采用射流對撞燃燒方式的在線可調式燃氣發生器的制作方法

本發明涉及一種利用射流對撞方式組織燃燒，以利于液態燃料的霧化、摻混和燃燒的高效穩定，減少了燃燒室結構尺寸和冷卻面積要求，燃燒室身部采用旋流進氣再生冷卻方式進行冷卻，采用可移動式塞錐對喉部面積進行在線調節的多工況燃氣發生器。

背景技術：

燃氣發生器在航空航天領域有廣泛的應用，它將氧化劑和燃料按照設計要求的混合比組織燃燒，獲得一定壓力、溫度、流量和速度參數要求的燃氣，以實現特定的目的，如產生引射氣流、驅動渦輪、產生彈射氣流等。在沖壓發動機領域燃氣發生器的應用主要表現為兩大類：一類是沖壓發動機地面試驗系統中的用于加熱空氣的燃燒式加熱器，提供模擬高空飛行條件下的高焓空氣。加熱器形式的燃氣發生器所產生的燃氣參數組元成分必須能模擬出高空大氣成分，同時對總壓和氣流的馬赫數必須能滿足飛行環境和速度的模擬要求。另一類是應用于沖壓發動機技術本身的一種管道式火箭沖壓發動機的富燃燃氣生成技術，產生的富燃高溫燃氣在沖壓空氣中進一步補燃，提高燃燒穩定性。管道火箭沖壓發動機用燃氣發生器要能根據管道火箭沖壓發動機飛行條件的變化適時對燃氣發生器的出口氣流參數進行調節，以滿足對根據工況變化的來流沖壓空氣的匹配要求。

為了提高以上兩類燃氣發生器的性能，需要在氣流參數可調節性、燃燒性能、長時間工作能力上進行改進。目前，燃氣發生器多采用航空發動機燃燒室技術和液體火箭發動機技術組織燃燒，其燃燒過程呈現出不同的特點。航空發動機火焰筒燃燒室，結構復雜，工作過程組織困難，在該類領域中目前較少使用。采用液體火箭發動機頭部燃料噴注的燃燒組織技術，結構較簡單，但是燃料在燃燒室內噴注、霧化、蒸發，擴散燃燒需要較長的燃燒室長度，從而加大了燃燒室的冷卻面積，長時間工作條件下需要在燃燒室身部需要布置較大范圍的冷卻通道；其出口喉部不可調節，難以在工作過程中對出口流量和馬赫數進行調節，這使得加熱器形式的燃氣發生器難以模擬飛行器在變工況條件下的氣流環境變化，也使管道火箭沖壓發動機燃器發生器難以適應沖壓空氣的參數變化而合理組織補燃過程。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：

克服現有技術的不足，提供一種燃氣發生器結構，采用對撞燃燒方式，形成駐定渦穩定火焰，身部冷卻面板冷卻面積少，并采用旋流進氣的液膜再生式冷卻方式，并促進燃氣的摻混和燃燒，喉部大小可通過調節塞錐的移動實現在線式適時調節，燃燒室結構緊湊，燃燒穩定性、燃燒效率得到提高。

本發明的技術解決方案是：

一種采用射流對撞燃燒方式的在線可調式燃氣發生器，其特征在于：所述的燃氣發生器由環形槽燃燒室、收斂段和調節塞錐組件構成，調節塞錐位于燃氣發生器頭部，與收斂段同軸安裝；所述的環形槽燃燒室由前噴注面板、后噴注面板、身部冷卻面板組合而成；所述的調節塞錐組件由調節塞錐、作動套筒和固定盤組成，調節塞錐可在作動套筒內前后移動，調節塞錐與收斂段型面相互配合設計；所述的前噴注面板、后噴注面板上分別在內外圈的設置有相互隔開的集液腔，其上分別布置了多組錯開的燃料噴嘴和氧化劑噴嘴，噴嘴通過焊接或螺紋連接周向分布固定在面板上與集液腔相連同，燃料、氧化劑分別通過后噴注面板燃料進口接嘴、后噴注面板氧化劑入口接嘴、前噴注面板燃料入口接嘴、前噴注面板氧化劑入口接嘴進入集液腔，通過噴嘴噴出；所述前、后噴注面板上的燃料噴嘴和氧化劑噴嘴相向布置，射流相互碰撞；所述的作動套筒的型面采用型面過度，并與收斂段的入口型面相互配合設計，最大轉角不超過7度，保證燃氣流不出現分離；所述的身部冷卻面板采用多組不同旋向的旋流進氣的射流孔進行液膜式再生冷卻，逆時針射流角度與順時針射流角度在10～80度之間，個數10～40，逆時針射流與順時針射流成組出現，冷卻組元通過冷卻組元入口接嘴進入冷卻組元集液腔后，通過再生冷卻旋流孔噴出；所述的調節塞錐的錐部型面與收斂段的后段型面配合設計，使得在作動行程內能獲得零到出口半徑所標示的面積大小的喉部大小變化范圍，并遵循一定的調節規律；所述的調節塞錐以手動或壓力反饋調節的形式作用于作動連桿前后移動。

本發明的原理：液態燃料和氣態氧化劑以射流對撞方式進入環形槽燃燒室，促進液態燃料液滴的破碎、霧化、蒸發、摻混，形成駐定的氣動渦結構，以此穩定火焰并燃燒；身部冷卻面板的不同旋向的冷卻射流實現液膜式再生冷卻的同時，加強燃氣摻混燃燒；產生的燃氣經出口型面的整流作用進入喉部截面，保證氣流不發生分離；喉部截面通過調節塞錐與收斂段的相對位移的變化來實現喉部大小的調節，調節塞錐和收斂段型面配合設計，達到按一定的調節規律在線實時調節燃氣發生器工況的目的。

本發明與現有技術相比具有的優點如下：

(1)本發明采用液體燃料和氣態氧化劑相向噴射進入燃燒室，對撞燃燒有利于液體燃料的破碎、霧化、蒸發過程，并強化了氣流的摻混，具有良好的火焰穩定能力和燃燒效率。

(2)本發明采用環形槽燃燒室結構，結構緊湊，燃燒室長度短、容積空間小、熱釋放率高，燃燒室身部冷卻的所要求的面積少。

(3)身部冷卻面板采用冷卻液的旋流注入方式，提供液膜式再生冷卻的同時，不同旋向的氣流與燃氣相互作用，增強了氣流間的摻混。

(4)調節塞錐可左右移動，調節塞錐與收斂段型面配合設計，可對喉部面積大小進行在線式調節，實時按照一定的調節規律改變燃氣發生器工作參數。

(5)出口型面設計保證對燃氣流的整流作用，出口燃氣流場更加均勻。

該發明結構緊湊，環形槽燃燒室長度短，身部冷卻面積小，位于頭部的調節塞錐與收斂段型面配合設計，可對燃燒室出口喉部面積按照一定的調節規律進行在線式調節，利用對撞燃燒方式，促進液態燃料液滴的破碎、霧化、摻混和穩定燃燒。

附圖說明

圖1為本發明的采用射流對撞燃燒方式的在線可調式燃氣發生器的1/4剖視圖；

圖2為本發明的采用射流對撞燃燒方式的在線可調式燃氣發生器的半剖視圖；

圖3為可調塞錐和收斂段配合關系圖；

圖4為本發明的前后噴注面板噴嘴分布結構圖；

圖5為本發明的身部再生冷卻面板結構圖。

其中，圖中1是帶有出口氣流連接法蘭的收斂段，2是可調氣流喉部大小的環形通道，3是后噴注面板燃料入口接嘴，4是后噴注面板氧化劑入口接嘴，5是身部面板用于冷卻的組元入口接嘴，6是前噴注面板燃料入口接嘴，7是前噴注面板氧化劑入口接嘴，8是作動筒，9是作動連桿，10是連桿固定盤，11是環形槽燃燒室，12是可調塞錐，13是后噴注面板，14是后噴注面板燃料集液腔，15是后噴注面板氧化劑集液腔，16是身部冷卻面板，17是用于冷卻的組元集液腔，18是前噴注面板燃料集液腔，19是前噴注面板氧化劑集液腔，20是前噴注面板，21是身部旋流冷卻孔，22是燃料噴嘴，23是氧化劑噴嘴，24是燃燒生成的高溫燃氣流，25是可調塞錐頭部型面，26是最大喉部通道口半徑，27是槽型燃燒室高度，28是槽型燃燒室寬度，29是碰撞射流噴射距離，30是前噴注面板氧化劑噴嘴周向分布直徑，31是前噴注面板燃料噴嘴周向分布直徑，32是氧化劑噴嘴與燃料噴嘴的徑向分布角度，33是后前噴注面板氧化劑噴嘴周向分布直徑，34是后噴注面板燃料噴嘴周向分布直徑，35是離心式冷卻孔的軸向位置分布，36是冷卻孔的逆時針射流角度，37是冷卻孔的順時針射流角度，38是可調塞錐的可調行程距離，39是采用射流對撞燃燒方式的在線可調式燃氣發生器，40是塞錐套筒型面，41是收斂段入口型面，42是收斂段后段型面，43是可調塞錐組件。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，在由前噴注面板20、后噴注面板13、身部冷卻面板組合安裝而成的環形槽燃燒室11內，氧化劑噴嘴23噴出的傘狀氣流與燃料噴嘴22噴出噴霧相碰撞，進行摻混燃燒，并在燃燒室11內形成駐定的氣動渦結構。燃燒室長度尺寸28根據噴嘴的噴射穿透長度決定的噴嘴相互作用距離39來決定，以保證碰撞射流噴裝燃燒的有效組織。燃燒室徑向尺寸27根據燃燒室流量功率和安裝情況決定。

身部冷卻噴注面板16內噴出冷卻液對身部進行液膜式再生冷卻，冷卻流與燃氣進一步摻混。形成的燃氣流24經收斂段1和塞錐套筒8的型面40形成的型面出口進行整流，經可調塞錐12型面與收斂段形成的最小喉部面積通道流出，形成所需的氣流參數。燃料和氧化劑分別通過各自的進口接嘴4、3、6、7進入各自的積液腔15、14、18、19內，然后經過氧化劑噴嘴和燃料噴嘴噴出。身部面板的冷卻采用流量需求較大的組元進行液膜式再生冷卻，經不同旋向組成的旋流進行孔21噴出。

根據雍塞情況下的流量公式以及一維理想氣體等熵流動關系式，喉部面積的大小和膨脹比決定了燃氣發生器燃燒室內的流量、總壓和出口馬赫數的大小。如圖3所示，通過調節喉部面積的大小是燃燒器實現在線適時調節的一條途徑。可調塞錐12可在塞錐套筒8內左右移動，在由固定盤10所限制的移動行程距離38內可實現喉部面積由零到出口半徑26所標示的面積內范圍內變化。通過塞錐型面25和收斂段型面42的配合，可設計按一定規律變化的喉部面積變化率。

如圖4(a)所示為前后噴注面板上燃料噴嘴和氧化劑噴嘴分布示意圖，外環集液腔直徑31、33相等，內環集液腔直徑30、34相等，燃料噴嘴22和氧化劑噴嘴23通過焊接后螺紋連接，在噴注面板上交錯布置，前后面板的噴嘴之間組成碰撞射流對，可根據燃燒流場組織的需要布置多個燃燒碰撞射流噴嘴組。如圖4(a)、圖4(b)所示，前噴注面板內環積液腔內布置的氧化劑噴嘴與外環燃料積液腔內布置的氧化劑之間的相對布置角度32可隨布置的噴嘴的個數而異。噴嘴的位置布置要考慮燃燒室內碰撞射流燃燒的均勻分布。

如圖5(a)所示為身部冷卻面板的冷卻噴注孔示意圖，圖5(b)為孔的布置結構圖，冷卻流分成多組，取不同的旋向進入燃燒室11，在燃燒室壁面形成冷卻膜對燃燒室進行保護。不同旋向的冷卻孔氣流與燃燒室內燃氣之間相互作用，相互摻混進行燃燒。身部冷卻孔的孔徑大小、位置分布、數量、旋向等參數根據燃燒室的受熱情況決定，同時考慮冷卻用氣量的供應需求。