CN116927980A - 一种双组元互击式火炬点火器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双组元互击式火炬点火器，包括依次同轴布设的一体式喷嘴、燃烧室和喷管；一体式喷嘴包括喷注面板、n组推进剂喷嘴和火花塞；喷注面板同轴密封布设在燃烧室头部；n组推进剂喷嘴沿喷注面板的周向一体式布设，包括n个燃料喷嘴和n个氧化剂喷嘴；n组推进剂喷嘴的撞击点均为撞击点A，且撞击点A位于燃烧室的中轴线上；其中，撞击点A与喷注面板之间的喷注区域，形成为三角形截面的回流区域；燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的动量之和位于燃烧室的中轴线上；火花塞同轴安装在喷注面板的外侧端面，且火花塞的点火端位于燃烧室的回流区域内。本发明采用火花塞中心点火的方式，点火能力强，点火温度高、点火所需推进剂流量小。
Description
技术领域
本发明涉及点火器技术领域，特别是一种双组元互击式火炬点火器。
背景技术
在火箭发动机工作过程中，当采用非自燃双组元低温推进剂组合时，需要设置点火装置才能够实现发动机点火启动。液体火箭发动机常用的点火装置主要为传统的自燃液体点火器、固体火药点火器以及火炬式点火器。火炬点火器是一种可靠的点火方式，作为一种间接点火方式，火炬点火器具有点火能量强、能重复起动、可靠性高等优点，在火箭发动机、超燃冲压发动机以及燃气轮机等燃烧装置上已得到广泛应用。
随着航天任务需求的增加，航天器的中途轨道转移修正、月球着陆器的近月制动、环月飞行降轨以及月面着陆，均要求发动机启动次数将不小于10次，这对于发动机点火系统及结构设计都提出了更高的要求。
现有的火炬点火器大部分结构较为复杂，需要设计专门的集气腔、喷嘴等部件，制造难度大，并且一部分的火炬点火器为专用型号，使用不灵活。另外，现有火炬点火器，基本均采用的是液体燃料，点火的成功率依赖于液体燃料的雾化程度；零部件多，结构复杂，使用维护麻烦；另外，由于不少发动机中心布设有喷嘴，不能再安装火花塞，再加之中心空间不足，因而，目前只能采取壁面点火的方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种双组元互击式火炬点火器，该双组元互击式火炬点火器采用火花塞中心点火的方式，点火能力强，点火温度高、点火所需推进剂流量小。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双组元互击式火炬点火器，包括沿轴向依次同轴布设的一体式喷嘴、燃烧室和喷管；
一体式喷嘴包括喷注面板、n组推进剂喷嘴和火花塞；其中；n≥1。
喷注面板同轴密封布设在燃烧室头部。
n组推进剂喷嘴沿喷注面板的周向一体式布设，每组推进剂喷嘴均包括一个燃料喷嘴和一个氧化剂喷嘴。
燃料喷嘴喷射出的燃料和氧化剂喷嘴喷射出的氧化剂相互撞击，n组推进剂喷嘴的撞击点均为撞击点A，且撞击点A位于燃烧室的中轴线上；其中，撞击点A与喷注面板之间的喷注区域，形成为三角形截面的回流区域。
燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的动量之和位于燃烧室的中轴线上。
火花塞同轴安装在喷注面板的外侧端面，且火花塞的点火端位于燃烧室的回流区域内。
设燃料喷嘴所在直线与燃烧室中轴线的夹角为θ1，氧化剂喷嘴所在直线与燃烧室中轴线的夹角为θ2，θ1和θ2需根据燃料喷嘴中喷射的燃料流量、燃料流速，以及氧化剂喷嘴中喷嘴的氧化剂流量、氧化剂流速，进行确定。
每组推进剂喷嘴中燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的速度沿燃烧室的长度方向。
燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的直径取值范围相同，且均为0.8-2mm。
火炬点火器的总流量在10-50g/s；并使喷注压降为燃烧室压力的15％-50％。
当推进剂喷嘴的数量和直径不变的情况下，推进剂喷注压比和燃烧室压力呈正比；因而，能在满足喷注压降的需要下，对燃气温度、流量和压力进行调节。
n＝2，：燃料喷嘴和氧化剂喷嘴均为直流喷嘴。
喷管尾收敛喷管，包括一体设置的收敛段和直管段；收敛段通过法兰盘与燃烧室尾部密封可拆卸连接，直管段与发动机相连接。
燃烧室上设置有测压孔，测压孔内安装有压力传感器，压力传感器能用于监测燃烧室压力。
燃料和氧化剂均为气体。
本发明具有如下有益效果：
1、工作能力强：点火能力强，能得到2000K以上的较高的火炬燃气温度，点火所需要的推进剂流量小，火炬点火器的总流量控制在10-50g/s即可。
2、结构简单：无需专门设计结构复杂的集气腔，喷嘴不需要复杂的装配工艺；整体密封方案简单可靠。
3、接口简单灵活：火炬可以通过螺纹或直管焊接连接到发动机上。
4、热防护方案简单：采用热沉冷却，热防护简单可靠；火花塞安装位置位于氧化剂和燃料混合最好的回流区域，即保证了及时着火，避免了启动过冲(室压增高)，有利于点火过程的平稳性；同时火花塞工作在未燃推进剂气氛中，避免了在热气流中的烧蚀，有利于火花塞的长时间和多次重复工作。
5、火炬整体尺寸小，推进剂利用效率高，采用气体推进剂时可以避免推进剂碰壁，避免烧蚀壁面；采用液体推进剂时推进剂碰壁，可以冷却燃烧室壁面。
附图说明
图1显示了本发明一种双组元互击式火炬点火器的爆炸结构示意图。
图2显示了本发明一种双组元互击式火炬点火器的剖面图。
图3显示了本发明中喷注面板的侧视图。
图4显示了本发明一体式喷嘴的俯视图。
图5显示了本发明中燃料和氧化剂的撞击示意图。
图6显示了本发明中火花塞的安装位置示意图。
其中有：
1.一体式喷嘴；2.燃烧室；3.密封垫片；4.喷管；5.火花塞密封垫片；6.火花塞；
201.测压孔；301.火花塞安装孔；302.法兰盘安装孔；303.氧化剂通道；304.燃料通道；305.氧化剂喷嘴；306.燃料喷嘴；307.混合推进剂的动量之和；308.燃烧室中轴线；309.回流区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种双组元互击式火炬点火器，包括沿轴向依次同轴布设的一体式喷嘴1、燃烧室2和喷管4。
在本实施例中，一体式喷嘴1、燃烧室2和喷管4优选通过法兰盘和密封垫片3实现同轴密封连接。
一体式喷嘴包括喷注面板、n组推进剂喷嘴和火花塞；其中n≥1，本实施例中，优选n＝2。
喷注面板同轴密封布设在燃烧室头部，喷注面板的中心轴线处设置有火花塞安装孔301，火花塞安装孔外周的喷注面板上沿周向均设置有n个氧化剂通道303和n个燃料通道304。
位于n个氧化剂通道303和n个燃料通道304外周的喷注面板上沿周向设置有若干个法兰盘安装孔302。
如图4所示，n组推进剂喷嘴沿喷注面板的周向一体式布设，每组推进剂喷嘴均包括一个燃料喷嘴306和一个氧化剂喷嘴305。
燃料喷嘴和氧化剂喷嘴均优选为直流喷嘴。燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的直径取值范围相同，且均为0.8-2mm。具体取值可以不相等，优选根据压降，速度等条件计算得到。
n个氧化剂喷嘴305安装在n个氧化剂通道中，n个燃料喷嘴306安装在n个燃料通道中。
如图5所示，燃料喷嘴喷射出的燃料和氧化剂喷嘴喷射出的氧化剂相互撞击，n组推进剂喷嘴的撞击点均为撞击点A，且撞击点A位于燃烧室中轴线308上；其中，撞击点A与喷注面板之间的喷注区域，形成为三角形截面的回流区域309。
上述燃料和氧化剂均优选为气体，可灵活采用氢氧/氧气甲烷等推进剂组合，具有点火简单，迅速，点火过程稳定，能量高，多次反复启动等特点。也可应用在多种不同推进剂组合发动机的稳定点火启动，例如气氧/液氧与煤油，酒精，甲烷，氢气/液氢等推进剂组合。
如图6所示，火花塞优选通过火花塞密封垫片5同轴安装在喷注面板的外侧端面，且火花塞的点火端位于燃烧室的回流区域内。从而，能使火花塞处于低温的推进来流之中，将火花塞设置于喷注面板的中心，即能防止高温燃气损坏火花塞，又能在推进剂混合的位置进行点火，提高火炬点火器中点火的稳定性。
燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的动量之和位于燃烧室中轴线308上。
设燃料喷嘴所在直线与燃烧室中轴线的夹角为θ1，氧化剂喷嘴所在直线与燃烧室中轴线的夹角为θ2，θ1和θ2需根据燃料喷嘴中喷射的燃料流量、燃料流速，以及氧化剂喷嘴中喷嘴的氧化剂流量、氧化剂流速，进行确定。
每组推进剂喷嘴中燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的速度沿燃烧室的长度方向。
上述燃烧室上优选设置有测压孔201，测压孔内安装有压力传感器，压力传感器能用于监测燃烧室压力。
喷管尾收敛喷管，包括一体设置的收敛段和直管段；收敛段通过法兰盘与燃烧室尾部密封可拆卸连接，直管段优选采用螺纹接口或焊接接口与发动机相连接，可以方便拆卸，用于各种火箭发动机的测试试验之中。
本发明的喷嘴利用对撞喷嘴，增强推进剂之间的混合程度，对撞喷嘴的角度和直径按照动量的计算，每组喷嘴(一个氧化剂和一个燃料喷嘴)对撞混合后的速度延燃烧室方向。
本发明由于对撞喷嘴采用的是直流喷嘴的形式，推进剂均为气体，其喷注面积与流量和压降、面积之间的关系可以根据气体喷嘴计算公式得到。
本发明将燃料和氧化剂的集气腔和喷嘴设计集成一起，省去集气腔与喷嘴之间的密封结构，并能简化火炬点火器的结构。
火炬点火器的总流量在10-50g/s；并使喷注压降为燃烧室压力的15％-50％。当推进剂流量增加使得喷嘴直径不在取值范围时，通过增加推进剂喷嘴的对数，调整推进剂喷嘴的直径，降低喷注压降以满足设计条件。
火炬点火器推进剂的流量，选择在推进剂恰好完全反应的化学当量比附近，进而可以得到2000K以上的较高的火炬燃气温度，更快更好的启动发动机。
本发明中的氧化剂和燃料首先通过侧壁上各自的进口进入推进剂通道，之后经过直流喷嘴进入燃烧室，火花塞点燃后在燃烧室内充分燃烧，后通过喷管进入发动机，启动发动机。
当推进剂喷嘴的数量和直径不变的情况下，推进剂喷注压比和燃烧室压力呈正比；因而，能在满足喷注压降的需要下，对燃气温度、流量和压力进行调节。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双组元互击式火炬点火器，其特征在于：包括沿轴向依次同轴布设的一体式喷嘴、燃烧室和喷管；
一体式喷嘴包括喷注面板、n组推进剂喷嘴和火花塞；其中；n≥1；
喷注面板同轴密封布设在燃烧室头部；
n组推进剂喷嘴沿喷注面板的周向一体式布设，每组推进剂喷嘴均包括一个燃料喷嘴和一个氧化剂喷嘴；
燃料喷嘴喷射出的燃料和氧化剂喷嘴喷射出的氧化剂相互撞击，n组推进剂喷嘴的撞击点均为撞击点A，且撞击点A位于燃烧室的中轴线上；其中，撞击点A与喷注面板之间的喷注区域，形成为三角形截面的回流区域；
燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的动量之和位于燃烧室的中轴线上；
火花塞同轴安装在喷注面板的外侧端面，且火花塞的点火端位于燃烧室的回流区域内。
2.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：设燃料喷嘴所在直线与燃烧室中轴线的夹角为θ1，氧化剂喷嘴所在直线与燃烧室中轴线的夹角为θ2，θ1和θ2需根据燃料喷嘴中喷射的燃料流量、燃料流速，以及氧化剂喷嘴中喷嘴的氧化剂流量、氧化剂流速，进行确定。
3.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：每组推进剂喷嘴中燃料和氧化剂撞击后形成的混合推进剂的速度沿燃烧室的长度方向。
4.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：燃料喷嘴和氧化剂喷嘴的直径取值范围相同，且均为0.8-2mm。
5.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：火炬点火器的总流量在10-50g/s；并使喷注压降为燃烧室压力的15％-50％。
6.根据权利要求5所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：当推进剂喷嘴的数量和直径不变的情况下，推进剂喷注压比和燃烧室压力呈正比；因而，能在满足喷注压降的需要下，对燃气温度、流量和压力进行调节。
7.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：n＝2，：燃料喷嘴和氧化剂喷嘴均为直流喷嘴。
8.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：喷管尾收敛喷管，包括一体设置的收敛段和直管段；收敛段通过法兰盘与燃烧室尾部密封可拆卸连接，直管段与发动机相连接。
9.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：燃烧室上设置有测压孔，测压孔内安装有压力传感器，压力传感器能用于监测燃烧室压力。
10.根据权利要求1所述的双组元互击式火炬点火器，其特征在于：燃料和氧化剂均为气体。
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