一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，屬于噴管阻尼可調(diào)的火箭發(fā)動機領域。該方法采用在噴管收斂段末端施加二次流的方法，使得主流與二次流形成干涉；二次流采用液相工質(zhì)，霧化或者與主流發(fā)生化學反應后，霧化液滴或反應產(chǎn)物的分布能吸收主流中的聲振能量，增大噴管阻尼，從而抑制不穩(wěn)定燃燒；通過改變二次流的流量和噴射方式，可以實現(xiàn)根據(jù)需要調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼。這種方法大大降低了在地面點火試驗時發(fā)動機出現(xiàn)非正常工作甚至發(fā)生爆炸的可能性，使得在固體火箭發(fā)動機設計和試驗的過程中，縮短了研制周期，節(jié)省項目經(jīng)費。
【專利說明】
一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明公開的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，涉及用二次射流干涉主流降低燃燒室內(nèi)壓強振蕩的方法，屬于噴管阻尼可調(diào)的火箭發(fā)動機領域。
【背景技術】
[0002]不穩(wěn)定燃燒也稱為發(fā)動機的振蕩燃燒。其基本特征是燃燒室的壓強隨時間呈周期性變化。當壓強振幅較大時，發(fā)動機的內(nèi)彈道曲線還將發(fā)生諸如平均壓強的提高或躍升等不規(guī)則的變化，致使預期的推力方案無法實現(xiàn)。過高的壓強峰值還會使發(fā)動機的結構完整性遭到破壞，出現(xiàn)災難性事故。不僅如此，壓強振蕩還將引起推力振蕩與發(fā)動機或飛行器的機械振動，致使某些儀器或部件不能正常工作。因此，在固體火箭發(fā)動機的發(fā)展中，不穩(wěn)定燃燒經(jīng)常是一個嚴重的障礙。它往往導致研究周期的延長和大量經(jīng)費的追加。
[0003]為了防止燃燒不穩(wěn)定性，可以根據(jù)不同的耦合機理采取針對性的抑制措施。例如，為了抑制高頻燃燒不穩(wěn)定性，液體火箭發(fā)動機采用噴注器面隔板、聲學吸收器(聲襯或聲腔)或改進噴注器的設計以控制能量釋放分布規(guī)律等。固體火箭發(fā)動機可以在推進劑中添加鋁粉或金屬氧化物以及改變藥柱幾何形狀來抑制高頻燃燒不穩(wěn)定性。
[0004]液體火箭發(fā)動機消除低頻燃燒不穩(wěn)定性的方法包括加大噴注器壓降、增加流體慣性和減少燃燒室容積等。對于中頻燃燒不穩(wěn)定性，可以改變能量釋放分布規(guī)律或改變推進劑供應系統(tǒng)，例如在推進劑輸送管路中安裝由彈性薄膜和充氣容腔組成的蓄壓器或四分之一波長管型諧振器等。
[0005]抑制燃燒室內(nèi)壓強振蕩的一個思路是增大發(fā)動機內(nèi)的阻尼，噴管阻尼是一項重要的邊界阻尼。由于燃氣從噴管高速噴出，可按對流形式排出聲振能量，同時還以輻射形式散失聲振能量，從而對聲振起到阻尼作用。如果噴管處于壓強振蕩的波腹處，輻射損失增加，其阻尼作用就更強。因此這種阻尼對于縱向振型的作用就更為明顯。經(jīng)粗略估算，噴管阻尼可占聲能損失的一半以上。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，該方法通過被主流霧化的二次流工質(zhì)或者主流與二次流化學反應的產(chǎn)物來吸收聲振能量，抑制不穩(wěn)定燃燒。在收斂段加入液相二次射流后，二次流與主流互激時形成的霧化液滴或者發(fā)生化學反應形成的生成物，充斥在噴管收斂段、喉部和擴張段，能夠吸收在火箭發(fā)動機中產(chǎn)生的縱向振型的壓強振蕩，即增大了噴管阻尼，能抑制不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象;通過根據(jù)實際需求更換不同的噴管收斂段或者改變二次射流工質(zhì)和壓強實現(xiàn)不同的噴射方案，不同噴管內(nèi)部工況對應著不同的噴管阻尼改變量，實現(xiàn)對發(fā)動機噴管阻尼大小的不同調(diào)節(jié)效果。
[0007]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
[0008]—種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法:收斂段外圍固定結構與收斂段外壁面形成薄的環(huán)形空腔，收斂段外圍固定結構上連通二次射流注入裝置，與環(huán)形空腔相通，收斂段處開設均勻分布的二次流噴嘴，所述二次流噴嘴繞收斂段至少一周，其入口與環(huán)形空腔相通，出口位于收斂段內(nèi)壁面，實現(xiàn)收斂段二次射流的周向噴射，與主流作用，調(diào)節(jié)噴管阻尼，進而抑制不穩(wěn)定燃燒。
[0009]所述二次流噴嘴數(shù)量至少為6個；
[0010]所述二次流噴嘴采用收縮型噴嘴；
[0011 ] 二次流噴嘴出口總面積與喉部面積比為0.1左右；
[0012]二次流噴嘴出口中心位置距喉部的距離為整個收斂段長度的0.5-0.75倍左右；
[0013]二次射流與主流總壓比達到0.75以上。
[0014]本發(fā)明公開的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，實現(xiàn)的裝置包括發(fā)動機噴管、螺釘墊片、射流注入裝置、螺栓、收斂段連接件、端面后置密封O型圈、螺母、集氣室連接件、安裝拆卸螺釘、集氣室、螺栓墊片、可拆卸收斂段、側面密封O型圈、端面前置密封O型圈。
[0015]連接關系為:
[0016]發(fā)動機噴管和可拆卸收斂段之間形成了環(huán)形噴射空腔，在噴射空腔有用于與二次射流注入裝置相連接的孔；
[0017]射流注入裝置的上端兩個用于引入二次射流到噴射腔；
[0018]射流注入裝置的下端一個用于引入主流到集氣室；
[0019]噴管是一個拉瓦爾噴管包含可拆卸收斂段的外圍固定結構一體化的噴管，內(nèi)側面具有凸臺用于與可拆卸收斂段的側面密封，噴管與可拆卸收斂段固定連接，可拆卸收斂段與噴管收斂段相承接；
[0020]可拆卸收斂段設有與二次射流注入裝置相連接的二次流噴嘴；
[0021]螺栓、螺母、螺栓墊片用于噴管與收斂段連接件的固定連接；
[0022]安裝拆卸螺釘、螺釘墊片用于噴管和可拆卸收斂段的定位、鎖緊、密封效果調(diào)節(jié)；
[0023]端面前置密封O型圈放置在可拆卸收斂段前端面的凹槽內(nèi)，起密封的作用，防止主流氣體從可拆卸收斂段前端面和噴管的前端面泄漏；
[0024]側面密封O型圈放置在可拆卸收斂段側面的凹腔內(nèi)，起密封作用，防止二次射流從可拆卸收斂段外側和噴管凸臺的內(nèi)側縫隙泄漏，同時防止主流氣體進入噴射空腔；
[0025]端面后置密封O型圈放置在可拆卸收斂段后端面的凹槽內(nèi)，起密封的作用，防止二次射流從可拆卸收斂段的后端面與收斂段連接件內(nèi)端面之間的縫隙泄漏，同時防止空氣從此處進入噴射空腔；
[0026]集氣室上端與收斂段連接件配合后在外側焊接；
[0027]集氣室連接件與集氣室下端配合后在外側焊接，用于整個裝置在試驗平臺上的固定。
[0028]工作過程為:
[0029]發(fā)動機正常工作時，主流氣體通過可拆卸收斂段和噴膨脹加速，產(chǎn)生推力；當需要改變噴管阻尼時，二次射流通過二次射流注入裝置對稱注入的噴射腔，可以抵消二次射流注入噴射腔對發(fā)動機徑向穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，二次射流在噴射腔形成穩(wěn)定壓強的液流，再均勻的射入收斂段，從而與主流氣體擠壓霧化或者發(fā)生化學反應，利用被主流霧化的二次流工質(zhì)或者化學反應的產(chǎn)物來吸收聲振能量實現(xiàn)增大噴管阻尼、抑制不穩(wěn)定燃燒的目的。
[0030]有益效果
[0031]1、本發(fā)明公開的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，在火箭發(fā)動機出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒時，可以直接在噴管喉部引入二次流噴射裝置，以增大噴管阻尼來穩(wěn)定燃燒室壓力，而不對發(fā)動機幾何形狀或藥柱結構做任何調(diào)整，從而防止給發(fā)動機設計帶來新的問題，延長研制周期。
[0032]2、本發(fā)明公開的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，在地面點火試驗中，難以預測到發(fā)動機的不穩(wěn)定燃燒時，為了防止試驗失敗導致造價昂貴的大型固體發(fā)動機發(fā)生爆炸，可采用此種方法來即時抑制將要發(fā)生或者增強的不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，降低此類風險。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法采用收斂段單周分布噴嘴噴射方式的正視剖面圖。
[0034]圖2為本發(fā)明的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法采用收斂段單周分布噴嘴噴射方式的右視剖面圖。
[0035]圖3為本發(fā)明的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法采用收斂段雙周分布噴嘴噴射方式的右視剖面圖。
[0036]其中:丨一發(fā)動機噴管、2一螺釘墊片、3一射流注入裝置、4一螺栓、5一收斂段連接件、6—端面后置密封O型圈、7—螺母、8—集氣室連接件、9一安裝拆卸螺釘、1—集氣室、11 一螺栓墊片、12—可拆卸收斂段、13—側面密封O型圈、14 一端面前置密封O型圈。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
[0038]實施例1
[0039]如圖1、圖2所示，本實施例的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法采用收斂段單周二次流噴嘴噴射方式，包括發(fā)動機噴管1、螺釘墊片2、射流注入裝置3、螺栓4、收斂段連接件5、端面后置密封O型圈6、螺母7、集氣室連接件8、安裝拆卸螺釘9、集氣室10、螺栓墊片11、可拆卸收斂段12、側面密封O型圈13、端面前置密封O型圈14。
[0040]可拆卸收斂段收斂半角為50度，噴管擴張比為3.5。二次流噴嘴90度角垂直于收斂段側面噴射，與主流成40度角互激。在噴管收斂段處開設均勻分布的二次流噴嘴，所述噴嘴繞噴管I周；所述二次流噴嘴數(shù)量為6個;所述二次流噴嘴采用收縮型噴嘴，收縮半角為45度，噴嘴出口面積與入口面積比為0.25; 二次流噴嘴出口總面積與喉部面積比為0.1，二次流噴嘴出口直徑與喉部直徑比為0.13;二次流噴嘴出口中心位置距收斂段末端為收斂段長度的0.6倍;二次射流采用常溫液態(tài)水，與主流常溫空氣總壓比達到0.75。
[0041 ] 工作過程為:
[0042]發(fā)動機正常工作時，主流常溫空氣通過可拆卸收斂段12和噴管I膨脹加速，產(chǎn)生推力，當需要改變噴管阻尼時，二次射流通過二次射流注入裝置對稱注入的噴射腔，二次射流在噴射腔形成穩(wěn)定壓強的液流，再均勻的射入收斂段，液體二次流在噴嘴處能很好的霧化形成細微的液滴，除了二次流本身的體積擠壓外，霧滴與主流的相互作用還會增強，增加主流流阻，使得集氣室壓強增大，這類似于增大了機械振動系統(tǒng)的剛度，能降低噪聲振動影響；另一方面，二次流霧化區(qū)域覆蓋住了收斂段內(nèi)壁面，不穩(wěn)定的聲振能量由原來的經(jīng)收斂段剛性壁面反彈變?yōu)闅v經(jīng)霧化微液滴區(qū)域反射，后者的吸聲系數(shù)遠大于前者，即導致噴管阻尼的增大。上述機理綜合實現(xiàn)增大噴管阻尼、抑制不穩(wěn)定燃燒的目的。
[0043]當根據(jù)實際工作需要改變噴管阻尼調(diào)節(jié)效果，改變噴射方案時，收斂段12更換過程為:把端面前置密封O型圈14和側面密封O型圈13套在噴管相應的位置，涂抹潤滑劑，然后把收斂段12放在平整的桌面上，放端面前置密封O型圈14的一面沖上，再把噴管I放在收斂段上方，放置個安裝拆卸螺釘9對收斂段進行周向定位，向下壓噴管I，待收斂段12完全擠壓進噴管I后，循環(huán)擰動安裝拆卸螺釘9，調(diào)節(jié)前置密封O型圈6密封效果，待安裝拆卸螺釘9無法再擰緊為止。然后將噴管I和收斂段12的整體翻過來，放置端面后置密封O型圈6的一面沖上，放上端面后置密封O型圈6，涂抹潤滑劑，再將收斂段連接件5安裝在收斂段12的前端面，擰緊固定螺栓螺母。
[0044]實施例2
[0045]如圖3所示，本實施例的一種主動調(diào)節(jié)火箭發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法采用收斂段雙周二次流噴嘴噴射方式，包括發(fā)動機噴管1、螺釘墊片2、射流注入裝置3、螺栓4、收斂段連接件5、端面后置密封O型圈6、螺母7、集氣室連接件8、安裝拆卸螺釘9、集氣室10、螺栓墊片11、可拆卸收斂段12、側面密封O型圈13、端面前置密封O型圈14。
[0046]可拆卸收斂段收斂半角為50度，噴管擴張比為3.5。二次流噴嘴90度角垂直于收斂段側面噴射，與主流成40度角互激。在噴管收斂段處開設均勻分布的二次流噴嘴，所述噴嘴繞噴管2周;所述二次流噴嘴數(shù)量為12個;所述二次流噴嘴采用收縮型噴嘴，收縮半角為45度，噴嘴出口面積與入口面積比為0.25; 二次流噴嘴出口總面積與喉部面積比為0.15，二次流噴嘴出口直徑與喉部直徑比為0.11;兩周二次流噴嘴出口中心位置距收斂段末端距離分別為收斂段長度的0.6倍與0.75倍;二次射流采用常溫30%濃度雙氧水溶液，與主流燃氣總壓比達到0.8。主流燃氣溫度為700K。
[0047]發(fā)動機正常工作時，主流燃氣通過可拆卸收斂段12和噴管I膨脹加速，產(chǎn)生推力，當需要改變噴管阻尼時，二次射流通過二次射流注入裝置對稱注入的噴射腔，二次射流在噴射腔形成穩(wěn)定壓強的液流，再均勻的射入收斂段，由于二次流液體吸收主流的熱量蒸發(fā)、氣化，形成氣化區(qū)域，同時由于高溫作用和二次流工質(zhì)的特殊化學性質(zhì)，該區(qū)域內(nèi)發(fā)生較強的分解反應。一方面，液體二次流在噴嘴處能很好的霧化形成細微的液滴，除了二次流本身的體積擠壓外，霧滴與主流的相互作用還會增強，增加主流流阻，使得集氣室壓強增大，這類似于增大了機械振動系統(tǒng)的剛度，能降低噪聲振動影響。形成霧滴后二次流液體表面積增大，蒸發(fā)加強，氣化區(qū)域進一步增大。另一方面，二次流霧化區(qū)域覆蓋住了收斂段內(nèi)壁面，且該區(qū)域由于工質(zhì)分解產(chǎn)生氣體相當于一個多孔氣源，不穩(wěn)定的聲振能量由原來的經(jīng)收斂段剛性壁面反彈變?yōu)闅v經(jīng)多孔氣墊區(qū)域反射，后者的吸聲系數(shù)遠大于前者，聲振能量被大幅吸收，即導致噴管阻尼的增大。
[0048]以上實施例僅為本發(fā)明的兩個具體實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，其特征在于:收斂段外圍固定結構與收斂段外壁面形成薄的環(huán)形空腔，收斂段外圍固定結構上連通二次射流注入裝置，與環(huán)形空腔相通，收斂段處開設均勻分布的二次流噴嘴，所述二次流噴嘴繞收斂段至少一周，其入口與環(huán)形空腔相通，出口位于收斂段內(nèi)壁面，實現(xiàn)收斂段二次射流的周向噴射，與主流作用，調(diào)節(jié)噴管阻尼，進而抑制不穩(wěn)定燃燒。2.如權利要求1所述的一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，其特征在于:所述二次流噴嘴數(shù)量至少為6個。3.如權利要求1或2所述的一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，其特征在于:所述二次流噴嘴采用收縮型噴嘴。4.如權利要求1或2所述的一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，其特征在于:所述二次流噴嘴出口總面積與喉部面積比為0.1。5.如權利要求1或2所述的一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，其特征在于:所述二次流噴嘴出口中心位置距喉部的距離為整個收斂段長度的0.5-0.75倍。6.如權利要求1所述的一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法，其特征在于:二次射流與主流總壓比達到0.75以上。7.實現(xiàn)如權利要求1所述的一種主動調(diào)節(jié)發(fā)動機噴管阻尼來抑制不穩(wěn)定燃燒的方法的裝置，其特征在于:包括發(fā)動機噴管(I)、螺釘墊片(2)、射流注入裝置(3)、螺栓(4)、收斂段連接件(5)、端面后置密封O型圈(6)、螺母(7)、集氣室連接件(8)、安裝拆卸螺釘(9)、集氣室(10)、螺栓墊片(11)、可拆卸收斂段(12)、側面密封O型圈(13)、端面前置密封O型圈(14); 連接關系為:發(fā)動機噴管(I)和可拆卸收斂段(12)之間形成了環(huán)形噴射空腔，在噴射空腔有用于與二次射流注入裝置(3)相連接的孔;射流注入裝置(3)的上端兩個用于引入二次射流到噴射腔;射流注入裝置(3)的下端一個用于引入主流到集氣室(10);噴管(I)是一個拉瓦爾噴管包含可拆卸收斂段的外圍固定結構一體化的噴管，內(nèi)側面具有凸臺用于與可拆卸收斂段(12)的側面密封，噴管(I)與可拆卸收斂段(12)固定連接，可拆卸收斂段(12)與噴管(I)收斂段相承接;可拆卸收斂段(12)設有與二次射流注入裝置相連接的二次流噴嘴;螺栓(4)、螺母(7)、螺栓墊片(11)用于噴管(I)與收斂段連接件(5)的固定連接;安裝拆卸螺釘(9)、螺釘墊片(2)用于噴管(I)和可拆卸收斂段(12)的定位、鎖緊、密封效果調(diào)節(jié);端面前置密封O型圈(14)放置在可拆卸收斂段(12)前端面的凹槽內(nèi)，起密封的作用，防止主流氣體從可拆卸收斂段(12)前端面和噴管(I)的前端面泄漏;側面密封O型圈(13)放置在可拆卸收斂段(12)側面的凹腔內(nèi)，起密封作用，防止二次射流從可拆卸收斂段(12)外側和噴管(I)凸臺的內(nèi)側縫隙泄漏，同時防止主流氣體進入噴射空腔;端面后置密封O型圈(6)放置在可拆卸收斂段(12)后端面的凹槽內(nèi)，起密封的作用，防止二次射流從可拆卸收斂段(12)的后端面與收斂段連接件(5)內(nèi)端面之間的縫隙泄漏，同時防止空氣從此處進入噴射空腔;集氣室(10)上端與收斂段連接件(5)配合后在外側焊接;集氣室連接件(8)與集氣室(10)下端配合后在外側焊接，用于整個裝置在試驗平臺上的固定。8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于:工作過程為:發(fā)動機正常工作時，主流氣體通過可拆卸收斂段和噴膨脹加速，產(chǎn)生推力；當需要改變噴管阻尼時，二次射流通過二次射流注入裝置對稱注入的噴射腔，可以抵消二次射流注入噴射腔對發(fā)動機徑向穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，二次射流在噴射腔形成穩(wěn)定壓強的液流，再均勻的射入收斂段，從而與主流氣體擠壓霧化或者發(fā)生化學反應，利用被主流霧化的二次流工質(zhì)或者化學反應的產(chǎn)物來吸收聲振能量實現(xiàn)增大噴管阻尼、抑制不穩(wěn)定燃燒的目的。
【文檔編號】F02K1/78GK106050470SQ201610370082
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】曾海波, 謝侃, 郭常超, 岳明輝, 王寧飛
【申請人】北京理工大學