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一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法

申请号 CN202210399655.5 申请日 2022-04-15 公开(公告)号 CN114896717A 公开(公告)日 2022-08-12
申请人 西安航天动力研究所; 发明人 宋大亮; 李龙飞; 章荣军; 高坤; 凌前程; 王化余; 刘新华; 卞香港;
摘要 本发明为解决现有针栓喷注器槽型采用多方案验证,逐步迭代计算设计出适配高燃烧效率的针栓喷注器喷注槽型,验证基于实践经验,工作量大且具有局限性的问题,而提供了一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法。本发明引入无量纲参数,以喷注槽间隙与外圈液膜厚度之比k为基准,并将槽数选择与无量纲参数k关联,可以有效完成实现高燃烧效率喷注槽参数选取,从而快速确定最优的喷注槽结构,显著缩短研制周期、降低研制成本。
权利要求

1.一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1、设定待设计针栓喷注器的外圈液膜喷注直径Df;

步骤2、计算针栓喷注器外圈液膜厚度δf;

δf=hf×sin(α)

其中,hf为针栓喷注器外圈开度;

α为针栓喷注器外圈喷注角度;α=25°~30°;

步骤3、计算针栓喷注器中心筒喷注直径D0,并判断中心筒喷注直径D0是否为燃烧室直径D的1/3~1/5;

Do=Df‑4δf

若是,则进入步骤4;若否,则返回步骤1;

步骤4、根据发动机流量确定无量纲参数k,k=1.5~3.5;所述无量纲参数k随推进剂流量增大k值增大;

根据无量纲参数k计算喷注槽间隙c:步骤5、根据无量纲参数k计算喷注槽槽数n:n=[10×k];

步骤6、根据中心筒喷注直径D0、喷注槽间隙c以及喷注槽槽数n,计算喷注槽槽宽a:步骤7、根据喷注槽槽数n、喷注槽槽宽a以及针栓喷注器中心路流通面积Ao,计算喷注槽槽高b:Ao=n×a×b;

步骤8、计算阻塞率η:

判断阻塞率η是否在给定范围内,若是,则完成针栓喷注器喷注槽设计,若否,则返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于:步骤2中,针栓喷注器外圈开度hf通过以下公式计算:Af=π×hfsin(α)×(Df‑hfsin(α)×cos(α))其中,Qf为针栓喷注器外圈推进剂流量;

μf为针栓喷注器外圈流量系数;

Af为针栓喷注器外圈推进剂流通面积;

ρf为针栓喷注器外圈推进剂密度;

ΔPf为针栓喷注器外圈喷注压降。

3.根据权利要求2所述的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于:步骤7中,针栓喷注器中心路流通面积Ao通过以下公式计算:其中,Qo为针栓喷注器中心推进剂流量,根据发动机所需推力、比冲计算得到;

μo为针栓喷注器中心路流量系数;

ρo为针栓喷注器中心路推进剂密度;

ΔPo为针栓喷注器中心路喷注压降。

4.根据权利要求1‑3任一所述的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于:步骤8中,所述给定范围为:[0.6~0.7]。

5.根据权利要求4所述的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于:步骤2中,环缝喷注结构时,μf=0.85~0.9;

针栓喷注器外圈喷注压降ΔPf为燃烧室压强的10%~20%。

6.根据权利要求5所述的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于:步骤7中,中心路为开槽结构时,μo=0.75~0.8;

中心路喷注压降ΔPo为燃烧室压强的15%~25%。

7.根据权利要求6所述的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特征在于:步骤1中,外圈液膜喷注直径Df至少为燃烧室直径D的1/5。

说明书全文

一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于液体火箭发动机技术领域,具体涉及一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法。

背景技术

[0002] 针栓式喷注器的概念在二十世纪五十年代就已提出,因其结构可靠性高、易于实现重复使用、易于实现大范围变推力而得到广泛应用。针栓喷注器为单喷注单元,雾化不好,实现高性能燃烧设计难度大。
[0003] 现有针栓喷注器结构简单,但是影响燃烧效率的因素多,各种影响因素中最为核心是喷注槽,以往针栓喷注器研制过程中通常采用多方案验证,逐步迭代,最终实现高燃烧效率,这一模式研制成本高且周期长,制约了针栓喷注器的发展和应用,实现高效率燃烧是针栓喷注器设计的瓶颈技术。
[0004] 目前针栓喷注器设计没有规范的设计方法,通常根据燃烧室直径选择中心筒直径,中心筒直径一般为燃烧室直径的1/3~1/5,中心筒直径确定后根据经验选择阻塞率、槽数及外圈液膜喷注直径,再根据所选择的喷注压降确定最后的槽型结构。这样的设计方法中心筒直径可选择范围过大,很难确定对性能最优的针栓直径。另外阻塞率、槽数选择来自于已有实践经验,如果新设计的针栓喷注器在已有实践经验小范围内变化,经验是可以有效扩展的,但是通常我们设计的针栓喷注器在推力、室压、推进剂物性等方面是有很大差异,即实践经验很难有效扩展。这导致针栓喷注器槽型设计有很大的自由度,已有的设计方法只是一种计算方法,不是严格的设计流程,需要在很大的范围内进行试车验证,从而确定最优方案。

发明内容

[0005] 本发明的目的是解决现有针栓喷注器槽型采用多方案验证,逐步迭代计算设计出适配高燃烧效率的针栓喷注器喷注槽型,验证基于实践经验,工作量大且具有局限性的问题,而提供了一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法,引入无量纲参数,以喷注槽间隙与外圈液膜厚度之比k为基准,并将槽数选择与无量纲参数k关联,规范了设计流程,降低设计的盲目性和随机性。
[0006] 为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
[0007] 一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
[0008] 步骤1、设定待设计针栓喷注器的外圈液膜喷注直径Df;
[0009] 步骤2、计算针栓喷注器外圈液膜厚度δf;
[0010] δf=hf×sin(α)
[0011] 其中,hf为针栓喷注器外圈开度;
[0012] α为针栓喷注器外圈喷注角度;α=25°~30°;
[0013] 步骤3、计算针栓喷注器中心筒喷注直径D0,并判断中心筒喷注直径D0是否为燃烧室直径D的1/3~1/5;
[0014] Do=Df‑4δf
[0015] 若是,则进入步骤4;若否,则返回步骤1;
[0016] 步骤4、根据发动机流量确定无量纲参数k,k=1.5~3.5;所述无量纲参数k随推进剂流量增大k值增大;
[0017] 根据无量纲参数k计算喷注槽间隙c:
[0018]
[0019] 步骤5、根据无量纲参数k计算喷注槽槽数n:
[0020] n=[10×k];
[0021] 步骤6、根据中心筒喷注直径D0、喷注槽间隙c以及喷注槽槽数n,计算喷注槽槽宽a:
[0022]
[0023] 步骤7、根据喷注槽槽数n、喷注槽槽宽a以及针栓喷注器中心路流通面积Ao,计算喷注槽槽高b:
[0024] Ao=n×a×b;
[0025] 步骤8、计算阻塞率η:
[0026]
[0027] 判断阻塞率η是否在给定范围内,若是,则完成针栓喷注器喷注槽设计,若否,则返回步骤1。
[0028] 进一步地,步骤2中,针栓喷注器外圈开度hf通过以下公式计算:
[0029]
[0030] Af=π×hfsin(α)×(Df‑hfsin(α)×cos(α))
[0031] 其中,Qf为针栓喷注器外圈推进剂流量;
[0032] μf为针栓喷注器外圈流量系数;
[0033] Af为针栓喷注器外圈推进剂流通面积;
[0034] ρf为针栓喷注器外圈推进剂密度;
[0035] ΔPf为针栓喷注器外圈喷注压降。
[0036] 进一步地,步骤7中,针栓喷注器中心路流通面积Ao通过以下公式计算:
[0037]
[0038] 其中,Qo为针栓喷注器中心推进剂流量,根据发动机所需推力、比冲计算得到;
[0039] μo为针栓喷注器中心路流量系数;
[0040] ρo为针栓喷注器中心路推进剂密度;
[0041] ΔPo为针栓喷注器中心路喷注压降。
[0042] 进一步地,步骤8中,所述给定范围为:[0.6~0.7]。
[0043] 进一步地,步骤2中,环缝喷注结构时,μf=0.85~0.9;
[0044] 针栓喷注器外圈喷注压降ΔPf为燃烧室压强的10%~20%。
[0045] 进一步地,步骤7中,中心路为开槽结构时,μo=0.75~0.8;
[0046] 中心路喷注压降ΔPo为燃烧室压强的15%~25%。
[0047] 进一步地,步骤1中,外圈液膜喷注直径Df至少为燃烧室直径D的1/5。
[0048] 与现有技术相比,本发明具有的有益技术效果如下:
[0049] 本发明提供的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,代替了目前采用多方案验证,逐步迭代计算设计出适配高燃烧效率的针栓喷注器喷注槽型,本发明引入无量纲参数,以喷注槽间隙与外圈液膜厚度之比k为基准,并将槽数选择与无量纲参数k关联,可以有效完成实现高燃烧效率喷注槽参数选取,从而快速确定最优的喷注槽结构,显著缩短研制周期、降低研制成本。

附图说明

[0050] 图1为本发明实施例针栓喷注器结构示意图;
[0051] 图2为本发明实施例针栓喷注器喷注槽型的设计方法流程图;
[0052] 附图标记说明:
[0053] 1‑壳体,2‑中心筒,3‑喷注槽。

具体实施方式

[0054] 为使本发明的目的、优点和特征更加清楚,以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种针栓喷注器喷注槽型的设计方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理,目的并不是用来限制本发明的保护范围。
[0055] 如图1所示的针栓喷注器的壳体1与中心筒2配合形成外圈喷注环缝,中心筒2上加工内圈推进剂喷注槽3,喷注槽3是影响针栓喷注器燃烧效率最重要的因素。
[0056] 如图2所示,本发明提出的针栓喷注器喷注槽型的设计方法,包括以下步骤:
[0057] 步骤1、设定待设计针栓喷注器的外圈液膜喷注直径Df;外圈液膜喷注直径Df至少为燃烧室直径D的1/5;
[0058] 步骤2、计算针栓喷注器外圈液膜厚度δf;
[0059]
[0060] Af=π×hfsin(α)×(Df‑hfsin(α)×cos(α))            (2)
[0061] δf=hf×sin(α)                                                (3)[0062] 其中,Qf为针栓喷注器外圈推进剂流量;
[0063] μf为针栓喷注器外圈流量系数,一般取0.85~0.9;
[0064] Af为针栓喷注器外圈推进剂流通面积;
[0065] ρf为针栓喷注器外圈推进剂密度;
[0066] ΔPf为针栓喷注器外圈喷注压降,一般为燃烧室压强的10%~20%;
[0067] hf为针栓喷注器外圈开度;
[0068] α为针栓喷注器外圈喷注角度,一般25°~30°;
[0069] 步骤3、计算针栓喷注器中心筒喷注直径D0:
[0070] Do=Df‑4δf                        (4)
[0071] 步骤4、确定无量纲参数k,计算喷注槽间隙c:
[0072]
[0073] k为喷注槽间隙c与针栓喷注器外圈液膜厚度δf之比,根据发动机流量选取k,一般随推进剂流量增大k值增大,k=1.5~3.5;
[0074] 步骤5、计算喷注槽槽数n:
[0075] n=[10×k]                         (6)
[0076] 步骤6、计算喷注槽槽宽a:
[0077]
[0078] 步骤7、计算喷注槽槽高b:
[0079]
[0080] Ao=n×a×b                       (9)
[0081] 其中,Qo为针栓喷注器中心推进剂流量,根据发动机所需推力、比冲计算;
[0082] μo为针栓喷注器中心路流量系数,一般取0.75~0.8;
[0083] Ao为针栓喷注器中心路流通面积;
[0084] ρo为针栓喷注器中心路推进剂密度;
[0085] ΔPo为针栓喷注器中心路喷注压降,一般为燃烧室压强的15%~25%;
[0086] 步骤8、计算阻塞率η;
[0087]
[0088] η=0.6~0.7,一般随推进剂流量增大η值增大。如计算阻塞率η在给定范围内,且中心筒喷注直径D0为燃烧直径的1/3~1/5,则设计完成;如计算阻塞率η不在给定范围内,则调整针栓喷注器的外圈液膜喷注直径Df,直至阻塞率η中心筒喷注直径D0满足要求。
[0089] 最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。