一种组合式燃烧稳定装置
阅读说明：本技术 一种组合式燃烧稳定装置 (Combined combustion stabilizing device ) 是由 丁兆波 孙纪国 刘倩 杨进慧 许晓勇 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：一种组合式燃烧稳定装置,包括喷注器基体、氧化剂顶盖、声腔环、隔板喷嘴和普通喷嘴；喷注器基体和氧化剂顶盖焊接连接,喷注器基体上表面为V型阶梯式结构,喷注器基体和氧化剂顶盖形成氧化剂头腔。声腔环焊接于喷注器基体下表面外缘,声腔环和喷注器基体之间形成燃料头腔。隔板喷嘴和喷注器基体V型阶梯式结构之间通过螺纹+钎焊的形式连接,且隔板喷嘴伸出喷注器基体下表面一定距离；在喷注器基体的V型阶梯式结构上,以V型阶梯式结构中心为圆心,安装有多圈普通喷嘴。本发明从源头上降低了高频不稳定燃烧的激励源,同时可以对多种振型的推力室固有声学不稳定和喷注耦合声学不稳定进行抑制。(A combined combustion stabilizing device comprises an injector substrate, an oxidant top cover, an acoustic cavity ring, a clapboard nozzle and a common nozzle; the injector substrate and the oxidant top cover are connected in a welding mode, the upper surface of the injector substrate is of a V-shaped stepped structure, and the injector substrate and the oxidant top cover form an oxidant head cavity. The acoustic cavity ring is welded on the outer edge of the lower surface of the injector substrate, and a fuel head cavity is formed between the acoustic cavity ring and the injector substrate. The clapboard nozzle and the injector matrix V-shaped stepped structure are connected in a thread and brazing mode, and the clapboard nozzle extends out of the lower surface of the injector matrix for a certain distance; a plurality of circles of common nozzles are arranged on the V-shaped stepped structure of the injector substrate by taking the center of the V-shaped stepped structure as the center of a circle. The invention reduces the excitation source of high-frequency unstable combustion from the source, and can inhibit the inherent acoustic instability and the injection coupling acoustic instability of the thrust chamber with various vibration modes.)
技术领域
本发明涉及一种组合式燃烧稳定装置，属于液体火箭发动机技术领域。
背景技术
燃烧不稳定问题一直是困扰液体火箭发动机技术发展的世界性难题。几乎在每一种大推力液体火箭发动机的研制过程中，都会遇到不稳定燃烧问题,其中尤以高频不稳定燃烧的危害性最大，可能导致发动机部件瞬间烧蚀或结构破坏。高频燃烧不稳定一般可以分为两大类：固有声学不稳定和喷注耦合声学不稳定。固有声学不稳定由推进剂燃烧放热过程和燃烧室声学振型之间的耦合引起。而喷注耦合声学不稳定则由推进剂喷注过程与燃烧室声学振型之间的耦合引发。
在工程上为了控制燃烧不稳定的发生，可以从以下两个方面采取措施：一是可根据其耦合机理，采取针对性的措施削弱其耦合作用，以减少维持振荡的能量；二是可通过增加隔板等稳定装置增加阻尼，促使振荡衰减。实践表明，针对不同类型的燃烧不稳定需要采取不同的稳定性措施，特别是随着发动机推力的增大，传统上针对某种不稳定振型的单一稳定性措施已经不能解决问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种组合式燃烧稳定装置，从源头上降低了高频不稳定燃烧的激励源，同时可以对多种振型的推力室固有声学不稳定和喷注耦合声学不稳定进行抑制。
本发明的技术解决方案是：
一种组合式燃烧稳定装置，包括喷注器基体、氧化剂顶盖、声腔环、隔板喷嘴和普通喷嘴；
喷注器基体和氧化剂顶盖焊接连接，喷注器基体上表面为V型阶梯式结构，喷注器基体和氧化剂顶盖形成氧化剂头腔；
声腔环焊接于喷注器基体下表面外缘，声腔环和喷注器基体之间形成燃料头腔，在喷注器基体下表面上加工有燃料头腔入口；
隔板喷嘴和喷注器基体V型阶梯式结构之间通过螺纹+钎焊的形式连接，且隔板喷嘴伸出喷注器基体下表面一定距离；
在喷注器基体的V型阶梯式结构上，以V型阶梯式结构中心为圆心，安装有多圈普通喷嘴。
隔板喷嘴采用以下两种布置方式：
1)以V型阶梯式结构中心为圆心，沿半径r周向布置，相邻隔板喷嘴紧邻，形成封闭的环形隔板结构；
2)隔板喷嘴形成m个条状阵列，每个条状阵列沿V型阶梯式结构径向布置，相邻隔板喷嘴紧邻，m个条状阵列沿以V型阶梯式结构中心为圆心的圆周方向均布。
隔板喷嘴的侧壁上加工有径向进口孔和冷却通道，燃料头腔的燃料从进口孔进入，经冷却通道冷却后排放。
多圈普通喷嘴中，位于最外部的n1圈为低流强密度喷嘴，位于中间的n2圈为高流强密度喷嘴，其他圈为基准流强密度喷嘴，其中n1为1，2或3，n2为1或2。
各圈普通喷嘴的长度不同，从V型阶梯式结构中心向外递增，保证喷嘴出口与喷注器基体的下表面平齐。
声腔环的边缘周向布置有若干个不同深度和开口宽度的独立声腔，相邻两个声腔之间用声腔隔肋隔开。
喷注器基体的中心位置设置有点火通道，所述点火通道一端穿过氧化剂顶盖与外部的点火源连接，另一端与下游燃烧室连通。
所述组合式燃烧稳定装置的实现方法，包括如下步骤：
(1)氧化剂头腔的氧化剂从普通喷嘴和隔板喷嘴的轴向进口进入，喷入下游燃烧室；
(2)燃料自上游的燃烧室再生冷却通道流出后，通过燃料头腔入口进入燃料头腔，对声腔环进行冷却；
(3)冷却后的燃料一部分从普通喷嘴径向进口进入，直接喷入下游燃烧室，与氧化剂掺混；另一部分从隔板喷嘴径向进口进入，经冷却通道冷却后排放至下游燃烧室，与氧化剂掺混；
(4)点火源通过点火通道点燃下游燃烧室中的燃烧剂和氧化剂。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明喷注器基体采用阶梯式设计，可以使各圈氧化剂喷嘴(普通喷嘴)长度变化，而氧化剂喷嘴频率随喷嘴长度减小而明显升高，一方面大大提高了激励耦合共振所需的能量，另一方面保证了各圈氧化剂喷嘴纵向声学频率不一致，能量分散，与燃烧室振型错开，实现声学错频，大大抑制了喷注耦合声学不稳定的发生。
(2)本发明普通喷嘴采用流强密度分区设计，一方面可以有效降低燃烧能量释放的集中度，另一方面可以通过降低横向振型压力波谷的流强密度，有效地降低高频不稳定燃烧的激励源。
(3)本发明采用径向/周向组合排放式隔板喷嘴设计，可以有效阻尼典型的横向不稳定振型。
(4)本发明采用复合式声腔设计，通过调整声腔深度，可以作为隔板的有效补充，调整其抑制的频率，通过调整声腔宽度，可以相应调整其阻尼特性。
附图说明
图1为本发明组合式燃烧稳定装置的结构示意图；
图2为本发明组合式燃烧稳定装置结构示意图的A向视图；
图3为本发明组合式燃烧稳定装置中声腔的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为剖视图。
具体实施方式
本发明实现了一套组合式燃烧稳定装置可以同时对多种振型的推力室固有声学不稳定和喷注耦合声学不稳定进行抑制的目的。
具体地，本发明提出的一种组合式燃烧稳定装置，如图1所示，包括喷注器基体1、氧化剂顶盖2、声腔环5、普通喷嘴和隔板喷嘴。
喷注器基体1和氧化剂顶盖2焊接连接，喷注器基体1上表面为V型阶梯式结构，喷注器基体1的中心位置设置有点火通道，点火通道一端穿过氧化剂顶盖2与外部的点火源连接，另一端与下游燃烧室连通；喷注器基体1和氧化剂顶盖2形成氧化剂头腔4。
声腔环5焊接于喷注器基体1下表面的外缘，声腔环5和喷注器基体1之间形成燃料头腔3，在喷注器基体1下表面上加工有燃料头腔入口6。燃烧室再生冷却剂通过燃料头腔入口6进入燃料头腔3的同时可以对声腔环5进行冷却。
隔板喷嘴和喷注器基体1V型阶梯式结构之间通过螺纹+钎焊连接，伸出喷注器基体1下表面一定距离。隔板喷嘴的侧壁上加工有径向进口孔和冷却通道，燃料头腔3的燃料从进口孔进入，经冷却通道冷却后排放。
如图2所示，隔板喷嘴包括采用径向隔板喷嘴11和周向隔板喷嘴12的组合排放式设计，可以有效阻尼典型的横向不稳定振型。周向隔板喷嘴12以V型阶梯式结构中心为圆心，沿半径r周向布置，相邻隔板喷嘴紧邻，形成封闭的环形隔板结构；径向隔板喷嘴11形成m个条状阵列，每个条状阵列沿径向布置，相邻隔板喷嘴紧邻，m个条状阵列沿以V型阶梯式结构中心为圆心的圆周方向均布。
在喷注器基体1的V型阶梯式结构上，以V型阶梯式结构中心为圆心，安装有多圈普通喷嘴，其中位于最外部的n1圈为低流强密度喷嘴，位于中间的n2圈为高流强密度喷嘴，其他圈为基准流强密度喷嘴。n1为1，2或3，n2为1或2。
如图2所示，位于最外部的2圈为低流强密度喷嘴，采用1#低流强密度喷嘴15、2#低流强密度喷嘴16形成。位于中间的4圈为高流强密度喷嘴，采用1#高流强密度喷嘴13、2#高流强密度喷嘴14形成。其他圈为基准流强密度喷嘴，采用基准流强密度喷嘴17形成。同一圈内喷嘴型号一致。上述普通喷嘴流强密度的分区设计，一方面可以有效降低燃烧能量释放的集中度，另一方面可以通过降低横向振型压力波谷的流强密度，有效地降低高频不稳定燃烧的激励源。
各圈普通喷嘴的长度不同，从V型阶梯式结构中心向外递增，保证喷嘴出口与喷注器基体1的下表面平齐。
如图2所示，在喷注器基体1周向上采用复合式声腔设计，不同深度和开口面积的1#声腔8、2#声腔9和3#声腔10间隔排列，可以作为隔板的有效补充，阻尼不同频率的隔板区内频率或高阶频率。
如图3所示，声腔环5的边缘周向布置有若干个不同深度h和开口宽度b的独立声腔，相邻两个声腔之间用声腔隔肋7隔开。通过调整声腔深度h，可以相应调整其抑制的频率；通过调整声腔宽度b，可以相应调整其阻尼特性。图3中(a)为俯视图，(b)为剖视图。
本发明组合式燃烧稳定装置实现方法如下：
(1)氧化剂头腔4的氧化剂从普通喷嘴和隔板喷嘴的轴向进口进入，喷入下游燃烧室；
(2)燃料自上游的燃烧室再生冷却通道流出后，通过燃料头腔入口6进入燃料头腔3，对声腔环5进行冷却；
(3)冷却后的燃料一部分从普通喷嘴径向进口进入，直接喷入下游燃烧室，与氧化剂掺混；另一部分从隔板喷嘴径向进口进入，经冷却通道冷却后排放至下游燃烧室，与氧化剂掺混；
(4)点火源通过点火通道点燃下游燃烧室中的燃烧剂和氧化剂。
本发明包括阶梯式喷注器、流强密度分区、排放式隔板喷嘴和复合式声腔，一方面在源头上降低了高频不稳定燃烧的激励源，另一方面既可实现喷注耦合声学不稳定错频，又可实现多种振型固有声学高频不稳定燃烧的有效抑制。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。