專利名稱：補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器的制作方法
補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器
技術領域：
本發明涉及一種補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器裝置。
背景技術：
目前火箭發動機常用的點火方式有火藥點火、高能電火花、可自燃推進劑點火等。 火藥點火方式技術成熟，具有結構簡單，工作可靠的優點，廣泛運用于多種固體火箭和液體 火箭發動機中。氣動諧振點火器是一種新型的點火方式，相對于火藥點火、電點火及可自燃 推進劑點火，氣動諧振點火有其無法被取代的優點無固體顆粒污染、無射頻及靜電干擾、 無需大功率電源、相對于可自燃推進劑點火，氣動諧振點火器不受液體火箭所采用的推進 劑限制。然而普通的氣動諧振點火器也存在一些不足，在大流量氫氣、高點火能量的要求 下，混合杯排氣孔之間的薄壁易被燒毀，限制了點火器的點火能力。超燃沖壓發動機地面試 驗系統，需對大流量空氣進行加熱，普通的諧振點火器點火能力難以滿足要求，氣動諧振熱 表面補氧點火器依靠補氧噴嘴與氣動諧振熱效應的配合，大大提高了點火器點火能力及可 靠性，目前已成功應用于超燃沖壓發動機地面試驗系統。氣動諧振點火技術是基于氣動諧 振熱效應的一種新型點火方式。將一根一端封閉另一端開口的中空管(稱為諧振管)同軸 放置在噴嘴的射流中，通過建立特定的氣動諧振條件，使氣動諧振管的內外流動相耦合，在 管口形成自激振蕩界面。依靠諧振管外連續來流的能量維持，氣動諧振管內將產生周期性 的高頻激波振蕩，約在諧振管端部30%的管長區，通過不可逆的熵增過程，壓縮氣體的能量 不可逆地轉化為熱量，產生超過諧振管外來流滯止溫度數倍的諧振管端部溫升，這就是氣 動諧振熱效應。補氧噴嘴位于諧振管下游，向富燃燃氣中補入氧氣。補氧裝置的設計一方 面可將氧噴嘴2的部分流量轉移至補氧管路11，降低了混合杯處的溫度增強了點火器可靠 性，另一方面補氧區域結構簡單、可靠，可承受更大的熱載，補氧噴嘴可通過大量補入氧氣 大大增強點火火炬的能量，增強點火器點火性能。利用氣動諧振效應加熱諧振管并輔以氧 氣補燃技術用于點火的點火器稱之為補氧式氣動諧振熱表面點火器。
發明內容
本發明的目的是提供一種補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，其結構簡 單、性能可靠、可多次重復使用，并可根據試驗需要控制點火持續時間。 本發明需要解決的技術問題是采用氣動諧振技術對點火器實施點火；采用補氧 助燃技術增強點火器可靠性及點火能力；采用諧振氣體與推進劑氣體分別供應方式，通過 調整推進劑流量、混合比調整點火能量，不影響到諧振性能，同時諧振時間可以控制，點火 火炬時間可以控制。 本發明是一種補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，由氫接嘴1、氧接嘴2、噴 嘴3、密封墊圈4、混合杯5、點火室6、諧振管接嘴7、諧振管調整墊片8、諧振管9、空氣接嘴 10、補氧噴嘴11組成。混合杯位于噴嘴和點火室之間，混合杯上環布有排氣孔，從點火器 噴嘴噴入的氫氣氧氣先通過混合杯再進入點火室。諧振管接嘴位于點火器側面，諧振管接嘴的焊接位置位于混合杯排氣孔下游。諧振管通過諧振管接嘴伸入點火室，由空氣接嘴和 諧振管接嘴之間的螺紋固定，可通過諧振管調整墊片調整伸入點火室的深度并實現密封。 特征在于在所述的點火室的尾部設置有一補氧噴嘴，在該補氧噴嘴位于點火室內部的側 壁上、相對于流場中心的位置處，鉆有一個向下游噴射的補氧孔；其中，該補氧孔的直徑為 當補氧流量為3 10克/秒時，直徑d為1 3mm，最優為1. 5mm。經大量試驗驗證，補氧前 氧/氫組元比(即氧氣流量與氫氣流量之比)控制在0. 55左右可兼顧混合杯薄壁安全性 及下游補氧燃燒的可靠性，而補氧后的組元比在達到1.4之前點火器均能可靠工作。本發 明的補氧噴嘴可通過補入氧氣助燃，實現在降低混合杯內溫度提高點火器可靠性的同時， 大幅提高諧振點火器點火能力。圖2示出了補氧后，氧/氫組元比與點火器出口溫度之間 的關系。試驗發現在不補氧情況下，混合杯極限工作組元比在0. 8左右，并且該極限工況受 同軸噴嘴加工精度影響較大，點火能力不強。由圖2可見，補氧設計使得點火器出口溫度提 高了近500K，點火能力獲得大幅提高。 本發明的補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，其優點和積極效果在于(1) 采用了間接點火方式，以常用的空氣作為諧振氣源，成本低，同時可以根據諧振管的性能調 整諧振時間，不會出現以推進劑直接諧振點火方式存在推進劑在燃燒室積存的問題。(2)采 用了混合杯，提高了氫氧摻混效果，有利于諧振管引燃氫氧混合氣。(3)可以通過調整氫氣 氧氣的供應時間而控制點火器的工作時間，也可以通過調整氫氣氧氣的比例調整點火溫度 或者是通過調整點火器氫氣氧氣總流量調整能量。(4)采用了補氧方案，一方面大大降低了 混合杯內當量比避免了混合杯排氣孔燒蝕現象增大了點火器的可靠性，另一方面大幅提高 了點火器點火能力(5)該方案適應性強，不僅可以采用氫氣氧氣作為點火氣體，其他氣體 推進劑組合也可實現，并且諧振氣體也可以采用氮氣、氦氣等。
圖1是補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器 圖2是補氧后氧/氫組元比與點火器出口溫度關系 圖中具體標號如下 1、氫接嘴 2、氧接嘴 3、噴嘴 4、密封墊圈 5、混合杯 6、點火室 7、諧振管接嘴 8、諧振管調整墊片 9、諧振管 10、空氣接嘴 11、補氧噴嘴
具體實施方式
下面結合附圖來進一步說明本發明。 如圖l所示，補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器結構由氫接嘴l、氧接嘴2、 噴嘴3、密封墊圈4、混合杯5、點火室6、諧振管接嘴7、諧振管調整墊片8、諧振管9、空氣接 嘴IO，補氧噴嘴11組成。 氧接嘴2位于噴嘴3中心，是氧氣的通道，兩者通過焊接連接。氫接嘴l焊接在噴 嘴3側面，氫氣通過氫接嘴1和噴嘴3側面的孔進入噴嘴3。從噴嘴噴出的氣體中心為氧氣， 周圍為氫氣。噴嘴3通過螺紋方式與點火室6連接，混合杯5焊接在噴嘴3上，點火室通過 密封墊圈4實現與外界的密封，混合杯5上有一圈孔。點火器室6側面開孔并焊接諧振管接嘴7，開孔位置位于混合杯5排氣孔下游。諧振管接嘴7用于安裝諧振管9和空氣接嘴10， 點火室與外界的密封通過調整墊片8實現，調整墊片8同時具有調整諧振管9位置的功能， 采用較薄的調整墊片時，諧振管可以較長的伸入點火室，采用較厚的調整墊片時，諧振管可 縮入點火室壁面內。在所述的點火室的尾部設置有一補氧噴嘴，在該補氧噴嘴位于點火室 內部的側壁上、相對于流場中心的位置處，鉆有一個向下游噴射的補氧孔；補氧噴嘴11的 補氧孔會影響補氧下游溫度場分布，將補燃氧氣以單孔噴射形式置于點火器流場中心有利 于保護下游點火器不銹鋼壁面、防止燒蝕。在一定補氧流量下，噴嘴11孔徑大小決定著補 氧噴嘴出口速度進而影響摻混效果。根據不同的補氧流量要求，可適當選擇噴嘴11孔徑， 以應用于北京航空航天大學超燃沖壓發動機直聯式試驗臺的點火器為例，補氧流量要求在 3克每秒至15克每秒范圍內可調，試驗中補氧噴嘴11的補氧孔的孔徑在1毫米至3毫米均 可實現可靠助燃功能，考慮預留一定的安全余量，最終孔徑選取為1. 5毫米。
采用氣動諧振點火器對其他裝置如火箭發動機點火時，先用空氣諧振加熱諧振管 9，使諧振管9發熱。然后通過氫接嘴1和氧接嘴2往點火器通入氫氣和氧氣，兩種氣體通 過噴嘴3噴入混合杯5進行混合，然后通過混合杯上的排氣孔進入點火室6內。混合氣接 觸到加熱后的諧振管9即被點燃形成富燃燃氣，富燃燃氣在點火室尾部與通過補氧噴嘴11 補入的氧氣進一步反應形成高能點火火炬。采用補氧噴射方案的創新在于
首先，混合杯有利于氫氧的摻混，形成均勻的氫氧混合氣，一旦接觸到高溫的諧振 管即燃燒，但是在要求高點火能力時混合杯排氣孔之間的薄壁容易被燒毀。取消混合杯，又 會導致氫/氧氣體混合不均勻，諧振管難以引燃點火室內氣體。如果將諧振管進一步伸入 點火室則容易造成諧振管燒壞。因此設計了補氧噴嘴將氧噴嘴2的部分流量轉移至點火室 尾部噴入，保證了混合杯結構的安全工作。 其次，補氧區域結構簡單、可靠，可承受更大的熱載，補氧噴嘴可通過大量補入氧
氣使富燃燃氣進一步燃燒，大大增強點火火炬的能量，增強點火器點火性能。 由于點火氣體單獨供應，可以通過調整氫氣路和氧氣路及補氧路的分配比例和流
量來調整點火溫度和能量。由于采用了間接點火方式，只要是兩種可以燃燒的氣體通入點
火室內，都可以被點燃，因此該點火器具有很強的適應性。
權利要求
一種補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，由氫接嘴、氧接嘴、噴嘴、密封墊圈、混合杯、點火室、諧振管接嘴、諧振管調整墊片、諧振管、空氣接嘴組成；混合杯位于噴嘴和點火室之間，混合杯上環布有排氣孔，從點火器噴嘴噴入的氫氣氧氣先通過混合杯再進入點火室；諧振管接嘴位于點火器側面，諧振管接嘴的焊接位置位于混合杯排氣孔下游；諧振管通過諧振管接嘴伸入點火室，由空氣接嘴和諧振管接嘴之間的螺紋固定，可通過諧振管調整墊片調整伸入點火室的深度并實現密封；其特征在于在所述的點火室的尾部設置有一補氧噴嘴，在該補氧噴嘴位于點火室內部的側壁上、相對于流場中心的位置處，鉆有一個向下游噴射的補氧孔；其中，該補氧孔的直徑為當補氧流量為3～10克/秒時，直徑d為1～3mm。
2. 根據權利要求1所述的補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，其特征在于所述的補氧噴嘴的補氧孔的直徑為1. 5mm。
3. 根據權利要求1所述的補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，其特征在于所 述的點火器其補氧前氧/氫組元比控制在0. 55左右可兼顧混合杯薄壁安全性及下游補氧 燃燒的可靠性，而補氧后的組元比在達到1. 4之前點火器均能可靠工作。
全文摘要
一種補氧式氣氫/氣氧氣動諧振熱表面點火器，由氫接嘴、氧接嘴、噴嘴、密封墊圈、混合杯、點火室、諧振管接嘴、諧振管調整墊片、諧振管、空氣接嘴組成；混合杯位于噴嘴和點火室之間，混合杯上環布有排氣孔；諧振管接嘴位于點火器側面，諧振管接嘴的焊接位置位于混合杯排氣孔下游；諧振管通過諧振管接嘴伸入點火室，由空氣接嘴和諧振管接嘴之間的螺紋固定，可通過諧振管調整墊片調整伸入點火室的深度并實現密封；其特征在于在所述的點火室的尾部設置有一補氧噴嘴，在該補氧噴嘴位于點火室內部的側壁上、相對于流場中心的位置處，鉆有一個向下游噴射的補氧孔；其中，該補氧孔的直徑為當補氧流量為3～10克/秒時，直徑d為1～3mm。
文檔編號F02K9/95GK101699053SQ20091023661
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者俞南嘉, 張國舟, 徐旭, 歐東, 閆明磊, 韋寶禧 申請人:北京航空航天大學