一种喷注器的喷注口设计方法技术

本发明专利技术具体涉及一种喷注器的喷注口设计方法,解决现有喷注器喷注口设计方法存在考虑因素不全面从而引起蒸汽发生器工作稳定性差、研制周期长以及研制成本高，且容易对蒸汽发生器和液体火箭发动机产生不利影响的问题。该喷注器的喷注口设计方法，包括以下步骤：S1：根据氧化剂或燃料的总流量和压降确定环腔数量N，N为大于等于2的整数；S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量；S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量；S4：按照步骤S2中的环腔流量和步骤S3中的喷注口数量，计算单个喷注口的流量；S5：计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计。完成喷注器的喷注口设计。完成喷注器的喷注口设计。

【技术实现步骤摘要】
一种喷注器的喷注口设计方法


[0001]本专利技术涉及具体涉及一种喷注器的喷注口设计方法。

技术介绍

[0002]发动机高空模拟试车时，将发动机安装于真空舱内，并采用真空机组、空气引射、蒸汽引射等方式实现真空舱内的抽真空；其中蒸汽引射具有引射能力强的特点，可用于大推力发动机的高空模拟试车。但是蒸汽引射需要高温、高压水蒸汽作为引射的动力来源，比如高空模拟试验台就需要压强为1.3MPa、温度为190℃、流量为80t/h的水蒸汽，水蒸汽可通过锅炉、蒸汽发生器等方式产生。采用锅炉制备水蒸汽时费用太高，而且锅炉设备仅能用于试验过程，利用率很低。因此，多采用水蒸汽发生装置(如液氧酒精水蒸汽发生器、液氧甲烷水蒸汽发生器等)产生所需压力、温度和流量的水蒸汽，驱动蒸汽喷射真空泵做功，实现真空舱内的真空环境的营造。
[0003]现有技术中主流的喷注器喷注口设计方法为：通过计算各个分区内的流量密度，控制流量密度在半径方向上的分布，进行各分区的流量分配。但是，流量密度的计算仅考虑到了介质流量在半径方向的分布。而实际上，影响燃烧不稳定性的因素为流量与速度的乘积，即动量。由于介质密度、不同组元介质压降及喷注孔截面积的不同，导致各分区的动量密度与流量密度往往存在较大的差异，单纯采用流量密度作为流量分配的原则，无法兼顾速度对于液体分区的影响，从形成不合理的流量分配，而不合理的流量分配对于发生器乃至液体火箭发动机的稳定均产生不利影响。同时，作为燃烧组织的关键设备，喷注器目前没有一个标准化、流程化的设计过程，不利于喷注器设计工作的快速、准确完成。
[0004]综上所述，现有喷注器喷注口设计方法存在考虑因素不全面从而引起发生器工作稳定性差，需通过点火验证、多次改进流量分配结果再重新点火的反复过程来完成喷注器的设计，研制周期长，研制成本高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有喷注器喷注口设计方法存在考虑因素不全面从而引起蒸汽发生器工作稳定性差、研制周期长以及研制成本高，且容易对蒸汽发生器和液体火箭发动机产生不利影响的问题，而提供一种喷注器的喷注口设计方法，实现喷注器的稳定性与可靠性。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种喷注器的喷注口设计方法，所述喷注器环腔包括与喷注盘同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且燃料环腔靠近喷注盘的中心设置；
[0008]其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0009]S1：根据氧化剂或燃料的总流量和压降确定环腔数量N，N为大于等于2的整数；
[0010]S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量；
[0011]2.1)通过下式计算喷注器的动量密度：
[0012][0013]式中：I
si
为喷注面i分区内的动量密度，单位为kg/(s2·
m)，i＝2,3，
……
M，M为喷注面上分区的数量；
[0014]q
i
为喷注面i分区内的氧化剂流量或燃料流量，单位为kg/s；
[0015]v
i
为喷注面i分区内喷注口氧化剂或燃料沿喷注器轴向的流动速度，单位为m/s；
[0016]A
i
为喷注面i分区内的分区面积，单位为m2；
[0017]2.2)通过下式计算喷注器的混合比：
[0018]k
i
＝q
io
/q
if
[0019]式中：k
i
为喷注面的i分区内的混合比；
[0020]q
io
为喷注面的i分区内的氧化剂流量，单位为kg/s；
[0021]q
if
为喷注面的i分区内的燃料流量，单位为kg/s；
[0022]2.3)根据步骤2.1)所得的动量密度和步骤2.2)中所得的混合比，分配每个环腔流量；
[0023]S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量；
[0024]S4：按照步骤S2中的环腔流量和步骤S3中的喷注口数量，计算单个喷注口的流量；
[0025]S5：计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计。
[0026]进一步地，步骤S1中所述压降具体通过下式计算：
[0027]1.1)计算喷注面上氧化剂的喷注口压降为：
[0028]Δp
ho
＝p
o
‑
p
c
[0029]式中：p
o
为氧化剂环腔压力；
[0030]p
c
为燃烧室压力；
[0031]1.2)计算喷注面上燃料的喷注口压降为：
[0032]Δp
hf
＝p
f
‑
p
c
[0033]式中：p
f
为燃料环腔压力。
[0034]进一步地，步骤S3具体为：
[0035]根据步骤2.3)所得的环腔流量，设置喷注面上各分区内的喷注口数量，使各分区内的喷注口排列密度为0.2个/cm2～1.2个/cm2范围内。
[0036]进一步地，步骤S4具体为：
[0037]根据步骤2.3)中的环腔流量和步骤S3中的喷注口数量，计算单个喷注口的流量：
[0038]qd
i
＝q
i*
/n
i
[0039]式中：qd
i
为i分区内单个喷注口的流量，单位为kg/s；
[0040]q
i*
为i分区内的氧化剂流量或燃料流量，单位为kg/s，*代表o或f，o表示氧化剂，f表示燃料；
[0041]n
i
为i分区内喷注口数量。
[0042]进一步地，步骤S5具体为：
[0043]依据步骤1.1)所得的氧化剂的喷注口压降或步骤1.2)所得的燃料的喷注口压降与步骤S4中所得的单个喷注口的流量，通过下式计算喷注口直径:
[0044][0045]式中：c
d
为喷注口的流量系数，取0.6～0.85；
[0046]d
h
为喷注口直径，单位为mm；
[0047]△
p
h*
为喷注口压降，单位为MPa；
[0048]ρ为氧化剂密度或燃料密度，单位为kg/m3。
[0049]进一步地，步骤1.1)中，所述喷注面包括主燃烧区和非主燃烧区；
[0050]所述非主燃烧区包括边区；
[0051]所述边区为喷注面外沿向内延伸至喷注面半径的5％～10％的区间。
[0052]进一步地，所述主燃烧区沿半径方向动量密度呈陡驼峰分布。
[0053]进一步地，步骤1.1)中，所述边区的工质设置为燃料，边区燃料流量不低于氧化剂和燃料总流量的15％；
[0054]所述边区喷注口排列密度不低于0.25个/cm2。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种喷注器的喷注口设计方法，所述喷注器环腔包括与喷注盘同轴间隔设置的氧化剂环腔和燃料环腔，且燃料环腔靠近喷注盘的中心设置；其特征在于，包括以下步骤：S1：根据氧化剂或燃料的总流量和压降确定环腔数量N，N为大于等于2的整数；S2：计算喷注器的动量密度及混合比，分配每个环腔流量；2.1)通过下式计算喷注器的动量密度：式中：I
si
为喷注面i分区内的动量密度，单位为kg/(s2·
m)，i＝2,3，
……
M，M为喷注面上分区的数量；q
i
为喷注面i分区内的氧化剂流量或燃料流量，单位为kg/s；v
i
为喷注面i分区内喷注口氧化剂或燃料沿喷注器轴向的流动速度，单位为m/s；A
i
为喷注面i分区内的分区面积，单位为m2；2.2)通过下式计算喷注器的混合比：k
i
＝q
io
/q
if
式中：k
i
为喷注面的i分区内的混合比；q
io
为喷注面的i分区内的氧化剂流量，单位为kg/s；q
if
为喷注面的i分区内的燃料流量，单位为kg/s；2.3)根据步骤2.1)所得的动量密度和步骤2.2)中所得的混合比，分配每个环腔流量；S3：根据步骤S2所得的环腔流量，设置环槽底部的喷注口数量；S4：按照步骤S2中的环腔流量和步骤S3中的喷注口数量，计算单个喷注口的流量；S5：计算喷注口直径，完成喷注器的喷注口设计。2.根据权利要求1所述的一种喷注器的喷注口设计方法，其特征在于，步骤S1中所述压降具体通过下式计算：1.1)计算喷注面上氧化剂的喷注口压降为：Δp
ho
＝p
o
‑
p
c
式中：p
o
为氧化剂环腔压力；p
c
为燃烧室压力；1.2)计算喷注面上燃料的喷注口压降为：Δp
hf
＝p
f
‑
p
c
式中：p
f

【专利技术属性】
技术研发人员：李民民，李广会，秦永涛，张丽娜，李宇，宋家豪，马庆华，南荻，王广涛，廖云鹏，卜学星，张腾飞，李冠儒，
申请(专利权)人：西安航天动力试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：