CN102175041B - 间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器 - Google Patents

Abstract

本发明间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器，由氧化剂壳体、中底、内底、冷却夹套、燃烧室、喷嘴、火花塞、氧化剂入口管嘴和燃料入口管嘴组成，推进剂为氧气和酒精，采用电火花塞点火。喷嘴由直流喷嘴和离心式喷嘴组成，直流喷嘴为氧化剂喷嘴，离心式喷嘴为燃料喷嘴，直流喷嘴出口至离心式喷嘴出口的容腔为缩进室，氧化剂由直流式进入缩进室，燃料通过再生冷却通道进入燃料喷前集液腔后经离心式喷嘴切向孔旋转通过旋流室并进入缩进室，氧化剂与燃料在缩进室雾化、掺混，在喷嘴出口稳定燃烧。高温燃气在燃烧室充分混合后经过喉部喷出，形成稳定的火炬。本发明保证了点火器自身点火和冷却的可靠性以及出口火炬的稳定燃烧。

Description

间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器

技术领域

本发明涉及一种火炬式点火器，具体是一种使用氧气和酒精为推进剂的间壁式再生冷却火炬式点火器，可应用于地面燃烧装置的点火和非自燃推进剂液体火箭发动机推力室、发生器的点火过程。

背景技术

目前应用较为广泛的点火器主要有火药点火器、电火花点火器、谐振式点火器和自燃火炬式点火器。火药点火器和自燃点火器的可靠性较高，但是二者的重复使用性较差，火药点火器每次使用后必须重新装填，而且固体火药燃烧后容易产生残渣，使用和维护过程极不方便。自燃点火器使用的推进剂均为液态，一般不存在燃烧残渣的问题，但是自燃推进剂组合绝大多数都具有毒性，如硝酸和三乙醇胺。这对于多次重复使用的点火器来说较为不便。电火花点火器使用简单、方便，可操作性强，对于地面试验系统来说具有很大的优势，但是这种点火器点火能量较小，主要用于质量流量较小的气/气或气/液形式的推进剂组合点火。谐振式点火器近年来研究较多，但是作为一种新兴的点火器，其关键技术还有待进一步研究。

随着技术的发展和进步，对点火器提出更高的要求。不仅要保证推进剂及燃烧产物无毒、无污染，点火能量充足，点火可靠性高；还要满足使用维护方便，可重复使用性强的需求。国内目前的大推力液体火箭发动机如液氧煤油发动机使用三乙基铝和三乙基硼的混合物作为点火剂，由于该点火剂遇氧气就会自燃，因此其使用维护比较繁琐，安全性较低。液氧液氢发动机目前采用火药点火装置，火药点火器不仅存在燃烧残渣的问题，同时要满足发动机的多次点火必须安装多个火药点火器。而地面大流量燃烧装置的点火经常采用火药点火器、自燃火炬式点火器(推进剂有毒)等，这给地面设备的重复使用和维护带来了不利影响。

综上所述，国内目前常用的点火器均不同程度的存在使用局限性，无法满足各种燃烧装置的点火需求。要保证点火可靠、无毒无污染、点火能量充足、使用维护方便等要求，需要研究新型的点火器。

发明内容

本发明目的是提供一种间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器，其解决了现有点火器可靠性差、点火能量低、使用维护不方便的技术问题。

本发明所具有的优点：

一种间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器，其特殊之处在于：包括氧化剂组件、燃料组件、中底2、内底3、火花塞16、喷嘴组件10以及燃烧室5；所述氧化剂组件包括氧化剂壳体1、与氧化剂壳体1相通的氧化剂入口管嘴8，所述氧化剂壳体1与中底2构成氧化剂腔；所述燃料组件包括包在燃烧室5外的冷却夹套4、设置在冷却夹套上的燃料入口管嘴9，所述中底2的另一端面和内底3构成燃料喷前集液腔15，所述燃烧室5和冷却夹套4构成再生冷却通道6，所述燃料入口管嘴9靠近燃烧室的喉部7；所述火花塞16设置在内底3处；所述喷嘴组件10固定在中底2上，其包括直流喷嘴18、包在直流喷嘴18的外侧的离心式喷嘴11，所述直流喷嘴的一端通过直流孔12与氧化剂壳体1相通，另一端开口于离心式喷嘴11内，所述离心式喷嘴的一端通过多个设置在侧壁上的切向喷孔17与燃料喷前集液腔15相通，另一端开口于内底3；所述直流喷嘴的开口端面与离心式喷嘴11的开口之间形成缩进室13，所述直流喷嘴的外侧面与离心式喷嘴的内侧面之间形成旋流腔20。

上述喷嘴组件10的离心式喷嘴开口于内底3的中心。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明火炬式点火器采用了间壁式再生冷却结构形式，冷却夹套与燃烧室形成再生冷却通道，燃料通过酒精入口管嘴进入再生冷却通道，对燃烧室进行冷却之后进入燃料喷前集液腔，能够适应燃烧室内高温燃气的冲蚀，满足大流量燃烧装置的点火需求的同时，有效地保证了点火器自身冷却可靠性。

2、本发明火炬式点火器采用同轴直流离心式喷嘴，通过选择合适的喷嘴长度和缩进长度，有效的实现了气液掺混，提高了点火器自身点火可靠性，同时抑制了燃烧不稳定的发生。

3、本发明火炬式点火器采用间壁式再生冷却结构，避免了传统的波纹板、铣槽等复杂结构，降低了加工难度。

4、本发明火炬式点火器结构简单，强度可靠，使用维护方便，具备重复使用能力。

5、本发明火炬式点火器的推进剂及燃烧产物无毒、无污染，使用维护方便。

附图说明

图1本发明火炬式点火器的结构示意图；

图2本发明采用的同轴直流离心式喷嘴的结构示意图；

其中：1-氧化剂壳体，2-中底，3-内底，4-冷却夹套，5-燃烧室，6-再生冷却通道，7-喉部，8-氧化剂入口管嘴，9-燃料入口管嘴，10-喷嘴组件，11-离心式喷嘴，12-直流孔，13-缩进室，15-燃料喷前集液腔，16-火花塞，17-切向喷孔，18-直流喷嘴，20-旋流腔。

具体实施方式

本发明间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器，包括氧化剂组件、燃料组件、中底2、火花塞16、喷嘴组件10以及燃烧室5；氧化剂组件包括氧化剂壳体1、与氧化剂壳体1相通的氧化剂入口管嘴8，氧化剂壳体1与中底2构成氧化剂腔；燃料组件包括包在燃烧室5外的冷却夹套4、设置在冷却夹套上的燃料入口管嘴9，中底2的另一端面和内底构成燃料喷前集液腔15。氧化剂壳体1与中底2焊接构成氧化剂腔；将氧化剂入口管嘴和燃料入口管嘴分别焊接在氧化剂壳体和冷却夹套上，形成推进剂的入口。为保证点火器的可靠冷却，设计了冷却夹套。冷却夹套与燃烧室之间形成的间隙构成再生冷却通道6，冷却夹套与燃烧室之间的间隙控制在1mm，能够有效地提高燃料在再生冷却通道内的流速，提高再生冷却效果。燃料入口管嘴9靠近燃烧室的喉部7；火花塞16设置在内底3处；中底、内底、喷嘴和火花塞接管嘴整体钎焊形成头部，头部与燃烧室采取焊接连接结构，满足头身连接强度和气密性要求。喷嘴组件10固定在中底2上，其包括直流喷嘴18、包在直流喷嘴18的外侧的离心式喷嘴11，直流喷嘴和离心式喷嘴焊接，并在直流喷嘴的开口端面与离心式喷嘴11的开口之间形成缩进室13。本发明的直流喷嘴与离心式喷嘴形成的缩进长度根据试验确定，图2所示的喷嘴缩进长度选为6mm。直流喷嘴的一端通过直流孔12与氧化剂壳体1相通，另一端开口于离心式喷嘴11内，离心式喷嘴的一端通过多个设置在侧壁上的切向喷孔17与燃料喷前集液腔15相通，另一端开口于内底；直流喷嘴的外侧面与离心式喷嘴的内侧面之间形成旋流腔20。为了使燃气更均匀，也为了减小燃烧室内壁的损伤，喷嘴组件10的离心式喷嘴最好开口于内底3的中心。

本发明原理是：火炬式点火器头部布置一个直流离心式喷嘴，并安装一个电火花塞。氧气由氧化剂入口管嘴进入氧化剂腔经直流喷嘴进入燃烧室，氧化剂在直流孔内的流速不大于0.3马赫，酒精由燃料入口管嘴通过再生冷却通道进入燃料喷前集液腔，再经过离心式喷嘴上的切向孔贴壁旋转通过旋流室并进入缩进室，酒精在缩进室内开始雾化、蒸发，并与氧气进行掺混后进入燃烧室。安装在火花塞接管嘴内的电火花塞通电打火放电将氧气与酒精的混合物引燃，产生的高温燃气在燃烧室掺混后在燃烧室建立室压，经过喉部形成稳定的火炬进入需要点火的主燃烧装置内，为燃烧装置提供充足的点火能量。

本发明火炬式点火器的各零件的材料均采用不锈钢，各零、部件的连接均采用焊接结构，有效的保证了气密性和连接强度。为了减小燃料喷前集液腔的充填时间，提高内底的冷却可靠性，需要控制内底和中底之间的距离。这种结构有利于减小燃料喷前腔容积，并提高燃料喷前腔内的酒精流速，提高换热效果。

本发明火炬式点火器经过多次热试车考核，试车考核验证了火炬式点火器的工作可靠性和使用维护方便的特点。火炬式点火器冷却性能良好，经过多次热试车的点火器试后检查结构完好。

Claims (2)

1.一种间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器，其特征在于：包括氧化剂组件、燃料组件、中底(2)、内底(3)、火花塞(16)、喷嘴组件(10)以及燃烧室(5)；所述氧化剂组件包括氧化剂壳体(1)、与氧化剂壳体(1)相通的氧化剂入口管嘴(8)，所述氧化剂壳体(1)与中底(2)构成氧化剂腔；所述燃料组件包括包在燃烧室(5)外的冷却夹套(4)、设置在冷却夹套上的燃料入口管嘴(9)，所述中底(2)的另一端面和内底(3)构成燃料喷前集液腔(15)，所述燃烧室(5)和冷却夹套(4)构成再生冷却通道(6)，所述燃料入口管嘴(9)靠近燃烧室的喉部(7)；所述火花塞(16)设置在内底(3)处；所述喷嘴组件(10)固定在中底(2)上，其包括直流喷嘴(18)、包在直流喷嘴(18)的外侧的离心式喷嘴(11)，所述直流喷嘴的一端通过直流孔(12)与氧化剂腔相通，另一端开口于离心式喷嘴(11)内，所述离心式喷嘴的一端通过多个设置在侧壁上的切向喷孔(17)与燃料喷前集液腔(15)相通，另一端开口于内底(3)；所述直流喷嘴的开口端面与离心式喷嘴(11)的开口之间形成缩进室(13)，所述直流喷嘴的外侧面与离心式喷嘴的内侧面之间形成旋流腔(20)。

2.根据权利要求1所述的间壁式再生冷却气氧酒精火炬式点火器，其特征在于：所述喷嘴组件(10)的离心式喷嘴开口于内底(3)的中心。

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