一种基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴的制作方法

本发明属于液体火箭发动机燃气发生器或推力室技术领域，尤其涉及一种基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴。

背景技术：

液体火箭发动机中，推进剂的喷注雾化过程十分关键，主要体现在：1)雾化掺混过程决定燃烧效率；2)喷注过程声振响应是燃烧不稳定形成和维持的重要环节。因此，如何在保证燃烧效率的基础上，降低喷注过程的声振敏感性、提高燃烧稳定性，是目前工程上非常关注的问题。

同轴剪切式喷嘴广泛应用于低温液体火箭发动机，是未来高性能全流量补燃、可重复使用液氧/甲烷发动机的首选喷注形式。气/液同轴剪切式喷嘴主要通过出口附近气液射流之间的流动剪切效应来实现燃料的雾化掺混，内喷嘴出口处的几何形状是影响这一过程的关键。工程上通常采用内喷嘴出口内径锥形渐扩的方式来提高内外射流的动量比，进而实现较好的雾化掺混效果。然而，在某些情况下，单纯的内喷嘴锥形渐扩并不总是能获得理想的雾化掺混效果，甚至由于初始状态的燃料射流剪切过程容易受到燃烧室压力振荡的影响，造成下游燃烧热释放与燃烧室声振之间发生耦合共振的可能性提高。因此，实际上通常将内喷嘴从出口处向内缩进，与外喷嘴出口之间形成一个缩进室。

然而，以上传统做法仍然存在一些问题，主要包括：1)没有从根本上降低喷注过程声振敏感性，气液燃料射流剪切过程仍然会受到燃烧室压力振荡的影响；2)缩进的引入使得燃烧稳定性对其长度非常敏感，变工况条件下的稳定性难以保证；3)缩进段本身容易形成一个微型燃烧室，造成喷嘴的烧蚀，严重威胁整个发动机的可靠性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴，解决了气/液同轴剪切喷嘴提高燃料雾化掺混效率与提高燃烧稳定性、降低喷嘴烧蚀风险之间的矛盾。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴，包括：外喷嘴和内喷嘴；其中，所述外喷嘴套设于所述内喷嘴的外表面；所述外喷嘴和所述内喷嘴同轴；所述内喷嘴的唇口位于所述外喷嘴的内部；所述内喷嘴的唇口沿其周向开设有若干个锯齿；所述内喷嘴用于流通液体，所述外喷嘴和所述内喷嘴之间用于流通气体。

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述内喷嘴的唇口的唇口内径为dn，唇口外径为dw，所述锯齿的个数为n，所述锯齿的齿深为h，其中，齿深h、实际射流速度u和射流自身频率fc之间的关系为：其中，fc＝fkh×n，fkh为未加齿原始状态下的射流过程自然频率，根据工程流体力学原理，其大小由射流出口的斯特劳哈数st决定

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述锯齿的左偏角为α1，所述锯齿的右偏角为α2，左偏角与右偏角之差α1-α2不小于10°。

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述唇口的内唇口厚度为h1，所述唇口的外唇口厚度为h2，内唇口厚度与外唇口厚度的关系为：

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述唇口的内扩角α3为45°-70°。

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述唇口的内扩角α3为30°-45°。

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述唇口的外扩角α4为45°-70°。

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，所述唇口的外扩角α4为30°-45°。

上述基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴中，若干个锯齿沿唇口的周向均匀分布。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1)本发明在内喷嘴出口处引入周向锯齿，强化了燃料沿周向的掺混，缩短了掺混距离，提高了掺混效率；

2)本发明促进雾化后的燃料液滴直径沿周向分布，弱化燃料雾化、蒸发过程与燃烧室声振的耦合条件，从而提高了喷嘴的燃烧稳定性；

3)本发明考虑了喷嘴出口锯齿后，可以减小内喷嘴缩进段的长度，从而降低了缩进段内被烧蚀的风险，提高发动机可靠性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴的结构示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的加齿前气液同轴剪切喷嘴雾化效果的示意图；

图2(b)是本发明实施例提供的加齿后气液同轴剪切喷嘴雾化效果的示意图；

图3(a)是本发明实施例提供的内喷嘴的一个示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的内喷嘴的另一个示意图；

图3(c)是本发明实施例提供的内喷嘴的又一个示意图；

图3(d)是本发明实施例提供的内喷嘴的又一个示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的内喷嘴的又一个示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的内喷嘴的又一个示意图；

图4(c)是本发明实施例提供的内喷嘴的又一个示意图；

图4(d)是本发明实施例提供的内喷嘴的又一个示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴的结构示意图。如图1所示，该基于唇口锯齿设计的气-液同轴剪切式喷嘴包括：外喷嘴1和内喷嘴2；其中，

外喷嘴1套设于内喷嘴2的外表面；外喷嘴1和内喷嘴2同轴；内喷嘴2的唇口21位于外喷嘴1的内部；内喷嘴2的唇口21沿其周向开设有若干个锯齿22(如图3(b)和图4(b)所示)；内喷嘴2用于流通液体，外喷嘴1和内喷嘴2之间用于流通气体。

若干个锯齿22沿唇口21的周向均匀分布。

根据射流雾化原理，内外射流速度差引起的流动剪切作用会使气液界面出现不稳定，形成所谓的k-h波。k-h波决定了下游的雾化频率，继而决定了主要的雾化粒径分布，因此，k-h波的频率fkh非常关键，fkh由射流本身的斯特劳哈数st决定，其定义为：

其中，d为出口直径，u为实际射流速度。在此基础上，本专利考虑沿唇口周向锯齿来改变这一频率特性，如图4所示，具体的做法是沿周向加工v型齿，其基本设计(以齿数n＝10为例)参数包括：

唇口内径：dn

唇口外径：dw

齿数：n

齿深：h

加齿后的射流自身频率变为：

fc＝fkh×n

各参数的具体表示如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，加齿前后气液同轴剪切喷嘴雾化效果的区别如图2(a)和图2(b)所示。

实际设计时，应使最终的频率fc远离燃烧室特征频率，同时，考虑到控制效果，齿深应尽量维持在以下范围，即：

内外射流的强化掺混主要通过考虑出口流向涡的周向相互作用，如图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)所示，主要基本设计(齿数n＝10)参数包括：

左偏角：α1

右偏角：α2

内扩角：α3

外扩角：α4

内唇口厚度：h1

外唇口厚度：h2

实际设计时，为了保证最佳掺混效果，左右偏角之差α1-α2不小于10°，另外，内外唇口厚度应相等，且满足：

内扩角和外扩角应考虑流体的可压缩性，对于气体：α3或α4应在30°到45°之间；对于液体：α3或α4应在45°到70°之间。

本实施例在内喷嘴出口处引入周向锯齿，强化了燃料沿周向的掺混，缩短了掺混距离，提高了掺混效率；本实施例促进雾化后的燃料液滴直径沿周向分布，弱化燃料雾化、蒸发过程与燃烧室声振的耦合条件，从而提高了喷嘴的燃烧稳定性；本实施例考虑了喷嘴出口锯齿后，可以减小内喷嘴缩进段的长度，从而降低了缩进段内被烧蚀的风险，提高发动机可靠性。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。