專利名稱：補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器的制作方法
補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器裝置。
背景技術(shù)：
目前火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的點(diǎn)火方式有火藥點(diǎn)火、高能電火花、可自燃推進(jìn)劑點(diǎn)火等。 火藥點(diǎn)火方式技術(shù)成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于多種固體火箭和液體 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。氣動(dòng)諧振點(diǎn)火器是一種新型的點(diǎn)火方式，相對(duì)于火藥點(diǎn)火、電點(diǎn)火及可自燃 推進(jìn)劑點(diǎn)火，氣動(dòng)諧振點(diǎn)火有其無(wú)法被取代的優(yōu)點(diǎn)無(wú)固體顆粒污染、無(wú)射頻及靜電干擾、 無(wú)需大功率電源、相對(duì)于可自燃推進(jìn)劑點(diǎn)火，氣動(dòng)諧振點(diǎn)火器不受液體火箭所采用的推進(jìn) 劑限制。然而普通的氣動(dòng)諧振點(diǎn)火器也存在一些不足，在大流量氫氣、高點(diǎn)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(diǎn)火器的點(diǎn)火能力。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試 驗(yàn)系統(tǒng)，需對(duì)大流量空氣進(jìn)行加熱，普通的諧振點(diǎn)火器點(diǎn)火能力難以滿足要求，氣動(dòng)諧振熱 表面補(bǔ)氧點(diǎn)火器依靠補(bǔ)氧噴嘴與氣動(dòng)諧振熱效應(yīng)的配合，大大提高了點(diǎn)火器點(diǎn)火能力及可 靠性，目前已成功應(yīng)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)系統(tǒng)。氣動(dòng)諧振點(diǎn)火技術(shù)是基于氣動(dòng)諧 振熱效應(yīng)的一種新型點(diǎn)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(guò)建立特定的氣動(dòng)諧振條件，使氣動(dòng)諧振管的內(nèi)外流動(dòng)相耦合，在 管口形成自激振蕩界面。依靠諧振管外連續(xù)來(lái)流的能量維持，氣動(dòng)諧振管內(nèi)將產(chǎn)生周期性 的高頻激波振蕩，約在諧振管端部30%的管長(zhǎng)區(qū)，通過(guò)不可逆的熵增過(guò)程，壓縮氣體的能量 不可逆地轉(zhuǎn)化為熱量，產(chǎn)生超過(guò)諧振管外來(lái)流滯止溫度數(shù)倍的諧振管端部溫升，這就是氣 動(dòng)諧振熱效應(yīng)。補(bǔ)氧噴嘴位于諧振管下游，向富燃燃?xì)庵醒a(bǔ)入氧氣。補(bǔ)氧裝置的設(shè)計(jì)一方 面可將氧噴嘴2的部分流量轉(zhuǎn)移至補(bǔ)氧管路11，降低了混合杯處的溫度增強(qiáng)了點(diǎn)火器可靠 性，另一方面補(bǔ)氧區(qū)域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，可承受更大的熱載，補(bǔ)氧噴嘴可通過(guò)大量補(bǔ)入氧氣 大大增強(qiáng)點(diǎn)火火炬的能量，增強(qiáng)點(diǎn)火器點(diǎn)火性能。利用氣動(dòng)諧振效應(yīng)加熱諧振管并輔以氧 氣補(bǔ)燃技術(shù)用于點(diǎn)火的點(diǎn)火器稱之為補(bǔ)氧式氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、性能可靠、可多次重復(fù)使用，并可根據(jù)試驗(yàn)需要控制點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間。 本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是采用氣動(dòng)諧振技術(shù)對(duì)點(diǎn)火器實(shí)施點(diǎn)火；采用補(bǔ)氧 助燃技術(shù)增強(qiáng)點(diǎn)火器可靠性及點(diǎn)火能力；采用諧振氣體與推進(jìn)劑氣體分別供應(yīng)方式，通過(guò) 調(diào)整推進(jìn)劑流量、混合比調(diào)整點(diǎn)火能量，不影響到諧振性能，同時(shí)諧振時(shí)間可以控制，點(diǎn)火 火炬時(shí)間可以控制。 本發(fā)明是一種補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，由氫接嘴1、氧接嘴2、噴 嘴3、密封墊圈4、混合杯5、點(diǎn)火室6、諧振管接嘴7、諧振管調(diào)整墊片8、諧振管9、空氣接嘴 10、補(bǔ)氧噴嘴11組成。混合杯位于噴嘴和點(diǎn)火室之間，混合杯上環(huán)布有排氣孔，從點(diǎn)火器 噴嘴噴入的氫氣氧氣先通過(guò)混合杯再進(jìn)入點(diǎn)火室。諧振管接嘴位于點(diǎn)火器側(cè)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(guò)諧振管接嘴伸入點(diǎn)火室，由空氣接嘴和 諧振管接嘴之間的螺紋固定，可通過(guò)諧振管調(diào)整墊片調(diào)整伸入點(diǎn)火室的深度并實(shí)現(xiàn)密封。 特征在于在所述的點(diǎn)火室的尾部設(shè)置有一補(bǔ)氧噴嘴，在該補(bǔ)氧噴嘴位于點(diǎn)火室內(nèi)部的側(cè) 壁上、相對(duì)于流場(chǎng)中心的位置處，鉆有一個(gè)向下游噴射的補(bǔ)氧孔；其中，該補(bǔ)氧孔的直徑為 當(dāng)補(bǔ)氧流量為3 10克/秒時(shí)，直徑d為1 3mm，最優(yōu)為1. 5mm。經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，補(bǔ)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(bǔ)氧燃燒的可靠性，而補(bǔ)氧后的組元比在達(dá)到1.4之前點(diǎn)火器均能可靠工作。本發(fā) 明的補(bǔ)氧噴嘴可通過(guò)補(bǔ)入氧氣助燃，實(shí)現(xiàn)在降低混合杯內(nèi)溫度提高點(diǎn)火器可靠性的同時(shí)， 大幅提高諧振點(diǎn)火器點(diǎn)火能力。圖2示出了補(bǔ)氧后，氧/氫組元比與點(diǎn)火器出口溫度之間 的關(guān)系。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不補(bǔ)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(diǎn)火能力不強(qiáng)。由圖2可見(jiàn)，補(bǔ)氧設(shè)計(jì)使得點(diǎn)火器出口溫度提 高了近500K，點(diǎn)火能力獲得大幅提高。 本發(fā)明的補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，其優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于(1) 采用了間接點(diǎn)火方式，以常用的空氣作為諧振氣源，成本低，同時(shí)可以根據(jù)諧振管的性能調(diào) 整諧振時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)以推進(jìn)劑直接諧振點(diǎn)火方式存在推進(jìn)劑在燃燒室積存的問(wèn)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?xì)溲趸旌蠚狻?3)可以通過(guò)調(diào)整氫氣 氧氣的供應(yīng)時(shí)間而控制點(diǎn)火器的工作時(shí)間，也可以通過(guò)調(diào)整氫氣氧氣的比例調(diào)整點(diǎn)火溫度 或者是通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火器氫氣氧氣總流量調(diào)整能量。(4)采用了補(bǔ)氧方案，一方面大大降低了 混合杯內(nèi)當(dāng)量比避免了混合杯排氣孔燒蝕現(xiàn)象增大了點(diǎn)火器的可靠性，另一方面大幅提高 了點(diǎn)火器點(diǎn)火能力(5)該方案適應(yīng)性強(qiáng)，不僅可以采用氫氣氧氣作為點(diǎn)火氣體，其他氣體 推進(jìn)劑組合也可實(shí)現(xiàn)，并且諧振氣體也可以采用氮?dú)?、氦氣等?br>

圖1是補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器 圖2是補(bǔ)氧后氧/氫組元比與點(diǎn)火器出口溫度關(guān)系 圖中具體標(biāo)號(hào)如下 1、氫接嘴 2、氧接嘴 3、噴嘴 4、密封墊圈 5、混合杯 6、點(diǎn)火室 7、諧振管接嘴 8、諧振管調(diào)整墊片 9、諧振管 10、空氣接嘴 11、補(bǔ)氧噴嘴
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。 如圖l所示，補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)由氫接嘴l、氧接嘴2、 噴嘴3、密封墊圈4、混合杯5、點(diǎn)火室6、諧振管接嘴7、諧振管調(diào)整墊片8、諧振管9、空氣接 嘴IO，補(bǔ)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(guò)焊接連接。氫接嘴l焊接在噴 嘴3側(cè)面，氫氣通過(guò)氫接嘴1和噴嘴3側(cè)面的孔進(jìn)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(guò)螺紋方式與點(diǎn)火室6連接，混合杯5焊接在噴嘴3上，點(diǎn)火室通過(guò) 密封墊圈4實(shí)現(xiàn)與外界的密封，混合杯5上有一圈孔。點(diǎn)火器室6側(cè)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(diǎn)火室與外界的密封通過(guò)調(diào)整墊片8實(shí)現(xiàn)，調(diào)整墊片8同時(shí)具有調(diào)整諧振管9位置的功能， 采用較薄的調(diào)整墊片時(shí)，諧振管可以較長(zhǎng)的伸入點(diǎn)火室，采用較厚的調(diào)整墊片時(shí)，諧振管可 縮入點(diǎn)火室壁面內(nèi)。在所述的點(diǎn)火室的尾部設(shè)置有一補(bǔ)氧噴嘴，在該補(bǔ)氧噴嘴位于點(diǎn)火室 內(nèi)部的側(cè)壁上、相對(duì)于流場(chǎng)中心的位置處，鉆有一個(gè)向下游噴射的補(bǔ)氧孔；補(bǔ)氧噴嘴11的 補(bǔ)氧孔會(huì)影響補(bǔ)氧下游溫度場(chǎng)分布，將補(bǔ)燃氧氣以單孔噴射形式置于點(diǎn)火器流場(chǎng)中心有利 于保護(hù)下游點(diǎn)火器不銹鋼壁面、防止燒蝕。在一定補(bǔ)氧流量下，噴嘴11孔徑大小決定著補(bǔ) 氧噴嘴出口速度進(jìn)而影響摻混效果。根據(jù)不同的補(bǔ)氧流量要求，可適當(dāng)選擇噴嘴11孔徑， 以應(yīng)用于北京航空航天大學(xué)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)直聯(lián)式試驗(yàn)臺(tái)的點(diǎn)火器為例，補(bǔ)氧流量要求在 3克每秒至15克每秒范圍內(nèi)可調(diào)，試驗(yàn)中補(bǔ)氧噴嘴11的補(bǔ)氧孔的孔徑在1毫米至3毫米均 可實(shí)現(xiàn)可靠助燃功能，考慮預(yù)留一定的安全余量，最終孔徑選取為1. 5毫米。
采用氣動(dòng)諧振點(diǎn)火器對(duì)其他裝置如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，先用空氣諧振加熱諧振管 9，使諧振管9發(fā)熱。然后通過(guò)氫接嘴1和氧接嘴2往點(diǎn)火器通入氫氣和氧氣，兩種氣體通 過(guò)噴嘴3噴入混合杯5進(jìn)行混合，然后通過(guò)混合杯上的排氣孔進(jìn)入點(diǎn)火室6內(nèi)?；旌蠚饨?觸到加熱后的諧振管9即被點(diǎn)燃形成富燃燃?xì)?，富燃燃?xì)庠邳c(diǎn)火室尾部與通過(guò)補(bǔ)氧噴嘴11 補(bǔ)入的氧氣進(jìn)一步反應(yīng)形成高能點(diǎn)火火炬。采用補(bǔ)氧噴射方案的創(chuàng)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(diǎn)火能力時(shí)混合杯排氣孔之間的薄壁容易被燒毀。取消混合杯，又 會(huì)導(dǎo)致氫/氧氣體混合不均勻，諧振管難以引燃點(diǎn)火室內(nèi)氣體。如果將諧振管進(jìn)一步伸入 點(diǎn)火室則容易造成諧振管燒壞。因此設(shè)計(jì)了補(bǔ)氧噴嘴將氧噴嘴2的部分流量轉(zhuǎn)移至點(diǎn)火室 尾部噴入，保證了混合杯結(jié)構(gòu)的安全工作。 其次，補(bǔ)氧區(qū)域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，可承受更大的熱載，補(bǔ)氧噴嘴可通過(guò)大量補(bǔ)入氧
氣使富燃燃?xì)膺M(jìn)一步燃燒，大大增強(qiáng)點(diǎn)火火炬的能量，增強(qiáng)點(diǎn)火器點(diǎn)火性能。 由于點(diǎn)火氣體單獨(dú)供應(yīng)，可以通過(guò)調(diào)整氫氣路和氧氣路及補(bǔ)氧路的分配比例和流
量來(lái)調(diào)整點(diǎn)火溫度和能量。由于采用了間接點(diǎn)火方式，只要是兩種可以燃燒的氣體通入點(diǎn)
火室內(nèi)，都可以被點(diǎn)燃，因此該點(diǎn)火器具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
權(quán)利要求
一種補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，由氫接嘴、氧接嘴、噴嘴、密封墊圈、混合杯、點(diǎn)火室、諧振管接嘴、諧振管調(diào)整墊片、諧振管、空氣接嘴組成；混合杯位于噴嘴和點(diǎn)火室之間，混合杯上環(huán)布有排氣孔，從點(diǎn)火器噴嘴噴入的氫氣氧氣先通過(guò)混合杯再進(jìn)入點(diǎn)火室；諧振管接嘴位于點(diǎn)火器側(cè)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(guò)諧振管接嘴伸入點(diǎn)火室，由空氣接嘴和諧振管接嘴之間的螺紋固定，可通過(guò)諧振管調(diào)整墊片調(diào)整伸入點(diǎn)火室的深度并實(shí)現(xiàn)密封；其特征在于在所述的點(diǎn)火室的尾部設(shè)置有一補(bǔ)氧噴嘴，在該補(bǔ)氧噴嘴位于點(diǎn)火室內(nèi)部的側(cè)壁上、相對(duì)于流場(chǎng)中心的位置處，鉆有一個(gè)向下游噴射的補(bǔ)氧孔；其中，該補(bǔ)氧孔的直徑為當(dāng)補(bǔ)氧流量為3～10克/秒時(shí)，直徑d為1～3mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，其特征在于所述的補(bǔ)氧噴嘴的補(bǔ)氧孔的直徑為1. 5mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，其特征在于所 述的點(diǎn)火器其補(bǔ)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(bǔ)氧 燃燒的可靠性，而補(bǔ)氧后的組元比在達(dá)到1. 4之前點(diǎn)火器均能可靠工作。
全文摘要
一種補(bǔ)氧式氣氫/氣氧氣動(dòng)諧振熱表面點(diǎn)火器，由氫接嘴、氧接嘴、噴嘴、密封墊圈、混合杯、點(diǎn)火室、諧振管接嘴、諧振管調(diào)整墊片、諧振管、空氣接嘴組成；混合杯位于噴嘴和點(diǎn)火室之間，混合杯上環(huán)布有排氣孔；諧振管接嘴位于點(diǎn)火器側(cè)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(guò)諧振管接嘴伸入點(diǎn)火室，由空氣接嘴和諧振管接嘴之間的螺紋固定，可通過(guò)諧振管調(diào)整墊片調(diào)整伸入點(diǎn)火室的深度并實(shí)現(xiàn)密封；其特征在于在所述的點(diǎn)火室的尾部設(shè)置有一補(bǔ)氧噴嘴，在該補(bǔ)氧噴嘴位于點(diǎn)火室內(nèi)部的側(cè)壁上、相對(duì)于流場(chǎng)中心的位置處，鉆有一個(gè)向下游噴射的補(bǔ)氧孔；其中，該補(bǔ)氧孔的直徑為當(dāng)補(bǔ)氧流量為3～10克/秒時(shí)，直徑d為1～3mm。
文檔編號(hào)F02K9/95GK101699053SQ20091023661
公開日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者俞南嘉, 張國(guó)舟, 徐旭, 歐東, 閆明磊, 韋寶禧 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)