CN209355300U - 一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置 - Google Patents

Abstract

一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置，包括：点火室、氧喷嘴、氢腔外壳、火花塞；氢腔外壳的壳体壁上开有液氢进口；氧喷嘴上开有n个通孔，n个通孔的轴线相交于一点；点火室上端开有液氧进口，下端套有氢腔外壳，点火室下端的外壁和氢腔外壳之间的空腔作为液氢腔；点火室的内部安装有氧喷嘴，氧喷嘴将点火室的内部分隔为液氧腔和第二内腔；第二内腔的内壁上开有多个通孔；点火室下端连接下级预燃室或推力室的头部；火花塞插入点火室的第二内腔。本实用新型可拆卸、适应性强、方便电点火室与火花塞故障检测与维修，节省生产周期和研制成本。

Description

一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置

技术领域

本实用新型涉及一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置，可用于航空航天、民用、点火和燃烧技术领域。

背景技术

氢氧补燃循环火箭发动机预燃室流量大，点火能量需求高，且燃气需进入推力室进一步燃烧，燃烧产物洁净度要求严格。火炬式电点火装置结构简单、点火能量高、可多次启动，且燃烧产物与预燃室、推力室完全相容，目前已广泛应用于氢氧火箭发动机，如美国的RL-10系列、J2发动机、航天飞机主发动机，欧洲的Vinci，日本的LE系列发动机，俄罗斯的RD-0120等。火炬式电点火器通过组织少量推进剂在点火室内燃烧，生成高温燃气引燃下游燃烧装置，其工作可靠性及对复杂工况的适应能力直接决定发动机能否正常工作。

目前液氢液氧火炬电点火器按照冷却方式可以分为两种：膜冷却和排放冷却。膜冷却式点火器通过燃料切向进入电点火室形成液膜，隔绝燃气保护火花塞和电点火室内壁不被烧蚀，如SSME、J2点火器等；排放冷却点火器仅少部分燃料参与燃烧，大部分燃料用于冷却火花塞和内壁，如RD0120点火器等。排放冷却点火器结构复杂，一般点火室内为富氧工况，火花塞附近无冷却剂，火花塞易烧蚀；现有SSME膜冷却方案点火器适应最高氢氧混合比1.42，地面试验中混合比到2.5时点火器发生烧蚀，有效膜冷却距离约238mm，工况范围难以满足我国氢氧补燃循环火箭发动机的设计要求，且SSME膜冷却方案点火器为非独立结构，氢喷孔位于下游燃烧装置导火管，不能单独试验，难以故障检测与维修。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置，从点火器结构设计上提高点火可靠性，保证点火器长时间高可靠工作，解决了点火器在复杂点火工况下点火可靠性低、火花塞及点火器易烧蚀、多次点火的问题。

本实用新型的技术方案是：

一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置，包括：点火室、氧喷嘴、氢腔外壳、火花塞；所述氢腔外壳的壳体壁上开有液氢进口；所述氧喷嘴上开有n个通孔，所述n个通孔的轴线相交于一点；所述点火室上端开有液氧进口，所述下端套有所述氢腔外壳，所述点火室下端的外壁和氢腔外壳之间的空腔作为液氢腔；点火室的内部安装有氧喷嘴，氧喷嘴将所述点火室的内部分隔为液氧腔和第二内腔；所述第二内腔的内壁上开有多个通孔；所述点火室下端的端面连接下级预燃室或推力室的头部；所述火花塞插入所述点火室的第二内腔。

所述氧喷嘴上n个通孔轴线的交点位于所述第二内腔。

所述氧喷嘴为圆柱体，所述n个通孔开在所述氧喷嘴的端面上。

氧喷嘴的端面上开有通孔的数量为2，所述氧喷嘴的轴线和火花塞的轴线相交，且所述氧喷嘴的2个通孔的轴线关于所述氧喷嘴的轴线和火花塞的轴线构成的平面对称。

所述点火室的上端为锥形体，下端为阶梯轴段。

所述点火室的内部开有通孔，所述通孔被氧喷嘴分隔为液氧腔和第二内腔，所述第二内腔的内壁上的通孔为切向孔。

所述切向孔的孔壁与所述第二内腔的内壁相切。

所述多个切向孔在所述第二内腔的轴线方向上排布为两排，两排切向孔交错排布，每排切向孔在第二内腔的周向上均布。

氢氧喷注距离与点火室内部通孔的内径之比为0.67～0.88：1；其中，氢氧喷注距离为所述氧喷嘴下端面和与氧喷嘴下端面距离最近的一排切向孔轴线所构成的平面之间的距离。

所述的电点火装置，还包括：氧进口管嘴、氧节流圈、氢进口管嘴、氢节流圈；氧进口管嘴安装在所述点火室的液氧进口；所述氧进口管嘴上安装有调节液氧流量的氧节流圈；氢进口管嘴安装在所述氢腔外壳的液氢进口；所述氢进口管嘴上安装有调节液氢流量的氢节流圈。

氢节流圈的孔径D_t具体为：

其中，C_d为氢节流圈的流量系数，ρ为液氢的密度，ΔP为流入氢节流圈与流出氢节流圈的液氢的压力差值，v为氢腔液氢的流速阈值，A为液氢腔的流通面积。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1)本实用新型的点火器为独立结构，可单独试验，方便电点火室与火花塞故障检测与维修；点火器适应工况更为宽广，最高混合比可达3.95，氢膜冷却范围包含点火室及下游推力室或预燃室头部导火管，距离可达360mm；同时，方便点火室与火花塞故障检测维修，节省生产周期和研制成本；

2)本实用新型通过点火室3的第二内腔开有多排切向孔31，两排交错均布，使所述液氢腔的液氢流入所述第二内腔并在所述第二内腔内壁上形成液膜，保证冷却液膜均匀性；

3)本实用新型点火室3的下端为阶梯轴段和氢腔外壳6之间的空腔作为液氢腔，通过设计空腔的结构可灵活控制氢腔内流速，保证氢喷嘴的流量均匀性；

4)本实用新型氧喷嘴4的轴线和火花塞8的轴线相交，且所述氧喷嘴4的2个通孔的轴线关于所述氧喷嘴4的轴线和火花塞8的轴线构成的平面对称，同时，氧喷嘴4的2个通孔的轴线交点使液氧自击雾化，产生的富氧环境利于点火；

5)本实用新型氢氧喷注距离合理，易于点火，且保证液氢在氢喷孔上游及下游形成连续液膜保护火花塞及点火室内壁不被烧蚀；

6)本实用新型结构合理，可以在混合比0.57～3.95：1，室压0.4～10.4MPa工况下长时间可靠工作，可以在40MPa液氢低温环境下保证结构完整不变形。

附图说明

图1为本实用新型电点火装置结构示意图；

图2为本实用新型电点火装置轴向剖视图；

图3为本实用新型第二内腔切向孔示意图。

具体实施方式

本实用新型旨在设计一种以液氢液氧为燃料的火炬电点火装置，无需额外提供其他推进剂，能够多次点火，并可以适应点火过程中推进剂组元进口参数剧烈变化、混合比范围宽广的复杂工况。为此，点火室采用节流圈+喷嘴组合设计技术，即通过压降分配控制点火室3内混合比在可靠范围内，保证点火装置在低压点火工况及高压主级工况下均能可靠工作。其中氧喷嘴4为双股自击结构，液氢经切向孔31喷入后形成均匀液膜对电点火室3内壁和火花塞8进行热防护，氧喷嘴4位于两个火花塞8之间，该设计可以实现点火时火花塞8附近具备恰当的混合比有利于可靠点火，主级时火花塞8附近处于温度较低的富氢环境，有利于火花塞8的热防护。点火装置的结构保证液氢在氢喷孔上游及下游形成连续液膜保护火花塞及点火室内壁不被烧蚀；同时，本实用新型的点火装置为单独部件，与下游燃烧装置采用法兰连接方式，膨胀石墨密封圈密封，方便点火室与火花塞故障检测维修，节省生产周期和研制成本。

一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置，包括：点火室3、氧喷嘴4、氢腔外壳6、火花塞8；

氢腔外壳6为圆筒结构，圆筒壁开有液氢进口；点火室3的内部安装有氧喷嘴4，氧喷嘴4将所述点火室3的内部分隔为液氧腔和第二内腔。

如图2所示，所述氧喷嘴4为圆柱体，圆柱体的端面开有n个轴线相交于一点使液氧撞击雾化的通孔，所述n个轴线的交点位于所述氧喷嘴4的下端面；优选的，所述氧喷嘴4圆柱的端面开有2个通孔，所述2个通孔的轴线交点位于氧喷嘴4的下端面，且所述2个通孔的轴线关于氧喷嘴4圆柱的轴线对称；如图1所示，火花塞8插入所述点火室3的第二内腔，所述火花塞8的轴线垂直于所述对称液氧进口轴线构成的平面；火花塞发火频率不低于50Hz；氧喷嘴4的轴线和火花塞8的轴线相交，且所述氧喷嘴4的2个通孔的轴线关于所述氧喷嘴4的轴线和火花塞8的轴线构成的平面对称。优选的，火花塞8缩进火花塞8的孔内保证不被高温燃气烧蚀。优选的，所述火花塞8的个数为2个。

所述点火室3包括锥形体和阶梯轴段，优选的锥形体具体为六棱台，所述阶梯轴段外套有所述氢腔外壳6，所述阶梯轴段和氢腔外壳6之间的空腔作为液氢腔；所述点火室3的内部安装有氧喷嘴4，将所述点火室3的内部分隔为液氧腔和第二内腔，所述氧喷嘴4的下端面朝向所述第二内腔；所述点火室3的阶梯轴段周向开有多个使所述液氢腔的液氢流入所述第二内腔并在所述第二内腔内壁上形成液膜的切向孔31，如图3所示，所述切向孔31的孔壁与所述第二内腔的内壁相切；所述阶梯轴段的端部连接下级预燃室或推力室的头部；优选的，多个切向孔31在所述第二内腔的轴线方向上排布为两排，两排切向孔31交错排布，每排切向孔31在第二内腔的周向上均布，两排切向孔31轴线的夹角为45°。

点火室3阶梯轴段的端部有用于安装石墨垫圈的榫槽，起到密封作用，同时，通过法兰结构连接下级预燃室或推力室的头部。

点火室3上端的锥形体的小端焊接有氧进口管嘴1，所述氧进口管嘴1包括用于调节液氧流量的氧节流圈2，氧进口管嘴1连接外部管路。所述氢腔外壳6的液氢进口连接有氢进口管嘴5，氢进口管嘴5上安装有调节液氢流量的氢节流圈7。氢节流圈7和氧节流圈2用于分担压降。氧节流圈2质量流量的调节范围为70g/s～500g/s。所述氢节流圈7质量流量的调节范围为40g/s～300g/s。氢节流圈7的孔径D_t具体为：

其中，C_d为氢节流圈7的流量系数，ρ为液氢的密度，ΔP为流入氢节流圈7与流出氢节流圈7的液氢的压力差值，v为氢腔液氢的流速阈值，流速阈值的取值不大于45-55m/s，A为液氢腔的流通面积。

工作过程中，液氧从所述点火室3的头部流入所述液氧腔，通过所述氧喷嘴4的通孔流入所述点火室3的第二内腔，两路液氧撞击雾化；同时，液氢从所述氢腔外壳6的液氢进口流入液氢腔，通过所述阶梯轴段的切向孔31流入，在所述第二内腔的内壁形成液膜，并与所述液氧混合；火花塞8点火使点火室3内的所述液氢液氧混合物燃烧，燃烧产生高温燃气进入下游燃烧装置完成点火过程。

氢氧喷注距离与点火室3内部通孔的内径之比为0.67～0.88：1；所述氢氧喷注距离为所述氧喷嘴4下端面和与氧喷嘴4下端面距离最近的一排切向孔31轴线所构成的平面之间的距离。

本实用新型结构合理，可以在混合比0.57～3.95：1，即液氧/液氢的流量比，室压0.4～10.4MPa工况下长时间可靠工作，可以在40MPa液氢低温环境下保证结构完整不变形。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种宽工况液氢液氧火炬式电点火装置，其特征在于，包括：点火室(3)、氧喷嘴(4)、氢腔外壳(6)、火花塞(8)；所述氢腔外壳(6)的壳体壁上开有液氢进口；所述氧喷嘴(4)上开有n个通孔，所述n个通孔的轴线相交于一点；所述点火室(3)上端开有液氧进口，所述下端套有所述氢腔外壳(6)，所述点火室(3)下端的外壁和氢腔外壳(6)之间的空腔作为液氢腔；点火室(3)的内部安装有氧喷嘴(4)，氧喷嘴(4)将所述点火室(3)的内部分隔为液氧腔和第二内腔；所述第二内腔的内壁上开有多个通孔；所述点火室(3)下端连接下级预燃室或推力室的头部；所述火花塞(8)插入所述点火室(3)的第二内腔。

2.根据权利要求1所述的电点火装置，其特征在于，所述氧喷嘴(4)上n个通孔轴线的交点位于所述第二内腔。

3.根据权利要求2所述的电点火装置，其特征在于，所述氧喷嘴(4)为圆柱体，所述n个通孔开在所述氧喷嘴(4)的端面上。

4.根据权利要求3所述的电点火装置，其特征在于，所述氧喷嘴(4)的端面上开有通孔的数量为2，所述氧喷嘴(4)的轴线和火花塞(8)的轴线相交，且所述氧喷嘴(4)的2个通孔的轴线关于所述氧喷嘴(4)的轴线和火花塞(8)的轴线构成的平面对称。

5.根据权利要求1所述的电点火装置，其特征在于，所述点火室(3)的上端为锥形体，下端为阶梯轴段。

6.根据权利要求1所述的电点火装置，其特征在于，所述点火室(3)的内部开有通孔，所述通孔被氧喷嘴(4)分隔为液氧腔和第二内腔，所述第二内腔的内壁上的通孔为切向孔(31)。

7.根据权利要求6所述的电点火装置，其特征在于，所述切向孔(31)的孔壁与所述第二内腔的内壁相切。

8.根据权利要求6所述的电点火装置，其特征在于，所述多个切向孔(31) 在所述第二内腔的轴线方向上排布为两排，两排切向孔(31)交错排布，每排切向孔(31)在第二内腔的周向上均布。

9.根据权利要求6所述的电点火装置，其特征在于，氢氧喷注距离与点火室(3)内部通孔的内径之比为0.67～0.88：1；所述氢氧喷注距离为所述氧喷嘴(4)下端面和与氧喷嘴(4)下端面距离最近的一排切向孔(31)轴线所构成的平面之间的距离。

10.根据权利要求1所述的电点火装置，其特征在于，还包括：氧进口管嘴(1)、氧节流圈(2)、氢进口管嘴(5)、氢节流圈(7)；氧进口管嘴(1)安装在所述点火室(3)的液氧进口；所述氧进口管嘴(1)上安装有氧节流圈(2)；氢进口管嘴(5)安装在所述氢腔外壳(6)的液氢进口；所述氢进口管嘴(5)上安装有氢节流圈(7)。

11.根据权利要求10所述的电点火装置，其特征在于，所述氢节流圈(7)的孔径D_t具体为：

其中，C_d为氢节流圈(7)的流量系数，ρ为液氢的密度，ΔP为流入氢节流圈(7)与流出氢节流圈(7)的液氢的压力差值，v为氢腔液氢的流速阈值，A为液氢腔的流通面积。