本喷嘴数量的差值范围为0~5；
基本喷嘴为双组元同轴离心喷嘴，基本喷嘴的中心采用离心喷嘴供应燃料，基本喷嘴的环缝采用直流喷嘴供应氧化剂；离心喷嘴缩进喷注器面10mm~20mm，形成缩进室；氧化剂和燃料在基本喷嘴的缩进室内或出口处进行掺混、雾化、蒸发和燃烧；
隔板喷嘴为柱体，隔板喷嘴内供应氧化剂；隔板喷嘴的前段插入并固定在燃料面板上；隔板喷嘴中段和后段的中心轴线上设置有中心通气孔，中段的侧壁还设置有沿周向均匀分布的侧向进气孔，侧向进气孔的轴线与中心轴线垂直；隔板喷嘴的后段凸出并固定在氧化剂面板上，凸出喷注器面50mm~80mm；在隔板喷嘴的后段的中心通气孔上，从前至后设置有K圈沿周向均匀分布的侧壁截面喷孔，侧壁截面喷孔的轴线与中心轴线的夹角范围为30°~60°；在后段的圆柱表面上，从前至后设置有与K-1圈侧壁截面喷孔一一对应的K-1圈侧壁环形槽，K-1圈侧壁截面喷孔的出口在对应的K-1圈侧壁环形槽内，最后1圈侧壁截面喷孔为尾部侧向喷孔，尾部侧向喷孔的出口在隔板喷嘴的出口端面上且沿周向分布，中心通气孔的出口为尾部喷孔，尾部喷孔的出口在隔板喷嘴的出口端面的中心；尾部喷孔的内径小于中心通气孔的内径。
进一步地，所述的燃料为异丁烷或者酒精中的一种，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，低温富氧空气的温度范围为-100℃至-50℃。
进一步地，所述的隔板喷嘴和基本喷嘴均采用焊接方式固定。
进一步地，所述的侧向进气孔的流通面积为S1，中心通气孔的流通面积为S2，侧壁截面喷孔、尾部侧向喷孔和尾部喷孔的流通面积之和为S3，S1＞S2＞S3。
进一步地，所述的基本喷嘴的氧化剂流量为A1，隔板喷嘴的氧化剂流量为A2，A1:A2的范围为1:（0.5~0.7）。
本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板中的喷嘴采用同心圆布置方式，在均匀分布的若干个半径和中心圆圈上安装凸出喷注器面的隔板喷嘴作为隔断，隔板喷嘴将喷注面板分隔为中心圆形区域和若干个扇形区域，每个区域内安装缩进喷注器面的基本喷嘴。基本喷嘴为双组元同轴离心喷嘴，既供应燃料又供应氧化剂，是燃烧组织的基本单元。隔板喷嘴只供应氧化剂，是燃烧组织的辅助单元；一部分氧化剂经侧向进气孔、中心通气孔、侧壁截面喷孔、侧壁环形槽流出，在隔板喷嘴凸出喷注器面的圆柱侧面形成一层低温气膜进行防护；另一部分氧化剂经侧向进气孔、中心通气孔、尾部侧向喷孔、尾部喷孔流出，在隔板喷嘴出口端面形成一层低温气膜进行防护。
本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，安装在喷注器壳体上，采用基本喷嘴和隔板喷嘴组装的喷注面板，能够抑制高频燃烧振荡的产生，同时，能够对伸入高温燃气中的隔板喷嘴进行有效的热防护。
附图说明
图1为本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板的结构示意图（立体图）；
图2为本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板的结构示意图（立体剖面图）；
图3为本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板中的隔板喷嘴的结构示意图（立体剖面图）；
图4为本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板中的隔板喷嘴的结构示意图（剖面图）。
图中，1.燃料面板；2.隔板喷嘴；3.氧化剂面板；4.基本喷嘴；
201.侧向进气孔；202.中心通气孔；203.侧壁截面喷孔；204.侧壁环形槽；205.尾部侧向喷孔；206.尾部喷孔。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1、图2所示，本发明的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板为封闭的管体，管体的前端为燃料面板1，管体的后端为氧化剂面板3，燃料面板1和氧化剂面板3之间贯穿并固定若干个喷嘴；喷嘴的出口位于氧化剂面板3的圆形的喷注器面上，以喷注器面的圆心为中心，喷嘴沿喷注器面的径向分布并呈N个同心圆排列，N≥6；喷嘴包括隔板喷嘴2和基本喷嘴4；在喷注器面上取均匀分布的M个半径，M≥3，在各半径上，对N/2进行向上取整，得到L；从外圈至内圈依次布置L个隔板喷嘴2，在第L个隔板喷嘴2的圆周上，全部布置隔板喷嘴2；隔板喷嘴2将喷注器面分成M+1个区域，中心区域为圆形区域，四周区域为扇形区域，各区域内布置基本喷嘴4；中心区域的基本喷嘴4数量与单个扇形区域中的基本喷嘴4数量的差值范围为0~5；
基本喷嘴4为双组元同轴离心喷嘴，基本喷嘴4的中心采用离心喷嘴供应燃料，基本喷嘴4的环缝采用直流喷嘴供应氧化剂；离心喷嘴缩进喷注器面10mm~20mm，形成缩进室；氧化剂和燃料在基本喷嘴4的缩进室内或出口处进行掺混、雾化、蒸发和燃烧；
如图3、图4所示，隔板喷嘴2为柱体，隔板喷嘴2内供应氧化剂；隔板喷嘴2的前段插入并固定在燃料面板1上；隔板喷嘴2中段和后段的中心轴线上设置有中心通气孔202，中段的侧壁还设置有沿周向均匀分布的侧向进气孔201，侧向进气孔201的轴线与中心轴线垂直；隔板喷嘴2的后段凸出并固定在氧化剂面板3上，凸出喷注器面50mm~80mm；在隔板喷嘴2的后段的中心通气孔202上，从前至后设置有K圈沿周向均匀分布的侧壁截面喷孔203，侧壁截面喷孔203的轴线与中心轴线的夹角范围为30°~60°；在后段的圆柱表面上，从前至后设置有与K-1圈侧壁截面喷孔203一一对应的K-1圈侧壁环形槽204，K-1圈侧壁截面喷孔203的出口在对应的K-1圈侧壁环形槽204内，最后1圈侧壁截面喷孔203为尾部侧向喷孔205，尾部侧向喷孔205的出口在隔板喷嘴2的出口端面上且沿周向分布，中心通气孔202的出口为尾部喷孔206，尾部喷孔206的出口在隔板喷嘴2的出口端面的中心；尾部喷孔206的内径小于中心通气孔202的内径。
进一步地，所述的燃料为异丁烷或者酒精中的一种，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，低温富氧空气的温度范围为-100℃至-50℃。
进一步地，所述的隔板喷嘴2和基本喷嘴4均采用焊接方式固定。
进一步地，所述的侧向进气孔201的流通面积为S1，中心通气孔202的流通面积为S2，侧壁截面喷孔203、尾部侧向喷孔205和尾部喷孔206的流通面积之和为S3，S1＞S2＞S3。
进一步地，所述的基本喷嘴4的氧化剂流量为A1，隔板喷嘴2的氧化剂流量为A2，A1:A2的范围为1:（0.5~0.7）。
实施例1：
本实施例的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，取N=8，喷嘴在喷注器面呈8个同心圆排列，每圈喷嘴数量分别为1、6、12、18、24、30、36、42；取M=6、L=5，在0度、60度、120度、180度、240度、300度方位的半径上布置隔板喷嘴2，从外圈至内圈，每个半径上布置4个隔板喷嘴2，在第5圈上布置18个隔板喷嘴2，共计安装了42个隔板喷嘴2。隔板喷嘴2将喷注器面分隔为7个区域，中心区域为圆形区域，四周区域为扇形区域，共安装127个基本喷嘴4，其中，中心区域安装19个基本喷嘴4，各扇形区域分别安装18个基本喷嘴4，中心区域的基本喷嘴4数量与单个扇形区域中的基本喷嘴4数量的差值为1。这样的布置方式，使得7个区域中的基本喷嘴4的数量基本相当。
隔板喷嘴2不加工燃料喷孔，不供应燃料，但加工有氧化剂喷孔，只供应氧化剂。一部分氧化剂经侧向进气孔201、中心通气孔202、侧壁截面喷孔203、侧壁环形槽204流出，在隔板喷嘴2伸出喷注器面部分的外表面形成一层低温气膜进行防护，另一部分氧化剂经侧向进气孔201、中心通气孔202、尾部侧向喷孔205、尾部喷孔206流出，在隔板喷嘴2出口端面形成一层低温气膜进行防护。
取K=4，侧向进气孔201包括2排共计8个Φ5mm的小孔，中心通气孔202为Φ10.5mm的小孔，侧壁截面喷孔203为72个Φ1mm的小孔，分3个截面分别喷出，截面间距为15mm，尾部侧向喷孔205为24个Φ1mm的小孔，尾部喷孔206为Φ3mm的小孔，实现了S1＞S2＞S3。侧壁截面喷孔203的轴线与中心通气孔202的轴线夹角为30度，尾部侧向喷孔205的轴线与中心通气孔202的轴线夹角也为30度，尾部喷孔206的轴线与中心通气孔202的轴线重合。侧壁环形槽204有3处，为深1mm、宽2mm的矩形截面环槽，间距为15mm。侧壁环形槽204使侧壁截面喷孔203的出口低于隔板喷嘴2的侧壁，从而保证低温气膜能够更好地贴近隔板喷嘴2的侧壁面。
侧壁截面喷孔203、尾部侧向喷孔205、尾部喷孔206的面积之和与基本喷嘴4上的氧化剂最小流通面积之比一般取为0.5至0.7，即用于气膜冷却的氧化剂与用于燃烧的氧化剂的流量之比一般取为0.5至0.7。
本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，其特征在于，所述的喷注面板为封闭的管体，管体的前端为燃料面板（1），管体的后端为氧化剂面板（3），燃料面板（1）和氧化剂面板（3）之间贯穿并固定若干个喷嘴；喷嘴的出口位于氧化剂面板（3）的圆形的喷注器面上，以喷注器面的圆心为中心，喷嘴沿喷注器面的径向分布并呈N个同心圆排列，N≥6；喷嘴包括隔板喷嘴（2）和基本喷嘴（4）；在喷注器面上取均匀分布的M个半径，M≥3，在各半径上，对N/2进行向上取整，得到L；从外圈至内圈依次布置L个隔板喷嘴（2），在第L个隔板喷嘴（2）的圆周上，全部布置隔板喷嘴（2）；隔板喷嘴（2）将喷注器面分成M+1个区域，中心区域为圆形区域，四周区域为扇形区域，各区域内布置基本喷嘴（4）；中心区域的基本喷嘴（4）数量与单个扇形区域中的基本喷嘴（4）数量的差值范围为0~5；
基本喷嘴（4）为双组元同轴离心喷嘴，基本喷嘴（4）的中心采用离心喷嘴供应燃料，基本喷嘴（4）的环缝采用直流喷嘴供应氧化剂；离心喷嘴缩进喷注器面10mm~20mm，形成缩进室；氧化剂和燃料在基本喷嘴（4）的缩进室内或出口处进行掺混、雾化、蒸发和燃烧；
隔板喷嘴（2）为柱体，隔板喷嘴（2）内供应氧化剂；隔板喷嘴（2）的前段插入并固定在燃料面板（1）上；隔板喷嘴（2）中段和后段的中心轴线上设置有中心通气孔（202），中段的侧壁还设置有沿周向均匀分布的侧向进气孔（201），侧向进气孔（201）的轴线与中心轴线垂直；隔板喷嘴（2）的后段凸出并固定在氧化剂面板（3）上，凸出喷注器面50mm~80mm；在隔板喷嘴（2）的后段的中心通气孔（202）上，从前至后设置有K圈沿周向均匀分布的侧壁截面喷孔（203），侧壁截面喷孔（203）的轴线与中心轴线的夹角范围为30°~60°；在后段的圆柱表面上，从前至后设置有与K-1圈侧壁截面喷孔（203）一一对应的K-1圈侧壁环形槽（204），K-1圈侧壁截面喷孔（203）的出口在对应的K-1圈侧壁环形槽（204）内，最后1圈侧壁截面喷孔（203）为尾部侧向喷孔（205），尾部侧向喷孔（205）的出口在隔板喷嘴（2）的出口端面上且沿周向分布，中心通气孔（202）的出口为尾部喷孔（206），尾部喷孔（206）的出口在隔板喷嘴（2）的出口端面的中心；尾部喷孔（206）的内径小于中心通气孔（202）的内径。
2.根据权利要求1所述的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，其特征在于，所述的燃料为异丁烷或者酒精中的一种，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，低温富氧空气的温度范围为-100℃至-50℃。
3.根据权利要求1所述的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，其特征在于，所述的隔板喷嘴（2）和基本喷嘴（4）均采用焊接方式固定。
4.根据权利要求1所述的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，其特征在于，所述的侧向进气孔（201）的流通面积为S1，中心通气孔（202）的流通面积为S2，侧壁截面喷孔（203）、尾部侧向喷孔（205）和尾部喷孔（206）的流通面积之和为S3，S1＞S2＞S3。
5.根据权利要求1所述的应用气膜冷却隔板喷嘴的喷注面板，其特征在于，所述的基本喷嘴（4）的氧化剂流量为A1，隔板喷嘴（2）的氧化剂流量为A2，A1:A2的范围为1:（0.5~0.7）。
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