一种空气氢气喷注单元及其燃烧组织方法与流程

1.本发明涉及一种喷注单元，具体涉及一种空气氢气喷注单元及其燃烧组织方法。


背景技术：

2.预冷空气涡轮火箭通过组织预冷空气和自身携带的氢燃料燃烧为其飞行提供动力，而空气氢气燃气发生装置是该动力系统核心机的重要组成部分，受系统结构质量的限制，该发生器通常采用结构简单的单壁冷却结构，因此空气氢气燃烧温度受到严格的控制，发生器多工作在偏离当量混合比的富氧区间。当空气氢气反应大幅偏离当量混合比时，二者的掺混燃烧组织会变得相当困难，点火可靠性和稳定燃烧性通常难以保证。
3.空气氢气的反应形式属于气气燃烧范畴，目前类似燃烧组织形式主要包括撞击式、旋流式和同轴式。其中，撞击式喷嘴通过在喷注面板上开设小孔实现气体的掺混燃烧，喷孔的撞击角度、撞击高度对环境压力较为敏感，燃烧高温区相对难以控制，多应用于流量较小的燃烧装置中；旋流式喷嘴可以显著提高推进剂之间掺混，但喷注器面板和燃烧器身部前端的热环境相对恶劣；同轴式喷嘴通常由内、外喷嘴构成，结构相对简单，具有良好的火焰稳定特性，高温区多处于喷嘴下游流场中，热防护难度大幅降低，由于便于集成和布局，广泛应用于各种燃烧组件中，但根据先期研究结果，当空气氢气混合质量比高于50时，同轴剪切式由于外喷嘴环缝过窄而难以实现组织燃烧。
4.现有气气燃烧组织方式均难以满足空气氢气在高混合比条件下可靠点火、长时间稳定工作、大范围变工况的需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有喷注单元中空气氢气反应大幅偏离当量混合质量比时，两种气体组分掺混组织燃烧困难的问题，而提供一种空气氢气喷注单元及其燃烧组织方法。
6.本发明提供技术方案：
7.本发明提供一种空气氢气喷注单元，包括喷嘴本体、喷注面板；所述喷注面板同轴套设在喷嘴本体外部，且喷注面板与喷嘴本体两者密封连接；
8.喷嘴本体具有中心流道，喷嘴本体的侧壁上沿圆周方向均匀分布有与所述中心流道连通的多个氢气节流孔；
9.喷注面板上设有用于提供氢气的连接通道；
10.连接通道通过氢气环腔与多个氢气节流孔连通。
11.本发明喷注单元中喷嘴本体与喷注面板组合后形成氢气环腔，因此喷嘴本体与喷注面板必须保证严格的密封连接。
12.进一步地，所述氢气环腔厚度为所述氢气节流孔内径的3倍以上，目的是为了使氢气可以畅通的进入节流孔中。
13.进一步地，所述氢气节流孔与中心流道内壁面的夹角范围80
‑
90
°
。
14.进一步地，所述喷注面板与喷嘴本体之间设置有密封圈。
15.进一步地，所述喷注面板与喷嘴本体1之间焊接。
16.进一步地，所述氢气环腔位于喷嘴本体。
17.进一步地，所述氢气环腔位于喷注面板。
18.进一步地，所述喷嘴本体设置有第一槽，所述喷注面板设置有第二槽；第一槽与第二槽结合以形成所述氢气环腔。
19.氢气环腔可以增强氢气节流孔中氢气流动的稳定性和均匀性。
20.本发明还提供了一种燃烧组织方法，该方法包括以下步骤：
21.1)以30～120m/s的速度向所述空气入口端通入空气，以100～750m/s的速度向所述连接通道中通入氢气，通入氢气压力为5mpa以上；
22.2)所述空气和氢气在所述中心流道直流横向预混。
23.本发明提供的燃烧组织方法，可以通过调整空气和氢气的通入速度，以满足喷注单元实际工作环境所需要的空气氢气质量混合比；在组织燃烧时，一方面，在氢气的连接通道中通入高压氢气，使氢气节流孔喷出的氢气通过压降喷射进入中心流道与空气直流横向预混，另一方面，调节氢气的速度，控制氢气穿透深度和掺混距离；这种通入氢气的方式可以控制氢气与空气的掺混，实现空气氢气的偏当量富氧燃烧，与传统燃气轮机，飞机和汽车发动机在燃烧组织方式上存在本质的区别。
24.在实际进行喷注单元热试中，基于本发明提供的喷注单元及燃烧组织方法可以实现在空气氢气质量比高达180时可靠点火和稳定燃烧。
25.本发明提供的技术方案具有如下优点：
26.1.本发明提供的空气氢气喷注单元采用了空气从中心流道通入，氢气通过喷注面板侧面在5mpa以上的压力下通过连接通道进入氢气环腔中，再经过与氢气环腔相通的多个氢气节流孔以高压方式喷射进入中心流道中与空气进行直流横向预混，另外通过调节氢气的速度，控制氢气在中心流道与空气掺混的穿透深度和掺混距离，实现了空气氢气在大幅偏离当量混合比的条件下可靠点火和稳定燃烧。
27.2.本发明喷注单元的燃烧组织方式中空气氢气混合比(空气/氢气质量比最高到180)、工作压力(2～7mpa)、工作温度范围(880～1700k)等总体参数的适应工作裕度宽，喷注单元燃烧组织更加灵活，有利于优化发生器燃烧组织结构，提升燃气温度均匀性，缓解喷注器和燃烧室内壁热防护压力。
28.3.本发明提供的空气氢气喷注单元的两种燃烧组元共用喷嘴基体结构，喷嘴主体由中心通道和节流孔组成，结构简单，与传统喷嘴相比，避免了传统内、外喷嘴焊接，加工方便，装置成本低，效率高。
附图说明
29.图1为本发明实施例空气氢气喷注单元的剖面图；
30.图2为单个空气氢气喷注单元点火性能与工作气体混合比和氢气喷射速度关系统计图；
31.图3为采用多个本发明空气氢气喷注单元构成的模拟发生器工作压力曲线图。
32.附图标记如下：
[0033]1‑
喷嘴本体，2
‑
密封件，3
‑
中心流道，4
‑
喷注面板，5
‑
空气入口，6
‑
连接通道，7
‑
氢气环腔，8
‑
氢气节流孔，9
‑
喷嘴出口。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0035]
本实施例提供一种喷注单元，如图1所示，包括：
[0036]
喷嘴本体1，所述喷嘴本体1包括中心流道3、空气入口5、喷嘴出口9及氢气节流孔8；
[0037]
喷注面板4，所述喷注面板4远离中心流道3一侧有连接通道6；
[0038]
所述喷嘴本体1与喷注面板4组合后形成环绕中心流道3的氢气环腔7；氢气环腔也可以设置在喷嘴本体1或喷注面板4内；所述氢气环腔7远离中心流道3一侧与连接通道6相通，所述氢气环腔7靠近中心流道3一侧与氢气节流孔8相通；所述氢气节流孔8为多个，沿圆周方向设置在中心流道3的内壁上。
[0039]
高压氢气以≥5mpa的压力和100～750m/s的速度通过连接通道6进入氢气环腔7，氢气环腔7里的氢气通过氢气节流孔8进入中心流道3，为保证气流可以通畅的进入氢气节流孔8，所述氢气环腔7的厚度为氢气节流孔8内径的3倍以上，所述氢气环腔7可以增强氢气节流孔8中氢气流动的稳定性和均匀性。
[0040]
为保证氢气环腔7的密封性，所述喷嘴本体1与所述喷注面板4要密封连接。本实施例中通过在所述喷嘴本体1与所述喷注面板4相接处用密封件密封。喷嘴本体1与喷注面板4也可以通过焊接连接，两者通过密封圈形成密封，或者喷嘴本体1与喷注面板4通过3d打印方式一体成型。
[0041]
所述氢气节流孔8垂直于所述中心流道3壁面，空气以30～120m/s的速度从空气入口5进入喷注单元，氢气射流进入中心通道3的方向与空气主流动方向垂直，二者发生强烈直流横向掺混后并发生初步的燃烧，经由喷嘴出口9排入下游燃烧室内。在其他实施例中，氢气节流孔8也可以与中心流道3壁面保持一定的夹角设置，角度控制在80～90
°
为宜。
[0042]
为进一步说明空气氢气喷注单元燃烧组织方式的性能，发明人采用实施例提供的喷注单元和燃烧组织方法，进行了如下试验。
[0043]
试验一、一种发生器的热试试验，该发生器只包括一个喷注单元。
[0044]
将本发明实施例的喷注单元与燃烧室结合以形成一个单喷嘴燃烧模拟发生器装置，并基于该单喷嘴燃烧模拟装置进行燃烧组织试验，以验证喷注单元的性能。
[0045]
在燃烧试验过程中，可以调整通入的空气和氢气的速度，以及氢气的压力，进而组合出不同的燃烧工况，并测试单喷嘴燃烧模拟装置在这些燃烧工况下的燃烧情况。在这些燃烧工况中，氢气的速度在100～750m/s范围内，空气的速度在30～120m/s范围内，氢气的压力在5mpa以上范围内，空气与氢气的质量混合比范围50～180。
[0046]
热试结果点火结果如图2所示，在混合比180以下时，喷注单元点火可靠性与氢气喷射速度存在较强关联特性，当氢气喷射速度大于450m/s时，喷嘴表现出优秀的点火可靠性，当喷射速度低于450m/s该值时，点火成功概率大幅降低。表明采用本发明实施例提供的喷注单元和燃烧组织方法，通过调整氢气的通入速度，控制氢气在中心流道与空气混合时的穿透深度和掺混距离，使空气与氢气在大幅偏当量混合比时也能实现可靠点火。
[0047]
经过燃烧测试发现，本申请提供的喷注单元的工作压力2～7mpa；工作温度范围880～1700k，并发现单喷嘴燃烧模拟装置在氢气/空气反应大幅偏离当量混合比时点火可靠，工作稳定。这些燃烧试验表明单喷嘴对环境压力的适应能力强，对工作混合比的适应范围大。
[0048]
试验二、一种发生器的热试试验，该发生器包括多个喷注单元。
[0049]
将实施例提供的多个喷注单元与喷注面板组合后，与燃烧室结合形成模拟发生器装置，并测试在发生器中喷注单元的性能。
[0050]
在试验过程中，可以调整通入的空气和氢气的速度以及调整通入空气和氢气的质量混合比及通入氢气的压力，进而组合出不同的燃烧工况，并测试所述喷注单元应用于发生器中在这些燃烧工况下的燃烧情况。其中，在这些燃烧工况中，氢气的速度在100～600m/s范围内，压力≥5mpa；空气的速度在30～120m/s范围内，空气与氢气的质量混合比范围50～180。
[0051]
如图3所示，模拟发生器点火启动迅速，工作压力平稳，工作压力在4.7mpa左右，氢气入口压力较高，约为7.5mpa左右，这是为了保证氢气射流速度达到预定设计值。
[0052]
经过发生器试验发现，使用本申请提供的喷注单元的的发生器工作压力2～5mpa，工作温度范围880～1700k，，并发现使用本发明喷注单元的发生器工作过程中，产品室压稳定，波动范围(
±
1％)小；两种气体燃烧组元混合比覆盖了发生器需求范围，同时发生器点火压力峰较小，启动迅速，产品工作过程中未出现明显的高频信号。
[0053]
以上发生器的试验表明本发明空气氢气喷注单元在模拟发生器装置中，在空气与氢气偏离当量混合比时也能稳定工作、适应大范围变工况的需求。