一种整体式喷注器及其喷注口设计方法与流程

1.本发明涉及一种用于液体火箭发动机的发生器装置，具体涉及一种整体式喷注器及其喷注口设计方法。


背景技术：

2.发动机高空模拟试车时，将发动机安装于真空舱内，并采用真空机组、空气引射、蒸汽引射等方式实现真空舱内的抽真空；其中蒸汽引射具有引射能力强的特点，可用于大推力发动机的高空模拟试车。但是蒸汽引射需要高温、高压水蒸汽作为引射的动力来源，比如高空模拟试验台就需要压强为1.3mpa、温度为190℃、流量为80t/h的水蒸汽，水蒸汽可通过锅炉、蒸汽发生器等方式产生。采用锅炉制备水蒸汽时费用太高，而且锅炉设备仅能用于试验过程，利用率很低。因此，多采用水蒸汽发生装置(如液氧酒精水蒸汽发生器、液氧甲烷水蒸汽发生器等)产生所需压力、温度和流量的水蒸汽，驱动蒸汽喷射真空泵做功，实现真空舱内的真空环境的营造。
3.现有喷注器已有三底结构及径向通道进液喷注器两种结构。三底结构喷注器参见图1。这种结构的喷注器由外底01、喷嘴02、中底03、内底04组成。喷嘴02通过钎焊与中底03、内底04连接，在高空模拟试车中多次出现钎焊缝失效，引起的喷注器串环腔故障；且钎焊缝失效的部位有两处，一处是喷嘴02与中底03的第一钎焊缝05失效，这种失效将导致喷注器环腔串通，在发生器工作时，可使发生器产生爆炸；另一处是喷嘴02与内底04的第二钎焊缝06失效，这种失效易导致喷注器酒精路压降下降，喷嘴02液膜不均匀，从而影响燃烧质量。而且在使用过程中，液氧环腔、酒精环腔经交变冲击载荷的作用，使喷注器的使用寿命减短，通常在2万秒左右即会出现喷注器串环腔、性能下降、变形等故障。另外，钎焊过程工艺复杂、加工周期长、加工成品率较难保证，容易导致喷注器综合使用寿命短，造成爆炸产生试验台经济损失等因素，这种结构的喷注器的性价比非常低。
4.径向通道进液喷注器参见图2，这种喷注器液氧通过盖板003进入液氧环腔，酒精进入径向通道，再由直流喷嘴004进入燃烧室，喷注盘001与法兰盘002、盖板003之间通过真空钎焊连接，钎焊过程工艺复杂、加工周期长，容易导致喷注面烧蚀严重，喷注器在工作2万秒时，喷注面出现烧蚀凹坑、平面度变差的现象，使得径向通道进液喷注器寿命较短；且径向通道进液喷注器的喷注盘厚度较大，为加强背面冷却，喷注盘采用导热系数较高的铬铜材，其熔点低，材料费用高。
5.现有技术中主流的喷注器稳定性设计方法为：计算各个分区内的流量密度，并控制流量密度在半径方向上的分布，以保证喷注器工作过程中的径向、切向和轴向燃烧稳定性。但是，流量密度的计算仅考虑到了介质流量在半径方向的分布，在实际作业中，影响燃烧不稳定性的因素为流量与速度的乘积，即动量。由于介质密度、不同组元介质压降及喷注孔截面积的不同，导致各分区的动量密度与流量密度往往存在较大的差异，对于发生器乃至液体火箭发动机的稳定性均产生不利影响。
6.综上所述，现有喷注器存在使用寿命短、成本高、稳定性差，容易对发生器和液体
火箭发动机产生不利影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有喷注器存在使用寿命短、成本高、稳定性差，容易对发生器和液体火箭发动机产生不利影响的问题，而提供一种整体式喷注器及其喷注口设计方法，实现喷注器的稳定性与可靠性。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
9.一种整体式喷注器，其特殊之处在于：包括喷注盘、n个盖板、多个入口通道及多个测压通道，n为大于等于2的整数；
10.喷注盘的底部用于与燃烧室连接，且喷注盘沿轴向设置有点火通道；点火通道一端与燃烧室连通；
11.喷注盘的顶部设置有与点火通道连通的转接头，转接头用于与外部点火装置通过法兰连接；
12.喷注盘上表面沿径同轴向设置有n个环槽；
13.盖板位于喷注盘上表面，且盖板与n个环槽形成n个环腔；
14.多个入口通道位于盖板的上表面，且每个环腔与至少一个入口通道连通；入口通道用于向对应环腔注入氧化剂或燃料；
15.环腔包括氧化剂环腔和燃料环腔；
16.多个测压通道位于盖板的上表面或者环槽侧面，每个测压通道分别与所述氧化剂环腔和燃料环腔连通；
17.喷注盘的喷注面上设置有与燃烧室连通的多个喷注口，喷注口的上端与对应环腔连通。
18.进一步地，所述氧化剂环腔和燃料环腔均与喷注盘同轴间隔设置，且燃料环腔靠近喷注盘中心设置。
19.进一步地，所述喷注盘最外圈为燃料环腔。
20.进一步地，所述喷注盘的喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区；
21.所述非主燃烧区包括边区；
22.所述边区为喷注盘外沿向内延伸至喷注盘半径的5％～10％的区间。
23.进一步地，多个所述喷注口在喷注面上呈同心圆排列,喷注口的直径大于等于0.4mm。
24.进一步地，各分区内的喷注口排列密度为0.2个/cm2～1.2个/cm2。
25.进一步地，所述边区的喷注口排列密度大于等于0.25个/cm2。
26.进一步地，所述喷注盘为圆柱体结构，喷注盘的喷注面厚度为3～5mm；
27.所述n的取值为3；
28.所述转接头通过焊接球头锥面或螺纹与喷注盘连接；
29.所述喷注口采用直流喷嘴或撞击喷嘴或离心喷嘴。
30.同时，本发明还提供了一种整体式喷注器的喷注口设计方法，基于上述的一种整体式喷注器，其特殊之处在于，包括以下步骤：
31.s1：确定喷注器的供应介质与环腔环数；所述介质为双组元介质，且间隔注入所述
环腔中；
32.s2：计算喷注器的最佳混合比，分配每个环腔流量；
33.s3：根据步骤s2所得的环腔流量，设置环槽的底部的喷注口数量；
34.s4：按照步骤s2中的环腔流量和步骤s3中的喷注口数量，计算单个喷注口的流量；
35.s5：计算喷注口直径，完成整体式喷注器的喷注口设计。
36.进一步地，所述喷注盘的喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区；
37.非主燃烧区包括边区；边区为喷注盘外沿向内延伸至喷注盘半径的5％～10％的区间；边区的工质设置为燃料，边区燃料流量不低于氧化剂和燃料总流量的15％；边区喷嘴排列密度不低于0.25个/cm2；
38.主燃烧区的最佳混合比与化学当量的偏差小于等于30％；
39.边区的最佳混合比与化学当量的偏差大于等于30％。
40.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
41.(1)本发明整体式喷注器，将喷注器结构固化，优化了喷注器的稳定性，喷注器各环腔独立设置，环腔之间无焊缝，从根本上避免了焊缝损伤导致的串环腔故障，显著提高了喷注器的工作可靠性，降低了喷注器成本，增加了喷注器的使用寿命。
42.(2)本发明整体式喷注器，经过多次点火考核，使得发生器产生的蒸汽压力、温度满足引射蒸汽要求，喷注器可稳定燃烧至少5万秒而不发生烧蚀、变形等结构损坏。
43.(3)本发明整体式喷注器，结构简单，零件少，加工难度低。
附图说明
44.图1为现有三底结构喷注器的结构示意图；其附图标记为：01-外底，02-喷嘴，03-中底，04-内底，05-第一钎焊缝，06-第二钎焊缝。
45.图2为现有径向通道进液喷注器的结构示意图，其附图标记为：001-喷注盘，002-法兰盘，003-盖板，004-直流喷嘴。
46.图3为本发明整体式喷注器实施例的结构示意图。
47.图4为图3中a-a剖视图。
48.图5为图3中b-b剖视图。
49.图6本发明整体式喷注器实施例中喷注口的排列方式示意图。
50.图3至图6中的附图标记为：1-喷注盘，2-盖板，3-转接头，4-法兰，5-入口通道，6-测压通道，7-喷注口，8-燃烧室，9-点火通道。
具体实施方式
51.如图3、图4、图5所示，本发明一种整体式喷注器主要由喷注盘1、n个盖板2、转接头3、法兰4、多个入口通道5、测压通道6、喷嘴、燃烧室8以及点火通道9组成。
52.喷注盘1的底部用于与燃烧室8连接，且喷注盘1沿轴向设置有点火通道9；点火通道9一端与燃烧室8连通；喷注盘1的顶部设置有转接头3，且转接头3沿轴向设置有与点火通道9另一端连通的通孔，转接头3通过法兰4用于与外部点火装置连接，由点火装置点火；喷注盘1上表面沿径向同轴设置有n个环槽；盖板2位于喷注盘1上表面，且盖板2与n个环槽形成n个环腔；多个入口通道5位于盖板2的上表面，且每个环腔与至少一个入口通道5连通；入
口通道5用于为对应环腔注入氧化剂或燃料；n个喷注盘1的喷注面上设置有与燃烧室8连通的多个喷注口7，喷注口7的上端与对应环腔连通。
53.本实施例中，多个喷注口7沿喷注盘1的喷注面圆周方向呈同心圆排列，喷注口7的直径大于等于0.4mm；喷注盘1为圆柱体结构，喷注盘1的喷注面厚度为3～5mm；n的取值为3；喷注盘1采用同心圆环槽结构，喷注盘1上表面焊接3个环形盖板2，喷注口7为撞击喷嘴。
54.环腔包括与喷注盘1同轴设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且燃料环腔靠近喷注盘1的中心设置；氧化剂环腔用于输送液氧，燃料环腔用于输送酒精；氧化剂环腔与燃料环腔间隔布置，且喷注盘1的第1环腔、第3环腔为酒精环腔，输入酒精，第2环腔为液氧环腔，输入液氧。
55.多个所述测压通道6位于盖板2上表面，还可以设置在环槽侧面，每个测压通道6分别与所述氧化剂环腔和燃料环腔连通。
56.如图6所示，在喷注盘1的喷注面上设置有同心圆布置的喷注口7，喷注口7采用直流喷嘴或撞击喷嘴或离心喷嘴。喷注口7直径和数量由计算确定，液氧和酒精通过喷注口7进入燃烧室8，进行介质的雾化、掺混和燃烧；介质经喷注口7撞击雾化后在燃烧室8形成易燃混气，经点火装置引燃后燃烧，形成高温、高压燃气。转接头3通过焊接球头锥面或螺纹与喷注盘1连接，转接头3用于在喷注器上方安装点火装置，结构尺寸根据点火装置尺寸确定，法兰4与转接头3通过焊接、螺纹连接、或一体成型方式连接。
57.喷注盘1、盖板2、入口通道5、转接头3、测压通道6通过熔焊连接；点火装置用于引燃喷注器产生的雾化掺混后的液体工质(即液氧和酒精)，可采用火炬式点火装置、等离子点火装置、电火花点火装置或其他类型的点火装置；考虑半径方向的动量密度分布、喷注面冷却、液相分区、燃烧室8壁冷却等多个因素，其中半径方向的动量密度分布是喷注器稳定性设计的最主要因素。本发明的喷注器已完成了多次点火考核，发生器产生的蒸汽压力、温度满足引射蒸汽要求，喷注器可稳定燃烧至少5万秒而不发生烧蚀、变形等结构损坏。本发明整体式喷注器可用于以液氧、酒精作为介质的燃烧装置的组织元件，也可用于以其他液体工质为介质的燃烧组织元件。
58.本发明一种整体式喷注器的工作过程是:
59.喷注器中心设置点火通道9，由喷注器顶部的点火装置进行点火。喷注盘1与盖板2分别形成氧化剂环腔、燃料环腔。氧化剂、燃料分别由氧化剂入口通道和燃料入口通道进入氧化剂环腔、燃料环腔，再通过设置在喷注面上的撞击喷嘴进入燃烧室8雾化、掺混、燃烧，产生后端所需的带压燃气。
60.喷注器为一体加工成型，加工难度大大降低，通过合理的冷却设计，喷注器使用寿命大大提高，解决了传统钎焊喷注器焊接要求高、加工难度大、工作寿命短、可靠性差的难题。
61.同时，本发明还提供了一种整体式喷注器的喷注口7设计方法，基于上述的一种整体式喷注器，包括以下步骤：
62.s1：根据给定的氧化剂、燃料的总流量和压降确定喷注器的环腔数量为3；其中，环腔包括与喷注盘1同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且靠近喷注盘1中心的环腔为燃料环腔。
63.s2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量；
64.2.1)通过下式计算喷注器的动量密度：
[0065][0066]
式中：i
si
为喷注面i分区内的动量密度，单位为kg/(s2·
m)，i＝1、2、3
……
n；
[0067]
qi为喷注面i分区内的氧化剂流量或燃料流量，单位为kg/s；
[0068]
vi为喷注面i分区内喷注口7内氧化剂或燃料沿喷注器轴向的流动速度，单位为m/s；
[0069]ai
为喷注面i分区内的分区面积，单位为m2；
[0070]
2.2)通过下式计算喷注器的混合比：
[0071]ki
＝q
io
/q
if
[0072]
式中：ki为喷注面的i分区内的混合比；
[0073]qio
为喷注面的i分区内的氧化剂流量，单位为kg/s；
[0074]qif
为喷注面的i分区内的燃料流量，单位为kg/s；
[0075]
2.3)根据步骤2.1)所得的动量密度和步骤2.2)中所得的混合比，分配每个环腔流量；
[0076]
s3：根据步骤s2所得的环腔流量，设置环槽的底部的喷注口7数量；
[0077]
根据步骤2.3)所得的环腔流量，设置喷注面上各分区内的喷注口7数量，使各分区内的喷注口7排列密度为0.2个/cm2～1.2个/cm2范围内；
[0078]
s4：按照步骤2.3)中的环腔流量和步骤s3中的喷注口7数量，计算单个喷注口7的流量：
[0079]
qdi＝q
i*
/ni[0080]
式中：qdi为i分区内单个喷注口7的流量，单位为kg/s；
[0081]qi*
为i分区内的氧化剂流量或燃料流量，单位为kg/s，*代表o或f，o表示氧化剂，f表示燃料；
[0082]
ni为i分区内喷注口7数量。
[0083]
s5：计算喷注口7直径，完成整体式喷注器的喷注口7设计；
[0084]
通过下式计算喷注口7直径：
[0085][0086]
式中：cd为喷注口7的流量系数，取0.6～0.85；
[0087]dh
为喷注口7直径，单位为mm；
[0088]
△
ph为喷注口7压降，单位为mpa；
[0089]
ρ为氧化剂密度或燃料密度，单位为kg/m3。
[0090]
本实施例中，喷注盘1的喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区；非主燃烧区包括边区；边区为喷注盘1外沿向内延伸至喷注盘1半径的5％～10％的区间；主燃烧区的最佳混合比与化学当量的偏差小于等于30％；边区的最佳混合比与化学当量的偏差大于等于30％。边区工质设置为燃料，边区燃料流量不低于液氧和酒精总流量的15％；边区喷嘴排列密度不低于0.25个/cm2。通过设置喷嘴撞击角度、喷嘴布置方式减小回流。
[0091]
本发明中对整体式喷注器的喷注口7设计方法的思路如下：
[0092]
第一、确定喷注器总体方案，确定集液环腔环数，各环腔供应介质种类，一般情况下，双组元介质交叉布置且最外环腔和最内环腔布置燃料介质，即由内至外采用“燃料-氧化剂-燃料-氧化剂....-燃料”的布置方式。确定各环腔的进液方式，可选择毛细管、双层盖板、二次集液等进液方式。确定喷注器材料及材料预处理要求。确定喷注器主要零件之间的连接和密封方式，如焊接、螺纹连接、o型圈等。
[0093]
第二、喷注口7排列设计
[0094]
喷注口7排列设计时，首先要考虑的是保证一定的雾化质量。对于直流自击喷注口来说，影响雾化质量的主要因素是喷注口排列密度和撞击射流的夹角。当流量密度一定时，喷注口7排列密度与喷注口直径成反比，适当增大排列密度可使燃烧室8冲量效率增大。
[0095]
撞击射流角度对雾化质量也有较大影响，撞击角度越大，雾化效果越好。液体(即液氧和酒精)从喷注口流出后撞击，雾化后的液滴会向四周飞溅，不可避免的向喷注器的喷注面方向飞溅，氧化剂通过喷注口7雾化后，如果大量液滴飞溅到喷注面，会造成喷注面局部发蓝甚至烧穿。发生器头部设计时，为了减少氧化剂雾化后的液滴向喷注面的飞溅，应采取小角度撞击的方式，使氧化剂、燃料撞击点与喷注面形成较大的距离。
[0096]
同时，为保证两组元间有较好的混合，其中一组元撞击后形成的雾化锥应被另一组元的雾化锥内包围，形成良好的掺混。而且，喷注口7排列时要保证合适的混合比分布。应使液氧和酒精总流量的绝大部分(80％以上)具有(或接近)最佳混合比，并通过喷注面的半径中心区域。
[0097]
第三、燃烧稳定性设计
[0098]
正确选择喷注口7类型和排列方式，试验表明，喷注口7类型对高频不稳定燃烧的影响很大，直流自击喷注口的高频稳定性较互击式好。
[0099]
正确组织径向动量密度分布。动量密度在半径上均匀分布时，稳定性最差，而当采取两种不同的斜坡形分布时，均消除了均匀分布时所出现的切向和径向混合不稳定燃烧，而只出现了径向高频不稳定燃烧第一振型，中等驼峰对改进稳定性的效果不大，而陡的驼峰形分布则效果最好。因此，在进行喷注器流量分配时，应尽量使动量密度在半径上形成陡的驼峰形状。
[0100]
也可采用液相分区的办法防止高频不稳定性燃烧的出现，但由于分区喷注口7的存在，导致流量密度及混合比分布不均匀，从而使发动机比冲(喷注器效率)降低。
[0101]
第四、排布、计算喷注口7直径
[0102]
1)进行各环腔的流量分配，分配原则为：半径方向动量密度呈陡驼峰分布；
[0103]
根据环腔分配的流量，计算各分区的混合比，确保主燃烧区的高混合比，边区的低混合比。
[0104]
2)按照环腔尺寸，初步给定环腔撞击对数量和喷嘴压力降，然后计算喷注口7直径。计算得到的喷注口7直径一般不要过小,最小不小于0.4mm，以避免加工难度增大。
[0105]
3)在保证小孔打孔工艺性的前提下，尽可能多的布置撞击对。

技术特征：
1.一种整体式喷注器，其特征在于：包括喷注盘(1)、n个盖板(2)、多个入口通道(5)及多个测压通道(6)，n为大于等于2的整数；所述喷注盘(1)的底部用于与燃烧室(8)连接，且喷注盘(1)沿轴向设置有点火通道(9)；所述点火通道(9)一端与燃烧室(8)连通；所述喷注盘(1)的顶部设置有与所述点火通道(9)连通转接头(3)，转接头(3)用于与外部点火装置通过法兰(4)连接；所述喷注盘(1)上表面沿径向同轴设置有n个环槽；所述盖板(2)位于喷注盘(1)上表面，且盖板(2)与n个环槽形成n个环腔；多个所述入口通道(5)位于盖板(2)的上表面，且每个环腔与至少一个入口通道(5)连通；入口通道(5)用于向对应环腔注入氧化剂或燃料；所述环腔包括氧化剂环腔和燃料环腔；多个所述测压通道(6)位于盖板(2)的上表面或者环槽侧面，每个测压通道(6)分别与所述氧化剂环腔和燃料环腔连通；所述喷注盘(1)的喷注面上设置有与燃烧室(8)连通的多个喷注口(7)，所述喷注口(7)的上端与对应环腔连通。2.根据权利要求1所述的一种整体式喷注器，其特征在于：所述氧化剂环腔和燃料环腔均与喷注盘(1)同轴间隔设置，且燃料环腔靠近喷注盘中心设置。3.根据权利要求2所述的一种整体式喷注器，其特征在于：所述喷注盘(1)最外圈为燃料环腔。4.根据权利要求1或2或3所述的一种整体式喷注器，其特征在于：所述喷注盘(1)的喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区；所述非主燃烧区包括边区；所述边区为喷注盘(1)外沿向内延伸至喷注盘(1)半径的5％～10％的区间。5.根据权利要求4所述的一种整体式喷注器，其特征在于：多个所述喷注口(7)在喷注面上呈同心圆排列,喷注口(7)的直径大于等于0.4mm。6.根据权利要求5所述的一种整体式喷注器，其特征在于：各分区内的喷注口(7)排列密度为0.2个/cm2～1.2个/cm2。7.根据权利要求6所述的一种整体式喷注器，其特征在于：所述边区的喷注口(7)排列密度大于等于0.25个/cm2。8.根据权利要求6所述的一种整体式喷注器，其特征在于：所述喷注盘(1)为圆柱体结构，喷注盘(1)的喷注面厚度为3～5mm；所述n的取值为3；所述转接头(3)通过焊接球头锥面或螺纹与喷注盘(1)连接；所述喷注口(7)采用直流喷嘴或撞击喷嘴或离心喷嘴。9.一种整体式喷注器的喷注口设计方法，基于权利要求1-8任一所述的一种整体式喷注器，其特征在于，包括以下步骤：s1：确定喷注器的供应介质与环腔环数；所述介质为双组元介质，且间隔注入所述环腔中；
s2：计算喷注器的最佳混合比，分配每个环腔流量；s3：根据步骤s2所得的环腔流量，设置环槽的底部的喷注口(7)数量；s4：按照步骤s2中的环腔流量和步骤s3中的喷注口(7)数量，计算单个喷注口(7)的流量；s5：计算喷注口(7)直径，完成整体式喷注器的喷注口设计。10.根据权利要求9所述的一种整体式喷注器的喷注口设计方法，其特征在于：所述喷注盘(1)的喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区；所述非主燃烧区包括边区；所述边区为喷注盘(1)外沿向内延伸至喷注盘(1)半径的5％～10％的区间；边区的工质设置为燃料，边区燃料流量不低于氧化剂和燃料总流量的15％；边区喷嘴排列密度不低于0.25个/cm2；所述主燃烧区的最佳混合比与化学当量的偏差小于等于30％；所述边区的最佳混合比与化学当量的偏差大于等于30％。

技术总结
本发明涉及一种用于液体火箭发动机的发生器装置，具体涉及一种整体式喷注器及其喷注口设计方法,解决喷注器存在使用寿命短、成本高、稳定性差，容易对发生器和液体火箭发动机产生不利影响的问题。该整体式喷注器包括喷注盘、N个盖板及多个入口通道；喷注盘的底部用于与燃烧室连接，且喷注盘沿轴向设置有与燃烧室连通的点火通道；喷注盘顶部设置有转接头，转接头沿轴向设置有与点火通道连通的通孔；喷注盘沿径向同轴设置有N个环槽；盖板与N个环槽形成N个环腔；多个入口通道位于盖板的上表面，且每个环腔与至少一个入口通道连通；N个喷注盘的喷注面上设置有与燃烧室连通的多个喷注口。本发明实现了喷注器的稳定性与可靠性。本发明实现了喷注器的稳定性与可靠性。本发明实现了喷注器的稳定性与可靠性。


技术研发人员：李民民 曹明明 李广会 何小军 周献齐 李宇 宋家豪 王宏亮 南荻 王广涛 廖云鹏 张腾飞 张啸雨 李冠儒
受保护的技术使用者：西安航天动力试验技术研究所
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/6/6