一种喷注器的喷注口设计方法

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一种喷注器的喷注口设计方法
申请号	CN202211610112.X	申请日	2022-12-14	公开(公告)号	CN116227050A	公开(公告)日	2023-06-06
申请人	西安航天动力试验技术研究所;			发明人	李民民; 李广会; 秦永涛; 张丽娜; 李宇; 宋家豪; 马庆华; 南荻; 王广涛; 廖云鹏; 卜学星; 张腾飞; 李冠儒;
摘要	本发明具体涉及一种喷注器的喷注口设计方法,解决现有喷注器喷注口设计方法存在考虑因素不全面从而引起蒸汽发生器工作稳定性差、研制周期长以及研制成本高，且容易对蒸汽发生器和液体火箭发动机产生不利影响的问题。该喷注器的喷注口设计方法，包括以下步骤：S1：根据氧化剂或燃料的总流量和压降确定环腔数量N，N为大于等于2的整数；S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量；S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量；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；S5：计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计。
权利要求	1.一种喷注器的喷注口设计方法，所述喷注器环腔包括与喷注盘同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且燃料环腔靠近喷注盘的中心设置；其特征在于，包括以下步骤：S1：根据氧化剂或燃料的总流量和压降确定环腔数量N，N为大于等于2的整数； S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量； 2.1)通过下式计算喷注器的动量密度：2 式中：Isi为喷注面i分区内的动量密度，单位为kg/(s·m)，i＝2,3，……M，M为喷注面上分区的数量； 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； vi为喷注面i分区内喷注口氧化剂或燃料沿喷注器轴向的流动速度，单位为m/s； 2 Ai为喷注面i分区内的分区面积，单位为m； 2.2)通过下式计算喷注器的混合比：ki＝qio/qif 式中：ki为喷注面的i分区内的混合比； qio为喷注面的i分区内的氧化剂流量，单位为kg/s； qif为喷注面的i分区内的燃料流量，单位为kg/s； 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； S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量； 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； S5：计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计。 2.根据权利要求1所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于，步骤S1中所述压降具体通过下式计算： 1.1)计算喷注面上氧化剂的喷注口压降为：Δpho＝po‑pc 式中：po为氧化剂环腔压力； pc为燃烧室压力； 1.2)计算喷注面上燃料的喷注口压降为：Δphf＝pf‑pc 式中：pf为燃料环腔压力。 3.根据权利要求2所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于，步骤S3具体为：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数量，使各分区内的 2 2 喷注口排列密度为0.2个/cm～1.2个/cm范围内。 4.根据权利要求3所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于，步骤S4具体为：根据步骤2.3)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：qdi＝qi/ni 式中：qdi为i分区内单个喷注口的流量，单位为kg/s； 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； ni为i分区内喷注口数量。 5.根据权利要求4所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于，步骤S5具体为：依据步骤1.1)所得的氧化剂的喷注口压降或步骤1.2)所得的燃料的喷注口压降与步骤S4中所得的单个喷注口的流量，通过下式计算喷注口直径:式中：cd为喷注口的流量系数，取0.6～0.85； dh为喷注口直径，单位为mm； △ph为喷注口压降，单位为MPa； 3 ρ为氧化剂密度或燃料密度，单位为kg/m。 6.根据权利要求5所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于：步骤1.1)中，所述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；所述边区为喷注面外沿向内延伸至喷注面半径的5％～10％的区间。 7.根据权利要求6所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于：所述主燃烧区沿半径方向动量密度呈陡驼峰分布。 8.根据权利要求7所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于：步骤1.1)中，所述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％； 2 所述边区喷注口排列密度不低于0.25个/cm。 9.根据权利要求8所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于：所述主燃烧区的混合比与化学当量的偏差小于等于30％；所述边区的混合比与化学当量的偏差大于等于30％。
说明书全文	一种喷注器的喷注口设计方法技术领域 [0001] 本发明涉及具体涉及一种喷注器的喷注口设计方法。背景技术 [0002] 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。 [0003] 现有技术中主流的喷注器喷注口设计方法为：通过计算各个分区内的流量密度，控制流量密度在半径方向上的分布，进行各分区的流量分配。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。而实际上，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，单纯采用流量密度作为流量分配的原则，无法兼顾速度对于液体分区的影响，从形成不合理的流量分配，而不合理的流量分配对于发生器乃至液体火箭发动机的稳定均产生不利影响。同时，作为燃烧组织的关键设备，喷注器目前没有一个标准化、流程化的设计过程，不利于喷注器设计工作的快速、准确完成。 [0004] 综上所述，现有喷注器喷注口设计方法存在考虑因素不全面从而引起发生器工作稳定性差，需通过点火验证、多次改进流量分配结果再重新点火的反复过程来完成喷注器的设计，研制周期长，研制成本高。发明内容 [0005] 本发明的目的是针对现有喷注器喷注口设计方法存在考虑因素不全面从而引起蒸汽发生器工作稳定性差、研制周期长以及研制成本高，且容易对蒸汽发生器和液体火箭发动机产生不利影响的问题，而提供一种喷注器的喷注口设计方法，实现喷注器的稳定性与可靠性。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为： [0007] 一种喷注器的喷注口设计方法，所述喷注器环腔包括与喷注盘同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且燃料环腔靠近喷注盘的中心设置； [0008] 其特殊之处在于，包括以下步骤： [0009] S1：根据氧化剂或燃料的总流量和压降确定环腔数量N，N为大于等于2的整数； [0010] S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量； [0011] 2.1)通过下式计算喷注器的动量密度： [0012] [0013] 式中：Isi为喷注面i分区内的动量密度，单位为kg/(s2·m)，i＝2,3，……M，M为喷注面上分区的数量； [0014] 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； [0015] vi为喷注面i分区内喷注口氧化剂或燃料沿喷注器轴向的流动速度，单位为m/s； [0016] Ai为喷注面i分区内的分区面积，单位为m2； [0017] 2.2)通过下式计算喷注器的混合比： [0018] ki＝qio/qif [0019] 式中：ki为喷注面的i分区内的混合比； [0020] qio为喷注面的i分区内的氧化剂流量，单位为kg/s； [0021] qif为喷注面的i分区内的燃料流量，单位为kg/s； [0022] 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； [0023] S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量； [0024] 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； [0025] S5：计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计。 [0026] 进一步地，步骤S1中所述压降具体通过下式计算： [0027] 1.1)计算喷注面上氧化剂的喷注口压降为： [0028] Δpho＝po‑pc [0029] 式中：po为氧化剂环腔压力； [0030] pc为燃烧室压力； [0031] 1.2)计算喷注面上燃料的喷注口压降为： [0032] Δphf＝pf‑pc [0033] 式中：pf为燃料环腔压力。 [0034] 进一步地，步骤S3具体为： [0035] 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数量，使各分区2 2 内的喷注口排列密度为0.2个/cm～1.2个/cm范围内。 [0036] 进一步地，步骤S4具体为： [0037] 根据步骤2.3)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： [0038] qdi＝qi/ni [0039] 式中：qdi为i分区内单个喷注口的流量，单位为kg/s； [0040] 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； [0041] ni为i分区内喷注口数量。 [0042] 进一步地，步骤S5具体为： [0043] 依据步骤1.1)所得的氧化剂的喷注口压降或步骤1.2)所得的燃料的喷注口压降与步骤S4中所得的单个喷注口的流量，通过下式计算喷注口直径: [0044] [0045] 式中：cd为喷注口的流量系数，取0.6～0.85； [0046] dh为喷注口直径，单位为mm； [0047] △ph为喷注口压降，单位为MPa； [0048] ρ为氧化剂密度或燃料密度，单位为kg/m3。 [0049] 进一步地，步骤1.1)中，所述喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区； [0050] 所述非主燃烧区包括边区； [0051] 所述边区为喷注面外沿向内延伸至喷注面半径的5％～10％的区间。 [0052] 进一步地，所述主燃烧区沿半径方向动量密度呈陡驼峰分布。 [0053] 进一步地，步骤1.1)中，所述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％； [0054] 所述边区喷注口排列密度不低于0.25个/cm2。 [0055] 进一步地，所述主燃烧区的混合比与化学当量的偏差小于等于30％； [0056] 所述边区的混合比与化学当量的偏差大于等于30％。 [0057] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是： [0058] (1)本发明喷注器的喷注口设计方法，可以调整发生器中喷注器的工况，根据使用要求对喷注器进行工况调整计算，使进入到燃烧室的氧化剂流量、燃料流量发生变化，从而控制喷注器产生的水蒸汽流量和压力满足工况需求。 [0059] (2)本发明喷注器的喷注口设计方法，将动量密度作为稳定性设计的关键控制因素。通过热点火数据表明，控制动量密度的分布，显著提高了稳定性、准确性和可靠性。 [0060] (3)本发明喷注器的喷注口设计方法，进行各环腔的流量分配时，分配原则为：半径方向动量密度呈陡驼峰分布；根据环腔分配的流量，计算各分区的混合比，由于确保主燃烧区的的混合比与化学当量比偏差不超过±30％(即高混合比)，边区的的混合比与化学当量比偏差不小于±30％(即低混合比)，因此在保证喷注器较高性能的前提下，有效提高了喷注器的燃烧稳定性。 [0061] (4)本发明喷注器的喷注口设计方法，不仅适用于环腔结构的集液腔，也适用于径向进液结构的直流撞击(直流自击或直流互击)，不仅适用于液氧酒精喷注器，也适用于其他燃烧介质的喷注器，具有广泛的适用性。附图说明 [0062] 图1为三底结构喷注器的结构示意图。 [0063] 图1中的附图标记为：01‑外底，02‑喷嘴，03‑中底，04‑内底，05‑第一钎焊缝，06‑第二钎焊缝。 [0064] 图2为径向通道进液喷注器的结构示意图。 [0065] 图2中的附图标记为：001‑喷注盘，002‑法兰盘，003‑盖板，004‑直流喷嘴； [0066] 图3为喷注口的示意图。具体实施方式 [0067] 图1是三底结构喷注器，图2是径向通道进液喷注器，本发明不仅适用于环腔结构的集液腔，也适用于径向进液结构的直流撞击(直流自击或直流互击)。一般喷注器的工作过程是:由喷注器顶部的点火装置对点火通道进行点火。喷注盘与盖板之间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喷注口，如图3所示，由喷注口进入燃烧室雾化、掺混、燃烧，产生后端所需的带压燃气。 [0068] 本发明一种喷注器的喷注口设计方法，喷注器环腔包括与喷注盘同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且燃料环腔靠近喷注盘的中心设置；包括以下步骤： [0069] 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N，N为大于等于2的整数；其中，环腔包括与喷注盘同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且靠近喷注盘中心的环腔为燃料环腔。 [0070] 1.1)计算喷注面上氧化剂的喷注口压降为： [0071] Δpho＝po‑pc [0072] 式中：po为氧化剂环腔压力； [0073] pc为燃烧室压力； [0074] 1.2)计算喷注面上燃料的喷注口压降为： [0075] Δphf＝pf‑pc [0076] 式中：pf为燃料环腔压力。 [0077] S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量； [0078] 2.1)通过下式计算喷注器的动量密度： [0079] [0080] 式中：Isi为喷注面i分区内的动量密度，单位为kg/(s2·m)，i为大于等于2的整数； [0081] 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； [0082] vi为喷注面i分区内喷注口氧化剂或燃料沿喷注器轴向的流动速度，单位为m/s； [0083] Ai为喷注面i分区内的分区面积，单位为m2； [0084] 2.2)通过下式计算喷注器的混合比： [0085] ki＝qio/qif [0086] 式中：ki为喷注面的i分区内的混合比； [0087] qio为喷注面的i分区内的氧化剂流量，单位为kg/s； [0088] qif为喷注面的i分区内的燃料流量，单位为kg/s； [0089] 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； [0090] S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量； [0091] 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数量，使各分区2 2 内的喷注口排列密度为0.2个/cm～1.2个/cm范围内； [0092] 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； [0093] 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； [0094] 按照步骤2.3)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: [0095] qdi＝qi/ni [0096] 式中：qdi为i分区内单个喷注口的流量，单位为kg/s； [0097] 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； [0098] ni为i分区内喷注口数量。 [0099] S5：依据步骤1.1)所得的氧化剂的喷注口压降或步骤1.2)所得的燃料的喷注口压降与步骤S4中所得的单个喷注口的流量，通过下式计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计； [0100] [0101] 式中：cd为喷注口的流量系数，取0.6～0.85； [0102] dh为喷注口直径，单位为mm； [0103] △ph为喷注口压降，单位为MPa； [0104] ρ为氧化剂密度或燃料密度，单位为kg/m3。 [0105] 本实施例中，喷注盘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；边区为喷注盘外沿向内延伸至喷注盘半径的5％～10％的区间；主燃烧区的混合比与化学当量的偏差小于等于30％；边区的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％；边区喷注口排列密度不低于0.25 2 个/cm。通过设置喷注口撞击角度、喷注口布置方式减小回流。 [0106] 本发明中对喷注器的喷注口设计方法的思路如下： [0107] 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、二次集液等的进液方式。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。 [0108] 第二、喷注口排列设计 [0109] 喷注口排列设计时，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，喷注口排列密度与喷注口孔径成反比，适当增大排列密度可使燃烧室8冲量效率增大。 [0110] 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。 [0111] 同时，为保证两组元间有较好的混合，其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。 [0112] 第三、燃烧稳定性设计 [0113] 正确选择喷注口类型和排列方式，试验表明，喷注口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。 [0114] 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。 [0115] 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。 [0116] 第四、排布、计算喷注口直径 [0117] 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； [0118] 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。 [0119] 2)按照环腔尺寸，初步给定环腔撞击对数量和喷注口压力降，然后计算喷注口直径。计算得到的喷注口直径一般不要过小,最小不小于0.4mm，以避免加工难度增大。 [0120] 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。