本發(fā)明涉及一種利用射流對(duì)撞方式組織燃燒，以利于液態(tài)燃料的霧化、摻混和燃燒的高效穩(wěn)定，減少了燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸和冷卻面積要求，燃燒室身部采用旋流進(jìn)氣再生冷卻方式進(jìn)行冷卻，采用可移動(dòng)式塞錐對(duì)喉部面積進(jìn)行在線調(diào)節(jié)的多工況燃?xì)獍l(fā)生器。

背景技術(shù)：

燃?xì)獍l(fā)生器在航空航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，它將氧化劑和燃料按照設(shè)計(jì)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(shù)要求的燃?xì)?，以?shí)現(xiàn)特定的目的，如產(chǎn)生引射氣流、驅(qū)動(dòng)渦輪、產(chǎn)生彈射氣流等。在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域燃?xì)獍l(fā)生器的應(yīng)用主要表現(xiàn)為兩大類：一類是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)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?xì)獍l(fā)生器所產(chǎn)生的燃?xì)鈪?shù)組元成分必須能模擬出高空大氣成分，同時(shí)對(duì)總壓和氣流的馬赫數(shù)必須能滿足飛行環(huán)境和速度的模擬要求。另一類是應(yīng)用于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)本身的一種管道式火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的富燃燃?xì)馍杉夹g(shù)，產(chǎn)生的富燃高溫燃?xì)庠跊_壓空氣中進(jìn)一步補(bǔ)燃，提高燃燒穩(wěn)定性。管道火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用燃?xì)獍l(fā)生器要能根據(jù)管道火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行條件的變化適時(shí)對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器的出口氣流參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足對(duì)根據(jù)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?xì)獍l(fā)生器的性能，需要在氣流參數(shù)可調(diào)節(jié)性、燃燒性能、長(zhǎng)時(shí)間工作能力上進(jìn)行改進(jìn)。目前，燃?xì)獍l(fā)生器多采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室技術(shù)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)組織燃燒，其燃燒過程呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒燃燒室，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作過程組織困難，在該類領(lǐng)域中目前較少使用。采用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)頭部燃料噴注的燃燒組織技術(shù)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但是燃料在燃燒室內(nèi)噴注、霧化、蒸發(fā)，擴(kuò)散燃燒需要較長(zhǎng)的燃燒室長(zhǎng)度，從而加大了燃燒室的冷卻面積，長(zhǎng)時(shí)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(diào)節(jié)，難以在工作過程中對(duì)出口流量和馬赫數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得加熱器形式的燃?xì)獍l(fā)生器難以模擬飛行器在變工況條件下的氣流環(huán)境變化，也使管道火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃器發(fā)生器難以適應(yīng)沖壓空氣的參數(shù)變化而合理組織補(bǔ)燃過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：

克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)，采用對(duì)撞燃燒方式，形成駐定渦穩(wěn)定火焰，身部冷卻面板冷卻面積少，并采用旋流進(jìn)氣的液膜再生式冷卻方式，并促進(jìn)燃?xì)獾膿交旌腿紵?，喉部大小可通過調(diào)節(jié)塞錐的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線式適時(shí)調(diào)節(jié)，燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，燃燒穩(wěn)定性、燃燒效率得到提高。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種采用射流對(duì)撞燃燒方式的在線可調(diào)式燃?xì)獍l(fā)生器，其特征在于：所述的燃?xì)獍l(fā)生器由環(huán)形槽燃燒室、收斂段和調(diào)節(jié)塞錐組件構(gòu)成，調(diào)節(jié)塞錐位于燃?xì)獍l(fā)生器頭部，與收斂段同軸安裝；所述的環(huán)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(diào)節(jié)塞錐組件由調(diào)節(jié)塞錐、作動(dòng)套筒和固定盤組成，調(diào)節(jié)塞錐可在作動(dòng)套筒內(nèi)前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)塞錐與收斂段型面相互配合設(shè)計(jì)；所述的前噴注面板、后噴注面板上分別在內(nèi)外圈的設(shè)置有相互隔開的集液腔，其上分別布置了多組錯(cuò)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(jìn)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(jìn)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(dòng)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(shè)計(jì)，最大轉(zhuǎn)角不超過7度，保證燃?xì)饬鞑怀霈F(xiàn)分離；所述的身部冷卻面板采用多組不同旋向的旋流進(jìn)氣的射流孔進(jìn)行液膜式再生冷卻，逆時(shí)針射流角度與順時(shí)針射流角度在10～80度之間，個(gè)數(shù)10～40，逆時(shí)針射流與順時(shí)針射流成組出現(xiàn)，冷卻組元通過冷卻組元入口接嘴進(jìn)入冷卻組元集液腔后，通過再生冷卻旋流孔噴出；所述的調(diào)節(jié)塞錐的錐部型面與收斂段的后段型面配合設(shè)計(jì)，使得在作動(dòng)行程內(nèi)能獲得零到出口半徑所標(biāo)示的面積大小的喉部大小變化范圍，并遵循一定的調(diào)節(jié)規(guī)律；所述的調(diào)節(jié)塞錐以手動(dòng)或壓力反饋調(diào)節(jié)的形式作用于作動(dòng)連桿前后移動(dòng)。

本發(fā)明的原理：液態(tài)燃料和氣態(tài)氧化劑以射流對(duì)撞方式進(jìn)入環(huán)形槽燃燒室，促進(jìn)液態(tài)燃料液滴的破碎、霧化、蒸發(fā)、摻混，形成駐定的氣動(dòng)渦結(jié)構(gòu)，以此穩(wěn)定火焰并燃燒；身部冷卻面板的不同旋向的冷卻射流實(shí)現(xiàn)液膜式再生冷卻的同時(shí)，加強(qiáng)燃?xì)鈸交烊紵?；產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)出口型面的整流作用進(jìn)入喉部截面，保證氣流不發(fā)生分離；喉部截面通過調(diào)節(jié)塞錐與收斂段的相對(duì)位移的變化來實(shí)現(xiàn)喉部大小的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)塞錐和收斂段型面配合設(shè)計(jì)，達(dá)到按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燃?xì)獍l(fā)生器工況的目的。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

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

(2)本發(fā)明采用環(huán)形槽燃燒室結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，燃燒室長(zhǎng)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(shí)，不同旋向的氣流與燃?xì)庀嗷プ饔?，增?qiáng)了氣流間的摻混。

(4)調(diào)節(jié)塞錐可左右移動(dòng)，調(diào)節(jié)塞錐與收斂段型面配合設(shè)計(jì)，可對(duì)喉部面積大小進(jìn)行在線式調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律改變?nèi)細(xì)獍l(fā)生器工作參數(shù)。

(5)出口型面設(shè)計(jì)保證對(duì)燃?xì)饬鞯恼髯饔?，出口燃?xì)饬鲌?chǎng)更加均勻。

該發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)形槽燃燒室長(zhǎng)度短，身部冷卻面積小，位于頭部的調(diào)節(jié)塞錐與收斂段型面配合設(shè)計(jì)，可對(duì)燃燒室出口喉部面積按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行在線式調(diào)節(jié)，利用對(duì)撞燃燒方式，促進(jìn)液態(tài)燃料液滴的破碎、霧化、摻混和穩(wěn)定燃燒。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的采用射流對(duì)撞燃燒方式的在線可調(diào)式燃?xì)獍l(fā)生器的1/4剖視圖；

圖2為本發(fā)明的采用射流對(duì)撞燃燒方式的在線可調(diào)式燃?xì)獍l(fā)生器的半剖視圖；

圖3為可調(diào)塞錐和收斂段配合關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明的前后噴注面板噴嘴分布結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的身部再生冷卻面板結(jié)構(gòu)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(diào)氣流喉部大小的環(huán)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(dòng)筒，9是作動(dòng)連桿，10是連桿固定盤，11是環(huán)形槽燃燒室，12是可調(diào)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?xì)饬鳎?5是可調(diào)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(shí)針射流角度，37是冷卻孔的順時(shí)針射流角度，38是可調(diào)塞錐的可調(diào)行程距離，39是采用射流對(duì)撞燃燒方式的在線可調(diào)式燃?xì)獍l(fā)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(diào)塞錐組件。

具體實(shí)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(huán)形槽燃燒室11內(nèi)，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(jìn)行摻混燃燒，并在燃燒室11內(nèi)形成駐定的氣動(dòng)渦結(jié)構(gòu)。燃燒室長(zhǎng)度尺寸28根據(jù)噴嘴的噴射穿透長(zhǎng)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(jù)燃燒室流量功率和安裝情況決定。

身部冷卻噴注面板16內(nèi)噴出冷卻液對(duì)身部進(jìn)行液膜式再生冷卻，冷卻流與燃?xì)膺M(jìn)一步摻混。形成的燃?xì)饬?4經(jīng)收斂段1和塞錐套筒8的型面40形成的型面出口進(jìn)行整流，經(jīng)可調(diào)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(shù)。燃料和氧化劑分別通過各自的進(jìn)口接嘴4、3、6、7進(jìn)入各自的積液腔15、14、18、19內(nèi)，然后經(jīng)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(jìn)行液膜式再生冷卻，經(jīng)不同旋向組成的旋流進(jìn)行孔21噴出。

根據(jù)雍塞情況下的流量公式以及一維理想氣體等熵流動(dòng)關(guān)系式，喉部面積的大小和膨脹比決定了燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi)的流量、總壓和出口馬赫數(shù)的大小。如圖3所示，通過調(diào)節(jié)喉部面積的大小是燃燒器實(shí)現(xiàn)在線適時(shí)調(diào)節(jié)的一條途徑?？烧{(diào)塞錐12可在塞錐套筒8內(nèi)左右移動(dòng)，在由固定盤10所限制的移動(dòng)行程距離38內(nèi)可實(shí)現(xiàn)喉部面積由零到出口半徑26所標(biāo)示的面積內(nèi)范圍內(nèi)變化。通過塞錐型面25和收斂段型面42的配合，可設(shè)計(jì)按一定規(guī)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(huán)集液腔直徑31、33相等，內(nèi)環(huán)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(cuò)布置，前后面板的噴嘴之間組成碰撞射流對(duì)，可根據(jù)燃燒流場(chǎng)組織的需要布置多個(gè)燃燒碰撞射流噴嘴組。如圖4(a)、圖4(b)所示，前噴注面板內(nèi)環(huán)積液腔內(nèi)布置的氧化劑噴嘴與外環(huán)燃料積液腔內(nèi)布置的氧化劑之間的相對(duì)布置角度32可隨布置的噴嘴的個(gè)數(shù)而異。噴嘴的位置布置要考慮燃燒室內(nèi)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(jié)構(gòu)圖，冷卻流分成多組，取不同的旋向進(jìn)入燃燒室11，在燃燒室壁面形成冷卻膜對(duì)燃燒室進(jìn)行保護(hù)。不同旋向的冷卻孔氣流與燃燒室內(nèi)燃?xì)庵g相互作用，相互摻混進(jìn)行燃燒。身部冷卻孔的孔徑大小、位置分布、數(shù)量、旋向等參數(shù)根據(jù)燃燒室的受熱情況決定，同時(shí)考慮冷卻用氣量的供應(yīng)需求。