一种自分流复合冷却燃烧室的制作方法

1.本发明属于液体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种自分流复合冷却燃烧室。


背景技术：

2.在火箭发动机推力室设计试验过程中，将推力室分成燃烧室和含喷注器的头部，以便更换不同的喷注器进行试验。
3.大推力液体火箭发动机推力室采用高室压工作，燃烧室压力超过20mpa，当燃烧室压力提高，热流密度也大幅度提高，对燃烧室冷却困难，影响工作寿命和可重复使用。传统的燃烧室具有独立的冷却环腔，点火之后还需系统单独供应冷却液进行内壁冷却，造成了冷却路和主路点火的时序匹配较复杂的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自分流复合冷却燃烧室，以提高燃烧室冷却性能的可靠性。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种自分流复合冷却燃烧室，包括：
7.外壳体，所述外壳体的第一端设有冷却剂入口，所述外壳体的第二端设有冷却剂出口；
8.内壳体，所述内壳体与所述外壳体同轴套设连接，所述外壳体和所述内壳体之间形成有多个再生冷却通道；所述再生冷却通道与所述冷却剂入口腔和所述冷却剂出口腔连通；所述内壳体的外壁设置有环形分段区，所述环形分段区设置在所述第一端与所述第二端之间，用于将所述再生冷却通道分隔成相连通的两部分，所述环形分段区内沿周向设有连通所述再生冷却通道和所述内壳体内部的分流孔，用于将所述再生冷却通道中的部分冷却剂导入所述内壳体中形成冷却液膜对所述内壳体的内壁进行冷却。
9.与现有技术相比，本发明的冷却剂由冷却剂入口进入再生冷却通道后流动至环形分段区处分流，大部分冷却剂流经到再生冷却通道的第二端从冷却剂出口进入头部燃料腔，通过喷嘴喷出雾化燃烧，以及形成旋流冷却燃烧室头部内表面；小部分冷却剂在环形分段区处通过分流孔导入内壳体中以高速旋流方式喷出形成贴壁旋转流动的冷却液膜，先于燃料点火前对内壳体的内壁进行可靠冷却，提高了冷却剂的利用率，克服了需独立设置液膜冷却路、冷却路和主路点火的时序匹配较复杂、燃气反窜腔的缺点。
10.在一种实现方式中，所述内壳体的外壁上设有螺旋均布的多个肋条，相邻两个所述肋条、所述内壳体外壁和所述外壳体内壁形成螺旋结构的所述再生冷却通道。
11.采用上述方案的效果，在冷却剂流量一定的情况下，螺旋结构的再生冷却通道能够增大冷却剂流速，增强冷却效果。
12.在一种实现方式中，所述内壳体和多个所述肋条为一体成型结构。
13.采用上述方案的效果，在降低加工成本的同时提升了可靠性，可重复使用性好，维
护处理简单，加工的分流孔和环形分段区结构比传统的装配形成的环缝方案均流效果好，变形小，液膜均匀性显著提高。
14.在一种实现方式中，所述分流孔沿周向均匀设置在所述环形分段区中，且倾斜设置在所述环形分段区所在的圆形截面中。
15.在一种实现方式中，所述内壳体沿第一端到第二端的方向包括同轴连接的收扩段和圆柱段；所述环形分段区设置在所述收扩段与所述圆柱段的连接处。
16.采用上述方案的效果，冷却剂经分流孔5可以高速旋流方式喷出形成贴壁旋转流动的冷却液膜，提高对内壳体内壁的保护，保护热环境较为恶劣的收扩段的喉部区域。
17.在一种实现方式中，所述环形分段区中设有环形凸起，所述环形凸起的高度小于所述肋条的高度，所述环形凸起上沿周向均匀设置有多个台阶面，所述分流孔的入口位于所述台阶面上。
18.采用上述方案的效果，在此情况下，环形凸起会对再生冷却通道流出的冷却剂起到阻流作用，台阶状入口的设置，提高了细长分流孔的流量系数确保环形分段区的压降符合要求，并确保分流比例合理，以此保持分流孔的出口速度大形成冷却液膜对内壁实现良好冷却。
19.在一种实现方式中，所述内壳体的内壁对应所述环形凸起的位置设有环槽，所述分流孔的出口与所述环槽连通，所述环槽靠近所述圆柱段一侧的边沿高于所述环槽靠近所述收扩段一侧的边沿，高度差为0.5mm-2mm。
20.采用上述方案的效果，环槽22两侧的边沿形成高度差，减小中心主流燃气g的卷吸作用，减少燃气与液膜过早进行化学反应，用于防止燃气冲毁液，增强了喉部冷却效果。
21.在一种实现方式中，所述环槽靠近所述收扩段一侧的所述内壳体的内壁上设有锥面过渡段，所述锥面过渡段长度为18mm-25mm。
22.采用上述方案的效果，可保证冷却剂从分流孔的出口出来时液膜动量损耗低，在内壳体的内壁上的贴壁效果好。
23.在一种实现方式中，所述锥面过渡段与所述内壳体的轴线存在夹角，夹角θ为4
°
～6
°
。
24.采用上述方案的效果，保证出口时液膜动量损耗低，贴壁效果好。
25.在一种实现方式中，所述分流孔的长度与直径之比小于8。
26.采用上述方案的效果，减少入口和沿程的损失，由于现有的分流孔长度与直径之比大于15，致使沿程动量损耗大，如果实现分流孔的出口流速高，则入口和沿程损失要适当小，保证出口时液膜动量损耗低，液膜的贴壁效果好。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1为本发明提供的燃烧室截面图；
29.图2为本发明内壳体环形分段区的截面图；
30.图3为本发明内壳体环形分段区截面图的局部放大图；
31.图4为图3沿x-x方向的截面图。
32.其中：
33.1-外壳体；2-内壳体；3-环形分段区；4-再生冷却通道；5-分流孔；6-收扩段；7-圆柱段；11-冷却剂入口；12-冷却剂出口；21-肋条；22-环槽；31-环形凸起；32-台阶面。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.如图1-图2所示，为本发明实施例公开了一种自分流复合冷却燃烧室，包括外壳体1和内壳体2，外壳体1的第一端设有冷却剂入口11，外壳体1的第二端设有冷却剂出口12；内壳体2与外壳体1同轴套设连接，外壳体1和内壳体2之间形成有多个再生冷却通道4；再生冷却通道4与冷却剂入口11和冷却剂出口12连通；内壳体2的外壁设置有环形分段区3，环形分段区3设置在第一端与第二端之间，用于将再生冷却通道4分隔成相连通的两部分，环形分段区3内沿周向设有连通再生冷却通道4和内壳体2内部的分流孔5，用于将再生冷却通道4中的部分冷却剂导入内壳体2中形成冷却液膜对内壳体2的内壁进行冷却。
40.本发明在工作时，如图1中箭头所示，冷却剂由冷却剂入口11进入再生冷却通道4后流动至环形分段区3处分流，大部分冷却剂流经到再生冷却通道4从冷却剂出口12进入头部燃料腔，通过喷嘴喷出雾化燃烧，以及形成旋流液膜冷却燃烧室内表面；小部分冷却剂在环形分段区3处通过分流孔5导入内壳体2中以高速旋流方式喷出形成贴壁旋转流动的冷却液膜，先于燃料点火前对内壳体2的内壁进行可靠冷却。
41.通过上述方案和过程可知，本发明冷却剂供应简单，克服了需独立设置液膜冷却路、冷却路和主路点火的时序匹配较复杂的缺点，有效保证了冷却剂液膜先于燃料点火前对内壳体的内壁进行可靠冷却，通过分段区的分段流阻设计实现燃烧室头部和分段区处的冷却剂分流，确定了冷却流量分流比例。
42.示例性地，外壳体1采用钢材料制作，内壳体2为铜材料制作，两者通过钎焊连接组成燃烧室结构，采用冷却性能好的燃烧剂-偏二甲肼(也称1,1-二甲基联氨，分子式(ch3)2nnh2或c2h8n2))为再生冷却剂，从冷却剂入口11进入，经过分段区3分流，小部分通过分流孔5进入内壳体2中，大部分经过再生冷却通道4从冷却剂出口12流出。
43.图2所示，在一种实施例中，内壳体2外壁上设有螺旋均布的多个肋条21，相邻两个肋条21、内壳体2外壁和外壳体1内壁形成螺旋结构的再生冷却通道4。在此情况下，在冷却剂流量一定的情况下，螺旋结构的再生冷却通道4能够增大冷却剂流速，增强冷却效果。
44.作为优选地，本实施例中的内壳体2和多个肋条21为一体成型结构。在此情况下，加工方便，可重复使用性好，维护处理简单，加工的分流孔5和环形分段区3结构比传统的装配形成的环缝方案均流效果好，变形小，液膜均匀性显著提高。
45.在本实施例中，分流孔5沿周向均匀设置在环形分段区3中，且倾斜设置在环形分段区3所在的圆形截面中。用作液膜的燃烧剂在向内壁面进行喷射时，由于与内壁面存在撞击角度，不可避免的会造成液滴的反弹，导致实际冷却液膜量的降低。优选的是，分流孔5的轴线方向尽量与内壳体2的圆形内表面相切，减少损耗量。
46.具体的，内壳体2沿第一端到第二端的方向包括同轴连接的收扩段6和圆柱段7，环形分段区3设置在收扩段6与圆柱段7的连接处，并与两侧的再生冷却通道4连通。冷却剂经分流孔5以高速旋流方式喷出形成贴壁旋转流动的冷却液膜，提高对收扩段6中内壳体2内壁的保护，保护热环境较为恶劣的收扩段6的喉部区域。
47.图2所示，在一些实施例中，环形分段区3中设有环形凸起31，环形凸起31的高度小于肋条21的高度，环形凸起31上沿周向设置有多个台阶面32，分流孔5的入口位于台阶面32上。在此情况下，环形凸起31会对再生冷却通道4流出的冷却剂起到阻流作用，台阶状入口的设置，提高了分流孔5的流量系数确保环形分段区3的压降符合要求，并确保分流比例合理，以此保持分流孔5的出口速度大形成冷却液膜对内壁实现良好冷却。
48.在本实施例中，分流孔5的长度与直径之比小于8。在此情况下，由于现有的分流孔5长度与直径之比大于15，致使沿程动量损耗大，如果实现分流孔5的出口流速高，则入口和沿程损失要适当小，保证出口时液膜动量损耗低，液膜的贴壁效果好。
49.在本实施例中，分流孔5的出口处冷却剂的流速可达80m/s，燃气的速度与冷却剂的流速之比为4.5～4.7。在此情况下，分流孔5的出口速度越大，使得液膜的贴壁性越好，对于液膜形态保持和抗气流的干扰能力增强，燃烧室的冷却效果越好。
50.图3所示，在本实施例中，环形凸起31的高度比肋条21的高度小最多3mm，即高度差h不大于3mm。确保环形凸起31的厚度，以保证结构强度，环形凸起31不阻碍冷却剂沿再生冷却通道从冷却剂入口向冷却剂出口的流通，由于肋条21的高度大于环形凸起31的高度，内壳体2的外表面与外壳体1的内表面连接时，在环形凸起31的位置会形成环形空腔，分流后的冷却剂在环形空腔中环流，冷却剂的流向如图2箭头所示方向，环形空腔两侧加厚，以提高流动速度和结构强度，冷却剂从再生冷却通道4中进入环形空腔后形成逆时针环流，冷却
剂在此处环流后进入分流孔5中，而冷却剂经过分流孔5在内壳体内壁上形成顺时针方向的旋流，如此设置，是为了环形空腔中的环流能均匀分配进入到分流孔5中，避免环形空腔中的环流方向与进入分流孔5的液流方向一致，造成部分分流孔5由于正对肋条21的断面处，冷却剂流量过小，导致此处的分流孔5在内壁出口处的流速过小，形成的液膜不均匀。
51.图3-图4所示，在本实施例中，内壳体2的内壁对应环形凸起31的位置设有环槽22，分流孔5的出口与环槽22连通，环槽22靠近圆柱段7一侧的边沿高于环槽22靠近收扩段6一侧的边沿，高度差l为0.5-2mm。此时，环槽22两侧的边沿形成高度差，会减小中心主流燃气的卷吸作用，减少燃气与液膜过早进行化学反应，用于防止燃气冲毁液，增强了对收扩段6的冷却效果。高度差l大小与液膜厚度相当或稍大于液膜厚度，通常大推力燃烧室选取l在1mm～2mm，中小推力燃烧室选取l在0.5mm～1mm。
52.在本实施例中，环槽22靠近收扩段6一侧的内壳体2的内壁上设有锥面过渡段，锥面过渡段的长度为18mm-25mm。此时，可保证冷却剂从分流孔5的出口出来时液膜动量损耗低，在内壳体2的内壁上的贴壁效果好。
53.图3所示，在本实施例中，锥面过渡段与内壳体2的轴线存在夹角，夹角θ为4
°
～6
°
。在此情况下，保证出口时液膜动量损耗低，贴壁效果好。
54.本发明与现有技术相比的优点在于：
55.(1)现有传统方案采用单独供应和直流小孔直接击壁轴向膜流动，或采用前后段装配形成一定宽度的环缝间隙流动，液膜均匀性受小孔孔径、击壁角的精度、装配变形量等的影响，本发明采用在内壳体一个零件上加工出再生冷却通道和环形分段区进出口的整体结构，这种一体的自分流结构实现系统供应简单，液膜均匀性显著提高，可重复使用好的优点，适用于复合冷却结构燃烧室。
56.(2)本发明提高了高压燃烧室的液膜寿命及均匀性，通过环形分段区及分流孔结构设计，提高分流孔出口速度，保证出口时液膜动量损耗低，贴壁效果好，减少燃气与液膜过早进行化学反应，增强了喉部冷却效果。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
58.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。