CN101699053A - 补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器 - Google Patents
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Abstract
一种补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，由氢接嘴、氧接嘴、喷嘴、密封垫圈、混合杯、点火室、谐振管接嘴、谐振管调整垫片、谐振管、空气接嘴组成；混合杯位于喷嘴和点火室之间，混合杯上环布有排气孔；谐振管接嘴位于点火器侧面，谐振管接嘴的焊接位置位于混合杯排气孔下游；谐振管通过谐振管接嘴伸入点火室，由空气接嘴和谐振管接嘴之间的螺纹固定，可通过谐振管调整垫片调整伸入点火室的深度并实现密封；其特征在于：在所述的点火室的尾部设置有一补氧喷嘴，在该补氧喷嘴位于点火室内部的侧壁上、相对于流场中心的位置处，钻有一个向下游喷射的补氧孔；其中，该补氧孔的直径为：当补氧流量为3～10克/秒时，直径d为1～3mm。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器装置。
【背景技术】
目前火箭发动机常用的点火方式有火药点火、高能电火花、可自燃推进剂点火等。火药点火方式技术成熟，具有结构简单，工作可靠的优点，广泛运用于多种固体火箭和液体火箭发动机中。气动谐振点火器是一种新型的点火方式，相对于火药点火、电点火及可自燃推进剂点火，气动谐振点火有其无法被取代的优点：无固体颗粒污染、无射频及静电干扰、无需大功率电源、相对于可自燃推进剂点火，气动谐振点火器不受液体火箭所采用的推进剂限制。然而普通的气动谐振点火器也存在一些不足，在大流量氢气、高点火能量的要求下，混合杯排气孔之间的薄壁易被烧毁，限制了点火器的点火能力。超燃冲压发动机地面试验系统，需对大流量空气进行加热，普通的谐振点火器点火能力难以满足要求，气动谐振热表面补氧点火器依靠补氧喷嘴与气动谐振热效应的配合，大大提高了点火器点火能力及可靠性，目前已成功应用于超燃冲压发动机地面试验系统。气动谐振点火技术是基于气动谐振热效应的一种新型点火方式。将一根一端封闭另一端开口的中空管(称为谐振管)同轴放置在喷嘴的射流中，通过建立特定的气动谐振条件，使气动谐振管的内外流动相耦合，在管口形成自激振荡界面。依靠谐振管外连续来流的能量维持，气动谐振管内将产生周期性的高频激波振荡，约在谐振管端部30％的管长区，通过不可逆的熵增过程，压缩气体的能量不可逆地转化为热量，产生超过谐振管外来流滞止温度数倍的谐振管端部温升，这就是气动谐振热效应。补氧喷嘴位于谐振管下游，向富燃燃气中补入氧气。补氧装置的设计一方面可将氧喷嘴2的部分流量转移至补氧管路11，降低了混合杯处的温度增强了点火器可靠性，另一方面补氧区域结构简单、可靠，可承受更大的热载，补氧喷嘴可通过大量补入氧气大大增强点火火炬的能量，增强点火器点火性能。利用气动谐振效应加热谐振管并辅以氧气补燃技术用于点火的点火器称之为补氧式气动谐振热表面点火器。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，其结构简单、性能可靠、可多次重复使用，并可根据试验需要控制点火持续时间。
本发明需要解决的技术问题是：采用气动谐振技术对点火器实施点火；采用补氧助燃技术增强点火器可靠性及点火能力；采用谐振气体与推进剂气体分别供应方式，通过调整推进剂流量、混合比调整点火能量，不影响到谐振性能，同时谐振时间可以控制，点火火炬时间可以控制。
本发明是一种补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，由氢接嘴1、氧接嘴2、喷嘴3、密封垫圈4、混合杯5、点火室6、谐振管接嘴7、谐振管调整垫片8、谐振管9、空气接嘴10、补氧喷嘴11组成。混合杯位于喷嘴和点火室之间，混合杯上环布有排气孔，从点火器喷嘴喷入的氢气氧气先通过混合杯再进入点火室。谐振管接嘴位于点火器侧面，谐振管接嘴的焊接位置位于混合杯排气孔下游。谐振管通过谐振管接嘴伸入点火室，由空气接嘴和谐振管接嘴之间的螺纹固定，可通过谐振管调整垫片调整伸入点火室的深度并实现密封。特征在于：在所述的点火室的尾部设置有一补氧喷嘴，在该补氧喷嘴位于点火室内部的侧壁上、相对于流场中心的位置处，钻有一个向下游喷射的补氧孔；其中，该补氧孔的直径为：当补氧流量为3～10克/秒时，直径d为1～3mm，最优为1.5mm。经大量试验验证，补氧前氧/氢组元比(即氧气流量与氢气流量之比)控制在0.55左右可兼顾混合杯薄壁安全性及下游补氧燃烧的可靠性，而补氧后的组元比在达到1.4之前点火器均能可靠工作。本发明的补氧喷嘴可通过补入氧气助燃，实现在降低混合杯内温度提高点火器可靠性的同时，大幅提高谐振点火器点火能力。图2示出了补氧后，氧/氢组元比与点火器出口温度之间的关系。试验发现在不补氧情况下，混合杯极限工作组元比在0.8左右，并且该极限工况受同轴喷嘴加工精度影响较大，点火能力不强。由图2可见，补氧设计使得点火器出口温度提高了近500K，点火能力获得大幅提高。
本发明的补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，其优点和积极效果在于：(1)采用了间接点火方式，以常用的空气作为谐振气源，成本低，同时可以根据谐振管的性能调整谐振时间，不会出现以推进剂直接谐振点火方式存在推进剂在燃烧室积存的问题。(2)采用了混合杯，提高了氢氧掺混效果，有利于谐振管引燃氢氧混合气。(3)可以通过调整氢气氧气的供应时间而控制点火器的工作时间，也可以通过调整氢气氧气的比例调整点火温度或者是通过调整点火器氢气氧气总流量调整能量。(4)采用了补氧方案，一方面大大降低了混合杯内当量比避免了混合杯排气孔烧蚀现象增大了点火器的可靠性，另一方面大幅提高了点火器点火能力(5)该方案适应性强，不仅可以采用氢气氧气作为点火气体，其他气体推进剂组合也可实现，并且谐振气体也可以采用氮气、氦气等。
【附图说明】
图1是补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器
图2是补氧后氧/氢组元比与点火器出口温度关系
图中具体标号如下：
1、氢接嘴 2、氧接嘴 3、喷嘴 4、密封垫圈
5、混合杯 6、点火室 7、谐振管接嘴 8、谐振管调整垫片
9、谐振管 10、空气接嘴 11、补氧喷嘴
【具体实施方式】
下面结合附图来进一步说明本发明。
如图1所示，补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器结构由氢接嘴1、氧接嘴2、喷嘴3、密封垫圈4、混合杯5、点火室6、谐振管接嘴7、谐振管调整垫片8、谐振管9、空气接嘴10，补氧喷嘴11组成。
氧接嘴2位于喷嘴3中心，是氧气的通道，两者通过焊接连接。氢接嘴1焊接在喷嘴3侧面，氢气通过氢接嘴1和喷嘴3侧面的孔进入喷嘴3。从喷嘴喷出的气体中心为氧气，周围为氢气。喷嘴3通过螺纹方式与点火室6连接，混合杯5焊接在喷嘴3上，点火室通过密封垫圈4实现与外界的密封，混合杯5上有一圈孔。点火器室6侧面开孔并焊接谐振管接嘴7，开孔位置位于混合杯5排气孔下游。谐振管接嘴7用于安装谐振管9和空气接嘴10，点火室与外界的密封通过调整垫片8实现，调整垫片8同时具有调整谐振管9位置的功能，采用较薄的调整垫片时，谐振管可以较长的伸入点火室，采用较厚的调整垫片时，谐振管可缩入点火室壁面内。在所述的点火室的尾部设置有一补氧喷嘴，在该补氧喷嘴位于点火室内部的侧壁上、相对于流场中心的位置处，钻有一个向下游喷射的补氧孔；补氧喷嘴11的补氧孔会影响补氧下游温度场分布，将补燃氧气以单孔喷射形式置于点火器流场中心有利于保护下游点火器不锈钢壁面、防止烧蚀。在一定补氧流量下，喷嘴11孔径大小决定着补氧喷嘴出口速度进而影响掺混效果。根据不同的补氧流量要求，可适当选择喷嘴11孔径，以应用于北京航空航天大学超燃冲压发动机直联式试验台的点火器为例，补氧流量要求在3克每秒至15克每秒范围内可调，试验中补氧喷嘴11的补氧孔的孔径在1毫米至3毫米均可实现可靠助燃功能，考虑预留一定的安全余量，最终孔径选取为1.5毫米。
采用气动谐振点火器对其他装置如火箭发动机点火时，先用空气谐振加热谐振管9，使谐振管9发热。然后通过氢接嘴1和氧接嘴2往点火器通入氢气和氧气，两种气体通过喷嘴3喷入混合杯5进行混合，然后通过混合杯上的排气孔进入点火室6内。混合气接触到加热后的谐振管9即被点燃形成富燃燃气，富燃燃气在点火室尾部与通过补氧喷嘴11补入的氧气进一步反应形成高能点火火炬。采用补氧喷射方案的创新在于：
首先，混合杯有利于氢氧的掺混，形成均匀的氢氧混合气，一旦接触到高温的谐振管即燃烧，但是在要求高点火能力时混合杯排气孔之间的薄壁容易被烧毁。取消混合杯，又会导致氢/氧气体混合不均匀，谐振管难以引燃点火室内气体。如果将谐振管进一步伸入点火室则容易造成谐振管烧坏。因此设计了补氧喷嘴将氧喷嘴2的部分流量转移至点火室尾部喷入，保证了混合杯结构的安全工作。
其次，补氧区域结构简单、可靠，可承受更大的热载，补氧喷嘴可通过大量补入氧气使富燃燃气进一步燃烧，大大增强点火火炬的能量，增强点火器点火性能。
由于点火气体单独供应，可以通过调整氢气路和氧气路及补氧路的分配比例和流量来调整点火温度和能量。由于采用了间接点火方式，只要是两种可以燃烧的气体通入点火室内，都可以被点燃，因此该点火器具有很强的适应性。
Claims (3)
1.一种补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，由氢接嘴、氧接嘴、喷嘴、密封垫圈、混合杯、点火室、谐振管接嘴、谐振管调整垫片、谐振管、空气接嘴组成；混合杯位于喷嘴和点火室之间，混合杯上环布有排气孔，从点火器喷嘴喷入的氢气氧气先通过混合杯再进入点火室；谐振管接嘴位于点火器侧面，谐振管接嘴的焊接位置位于混合杯排气孔下游；谐振管通过谐振管接嘴伸入点火室，由空气接嘴和谐振管接嘴之间的螺纹固定，可通过谐振管调整垫片调整伸入点火室的深度并实现密封；其特征在于：在所述的点火室的尾部设置有一补氧喷嘴，在该补氧喷嘴位于点火室内部的侧壁上、相对于流场中心的位置处，钻有一个向下游喷射的补氧孔；其中，该补氧孔的直径为：当补氧流量为3～10克/秒时，直径d为1～3mm。
2.根据权利要求1所述的补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，其特征在于：所述的补氧喷嘴的补氧孔的直径为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的补氧式气氢/气氧气动谐振热表面点火器，其特征在于：所述的点火器其补氧前氧/氢组元比控制在0.55左右可兼顾混合杯薄壁安全性及下游补氧燃烧的可靠性，而补氧后的组元比在达到1.4之前点火器均能可靠工作。
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2009
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