一种发动机燃气射流尾焰的处理系统的制作方法

本实用新型涉及发动机技术领域，特别是涉及一种发动机燃气射流尾焰的处理系统。

背景技术：

随着太空探索活动的深入开展，越来越多的火箭发动机投入使用。然而，人们在通过火箭发动机获得航天活动中所需要的巨大推进力之外，同时也忍受着其尾焰给生态环境带来的污染与破坏。例如，在进行火箭发动机的地面热性能测试或者发射过程中，火箭发动机点火产生的超高温(一般为3000℃，最高温度可达3500℃)、超高速(2～3马赫，一般速度为1500m/s～5000m/s)、超高能(MJ/kg级，一般为6～7MJ/kg)燃气射流尾焰，同时超高速也带来巨大的噪声。尤其是固体火箭发动机，除了其燃气射流尾具有前述特点之外，还含有三氧化二铝(Al2O3)粉尘和氯化氢(HCl)有害气体，对试验、发射场地的周边生态环境亦造成严重破坏。

现有的技术中，在进行火箭发动机点火试验时，为了保护相关实验设备和发射装备，常常采用喷注水冷却的方式对燃气射流尾焰进行降温处理。然而，由于燃气射流尾焰具有超高温、超高速、超高能的特点，在对燃气射流尾焰进行注水冷却的过程中，由于燃气射流尾焰本身所具有的超高能量，一般的低压喷注水是很难与其接触并与其进行有效热交换的。如果说有，也只是很少一部分水，通过热辐射的形式产生一些热交换。实际使用结果表明，对燃气射流尾焰进行注水降温降噪的效率是极低的。对燃气射流尾焰进行注水冷却需要的水量极大，形成大量的燃气和蒸汽的混合物，严重时，因通道拥塞反火，烧毁试车发动机，对试验、发射场地的设备和周边生态环境造成破坏。除此之外，现有发动机燃气射流尾焰处理系统不仅系统复杂、能耗较大，使用和维护成本高，而且很难对燃气射流尾焰中的有害成分进行处理。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本实用新型实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种发动机燃气射流尾焰的处理系统。

为了解决上述问题，本实用新型实施例公开了一种发动机燃气射流尾焰处理系统，用于处理发动机喷射的燃气射流尾焰，所述发动机包括用于燃气膨胀提速的喷管，所述发动机燃气射流尾焰处理系统包括：冷却装置以及支撑装置；其中

所述冷却装置包括至少一个导入模块和至少一个处理模块；

所述导入模块和处理模块的材质均为冰；

所述导入模块内设有导入通道；

所述处理模块内设有处理通道；

所述导入通道与所述喷管相对；

所述支撑装置与所述冷却装置连接，用于支撑所述冷却装置。

可选地，所述导入模块和处理模块内包含碱性物质。

可选地，所述导入模块内设有一个导入通道，所述导入通道包括第一进气口和第一出气口，所述第一进气口和所述喷管相对；

所述处理模块内设有单个或者多个处理通道，每个处理通道包括第二进气口和第二出气口，每个第二进气口与所述第一出气口相对。

可选地，所述处理模块端面上设有分流结构；其中

所述分流结构包括多个分流隔栏和一个冰锥；

所述分流隔栏设置于圆周方向上相邻的处理通道之间；

所述冰锥为处理通道围绕处理模块轴线中心区域形成的冰芯。

可选地，所述多个处理通道围绕所述处理模块轴线均匀分布。

可选地，所述导入模块上的导入通道的内径大于所述喷管的内径。

可选地，所述至少一个导入模块串联连接；

所述至少一个处理模块串联连接。

可选地，所述冷却装置还包括：至少一个级间模块；其中

所述级间模块设置于相邻的导入模块/处理模块与导入模块/处理模块之间。

可选地，所述支撑装置包括：导入模块壳体以及处理模块壳体；其中

所述导入模块壳体包覆在所述导入模块外；

所述处理模块壳体包覆在所述处理模块外；

所述导入模块壳体和所述处理模块壳体的材料为金属保温材料。

可选地，所述发动机燃气射流尾焰处理系统还包括：热电偶以及压力传感器；其中

所述热电偶设置于所述处理通道的第二出气口处；

所述压力传感器设置于相邻的所述处理模块之间。

本实用新型实施例包括以下优点：

首先，在所述发动机喷管内喷射燃气射流尾焰时，由于所述导入模块上的导入通道与所述喷管相对，所述燃气射流尾焰可以进入所述导入通道内。由于所述导入模块的材质为冰，因此，所述燃气射流尾焰进入所述导入通道后，不仅能够直接与水(冰)接触，而且所述处理模块中间形成的所述冰锥直插燃气射流尾焰中心的高温区，同时所述冰锥阻挡并迫使燃气射流尾焰向所述处理通道分流、冲刷，造成所述燃气射流尾焰由内至外与水充分的接触，吸收水的分解、升华、蒸发释放的冷量迅速降温，这就是所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率高的根本原因。所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰具有显著的减速降噪效果。

由于在所述处理通道内能够实现冰与所述燃气射流尾焰的直接接触，使得所述燃气射流尾焰中的熔融态三氧化二铝(Al2O3)迅速冷却成为固体粒子，并随流动顺利排出所述处理通道或者所述处理模块；所述处理模块内包含碱性物质，可以在所述处理通道内与燃气射流尾焰中含有的氯化氢(HCl)有害气体中和反应，实现对所述燃气射流尾焰的无害化处理。

由于所述冷却装置中冰质导入模块和处理模块为所述燃气射流尾焰的冷却、降速、降噪和无害化提供了所需的水，以满足其在所述处理模块内的能量交换。在所述处理模块内，能量交换完全遵守能量守恒原理进行，是一种自适应过程，不需要外界补充新的能量。能量交换后的产物都将顺利排出所述处理模块。因此在对所述燃气射流尾焰进行处理时，所述冷却装置的体积小，这样不仅可以减少所述冷却装置的耗水量，还可以简化所述冷却装置的加工工艺，极大的降低所述冷却装置的成本。

附图说明

图1是本实用新型的一种发动机燃气射流尾焰处理系统的正向结构示意图；

图2是图1所示的发动机燃气射流尾焰处理系统的左向结构示意图；

图3是图1所示的发动机燃气射流尾焰处理系统的右向结构示意图；

图4是本实用新型的一种导入模块的正向结构示意图；

图5是图4所示的导入模块的侧向结构示意图；

图6是本实用新型的一种处理模块的正向结构示意图；

图7是图6所示的处理模块的侧向结构示意图；

图8是本实用新型的一种多个导入模块串联连接的结构示意图；

图9是本实用新型实施例所述的一种发动机燃气射流尾焰处理系统的安装示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种发动机燃气射流尾焰处理系统，用于处理发动机喷射的燃气射流尾焰，所述发动机可以包括用于燃气膨胀提速的喷管，所述发动机燃气射流尾焰处理系统可以包括：冷却装置以及支撑装置；其中，所述冷却装置包括至少一个导入模块和至少一个处理模块；所述导入模块和处理模块的材质均为冰；所述导入模块内设有导入通道；所述处理模块内设有处理通道；所述导入通道与所述喷管相对；所述支撑装置与所述冷却装置连接，用于支撑所述冷却装置。

在实际应用中，所述发动机可以是固体火箭发动机、液体火箭发动机、航空发动机、各类型导弹等类型的发动机，本实用新型实施例仅以固体火箭发动机为例进行说明，其他类型的发动机参照执行即可。

具体地，制成所述冷却装置中所述导入模块和处理模块的冰，可以包括但不局限于冰砖、冰块、冰渣以及冰雪中的任意一种，本实用新型实施例对于制成所述冷却装置中所述导入模块和处理模块的冰的具体类型可以不做限定。所述支撑装置的结构类型可以为壳体、通道、隧道、导流槽、壕沟等结构。在实际应用中，在所述支撑装置为壳体、通道、隧道、导流槽、壕沟等结构的情况下，在壳体、通道、隧道、导流槽、壕沟内堆砌冰砖、冰块、冰渣或者冰雪即可。也就是说，本实用新型实施例所述的发动机燃气射流尾焰处理系统可以就地取材制成，加工方式较为丰富，加工成本较低。

在实际应用中，大量的试验数据表明，所述冷却装置的冷却能力可以达到0.35MJ/kg。所述冷却装置的冷却效率极高，耗水量极低。本实用新型实施例中，在所述发动机点火，喷管喷射燃气射流尾焰时，由于所述冷却装置中导入模块的的导入通道与所述喷管相对，所述燃气射流尾焰可以直接进入所述导入通道内。由于所述导入模块、所述处理模块的材质均为固体状的冰，因此，所述燃气射流尾焰进入所述导入通道后，不仅能够直接与水(冰)接触，而且所述处理模块中间形成的冰锥可以直插燃气射流尾焰中心的高温区，同时所述冰锥阻挡并迫使燃气射流尾焰向所述处理通道内溢射分流、与在所述处理通道的内外表面冲刷，造成所述燃气射流尾焰由内至外与水(冰)的充分接触。水(冰)在超高温下迅速吸热分解、升华、蒸发，所述燃气尾焰吸收水的分解、升华、蒸发吸收的冷量迅速降温，这就是所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率高根本原因。所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰亦具有显著的减速降噪效果。所述冷却装置可以直接与所述燃气射流尾焰进行接触，这样，不仅可以使得所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率较高，还可以使得所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的减速降噪效果较为明显。

而且，由于所述冷却装置与所述燃气射流尾焰直接接触，使得所述燃气射流尾焰中的熔融态三氧化二铝(Al2O3)迅速冷却成为固体粒子，并随流动顺利排出所述处理通道或者所述处理模块；所述处理模块内包含碱性物质，可以在所述处理通道内与燃气射流尾焰中含有的氯化氢(HCl)有害气体中和反应，实现对所述燃气射流尾焰的无害化处理。

此外，由于所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率高，因此，在对所述燃气射流尾焰进行处理时，所述冷却装置的体积可以较小，这样不仅可以减少所述冷却装置的耗水量，还可以简化所述冷却装置的加工工艺，极大的降低所述冷却装置的成本。

在实际应用中，所述导入模块和所述处理模块内可以包含碱性物质。所述碱性物质可以为NaOH或者NaHCO3等物质，本实用新型实施例对于所述碱性物质的具体类型可以不做限定。本实用新型实施例中，由于所述导入模块和所述处理模块内包含碱性物质，在所述导入模块和所述处理模块与所述燃气射流尾焰直接接触的过程中，所述碱性物质可以和所述燃气射流尾焰中的固体粒子(Al2O3)、氯化氢(HCl)发生反应，提高对于所述燃气射流尾焰中的固体粒子(Al2O3)、氯化氢(HCl)的处理效率，避免固体粒子(Al2O3)、氯化氢(HCl)对环境造成污染。

可以理解的是，在实际应用中，根据所述燃气射流尾焰中的所含物质参数成份的不同，所述冷却装置中还可以相应添加其他的物质，以提高所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰中的固体粒子和有害成分的处理效率。

参照图1，示出了本实用新型的一种发动机燃气射流尾焰处理系统的正向结构示意图，参照图2，示出了图1所示的发动机燃气射流尾焰处理系统的左向结构示意图，参照图3，示出了图1所示的发动机燃气射流尾焰处理系统的右向结构示意图。具体可以包括：冷却装置和支撑装置，其中，冷却装置可以包括：至少一个导入模块10和至少一个处理模块11；其中，导入模块10内设有导入通道101，导入通道101可以包括第一进气口和第一出气口，所述第一进气口和所述喷管相对；处理模块11内设有多个分流通道111，每个分流通道111包括第二进气口和第二出气口，每个第二进气口与所述第一出气口相对。处理模块11的端面上设有分流结构，其中，所述分流结构包括多个分流隔栏112和一个冰锥113，分流隔栏112设置于圆周方向上相邻的处理通道111之间，冰锥113为处理通道111围绕11处理模块轴线中心区域形成的冰芯。所述支撑装置可以包括：导入模块壳体12以及处理模块壳体13；其中，导入模块壳体12包覆在导入模块10外；处理模块壳体13包覆在处理模块11外；导入模块壳体12和处理模块壳体13的材料为金属保温材料。

参照图4，示出了本实用新型的一种导入模块的正向结构示意图，参照图5，示出了图4所示的导入模块的侧向结构示意图。如图4、图5所示，导入模块10内设有导入通道101。在实际应用中，导入通道101的第一进气口可以与所述发动机的喷管相对，以便于从所述喷管中喷射出来的燃气射流尾焰可以直接进入所述导入通道内。

本实用新型实施例中，导入通道101的内径可以大于所述发动机的喷管内径，这样，可以便于从上所述喷管内喷射出燃气射流尾焰可以从充分地进入导入模块10的导入通道101内。

参照图6，示出了本实用新型的一种处理模块的正向结构示意图，参照图7，示出了图6所示的处理模块大的侧向结构示意图。如图6、图7所示，处理模块11内设有多个所述处理通道111，每个所述处理通道111可以包括第二进气口和第二出气口，每个第二进气口与所述第一出气口相对。

在实际应用中，由于处理模块11上包括多个处理通道111，这样，可以增大处理通道111的内表面与所述燃气射流尾焰的接触面积，提高处理模块11对于所述燃气射流尾焰的冷却效率和降速降噪的效果。

在本实用新型的一种可选实施例中，为了使处理模块11上的多个处理通道111能够充分的与所述燃气射流尾焰接触，多个处理通道111在处理模块11的轴线上可以均匀分布。

可以理解的是，图6、图7中仅示出了处理模块11上包括3个处理通道111的示例。而在实际应用中，处理模块11上的处理通道111的数量还可以为其他的值，例如，4个、5个或者6个等，本实用新型实施例对于处理模块11上的处理通道111的数量可以不做限定。

本实用新型实施例中，处理模块11的端面上可以设有分流结构；其中，所述分流结构包括多个分流隔栏112和一个冰锥113，分流隔栏112设置于圆周方向上相邻的处理通道111之间，冰锥113为处理通道111围绕11处理模块轴线中心区域形成的冰芯。

在实际应用中，所述分流结构可以用于对导入模块10的流出的所述燃气射流尾焰进行强制分流，将导入模块10流出的所述燃气射流尾焰分流至每一个处理通道111内，且分流效率较高。

本实用新型实施例中，所述分流结构中的分流隔栏112和冰锥113可以由冰制成，这样，在所述分流结构对所述燃气射流尾焰进行分流的过程中，由冰制成的所述分流结构可以直接与所述燃气射流尾焰的中心接触，并且与所述燃气射流尾焰的中心进行热量交换，这样就可以极大的提高所述燃气射流尾焰的降温速度。

在实际应用中，由于所述燃气射流尾焰的中心携带有大量固体粒子(Al2O3)，而本实用新型实施例中，由冰制成的所述分流结构可以直接与所述燃气射流尾焰的中心的固体粒子(Al2O3)接触，并将所述燃气射流尾焰分流至每一个处理通道111内，使得所述燃气射流尾焰充分的与处理通道111的内壁接触，使得所述燃气射流尾焰中携带的固体粒子(Al2O3)快速冷却、凝结、减速、沉降，并在处理模块11的出气口排出。

本实用新型实施例中，所述发动机燃气射流尾焰处理系统中的导入模块10、处理模块11的数量可以根据实际情况进行设定，图1中仅示出了所述发动机燃气射流尾焰处理系统包括一个导入模块10和两个处理模块11的情况。在实际应用中，所述发动机燃气射流尾焰处理系统中的导入模块10、处理模块11的数量还可以为其他的值，本实用新型实施例对于所述发动机燃气射流尾焰处理系统中的导入模块10、处理模块11的具体数量不做限定。

在实际应用中，在所述发动机燃气射流尾焰处理系统中的导入模块10、处理模块11的数量为多个的情况下，所述多个导入模块10可以串联连接；同理，所述多个处理模块11也可以串联连接。

本实用新型实施例中，将所述冷却装置分成至少一个导入模块10和至少一个处理模块11，并在导入模块10外包覆导入模块壳体12，在处理模块11外包覆处理模块壳体13，可以便于所述发动机燃气射流尾焰处理系统的模块话设计，降低所述发动机燃气射流尾焰处理系统的加工难度和安装难度。

例如，若在处理某型号的发动机的燃气射流尾焰时，所述冷却装置的导入模块10为2个、处理模块11的数量为4个时，所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的处理效果最佳，则分别将2个导入模块10串联连接，将4个处理模块11串联连接，然后再将串联后的导入模块10、处理模块11连接即可。

可以理解的是，在所述冷却装置包括多个导入模块10，且这多个导入模块10串联连接的情况下，这多个导入模块10内的导入通道101的内径可以是相同的，也可以是不同的。

参照图8，示出了本实用新型的一种多个导入模块串联连接的结构示意图。如图8所示，多个导入模块10串联连接的情况下，这多个导入模块10内的导入通道101的内径可以是不同的。在实际应用中，由于多个导入模块10内的导入通道101的内径可以不同，因此，导入模块10的结构可以较为简单，加工精度可以较低，这样，就可以降低导入模块10的加工难度，从而，降低导入模块10的成本。

在实际应用中，多个导入模块10串联连接的情况下，这多个导入模块10内的导入通道101的内径也可以是相同的，在多个导入模块10内的导入通道101的内径相同的情况下，可以使得导入模块10对于所述燃气射流尾焰的导流效果较好。

本实用新型实施例中，相邻的导入模块壳体12/处理模块壳体13与处理模块壳体13/处理模块壳体12之间可以采用紧固件进行连接，或者，采用卡扣卡槽进行连接，以实现相邻的导入模块10/处理模块11和处理模块11/处理模块10之间的连接。

在实际应用中，由于导入模块壳体12包覆在导入模块10外，处理模块壳体13包覆在处理模块11外，且导入模块壳体12和处理模块壳体13的材料为金属保温材料，因此，导入模块壳体12可以用于减小导入模块10与外界的热交换，降低导入模块10的熔化速度。同理，处理模块壳体13可以用于减小处理模块11与外界的热交换，降低处理模块11的熔化速度。

具体地，所述金属保温材料可以包括但不局限于有机隔热保温材料、无机隔热保温材料以及金属类隔热保温材料中的任意一种，本实用新型实施例对于所述金属保温材料的具体类型可以不做限定。

本实用新型实施例中，所述冷却装置还可以包括：至少一个级间模块14；其中，级间模块14设置于相邻的导入模块10/处理模块11与导入模块10/处理模块11之间。级间模块14可以用于调节所述冷却装置内的冷却通道与外界的进排气，以调节所述燃气射流尾焰在所述冷却装置内的流速，提高所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的处理效率。

在实际应用中，级间模块14可以为带开关装置的格栅或者其他类型的进排气装置，本实用新型实施例对于级间模块14的具体类型可以不做限定。

本实用新型实施例中，所述发动机燃气射流尾焰处理系统还可以包括：热电偶以及压力传感器；其中，所述热电偶设置于处理通道111的第二出气口处，所述热电偶可以用于检测处理通道111排出的气体的温度；所述压力传感器设置于相邻的处理模块11之间，用于检测处理模块11内的压强。

在实际应用中，可以通过所述热电偶测得的处理通道111排出的气体的温度以及所述压力传感器测得的处理模块11内的压强，控制级间模块14进行进排气调节，以调节所述燃气射流尾焰在所述冷却装置内的流速，提高所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的处理效率。

参照图9，示出了本实用新型实施例所述的一种发动机燃气射流尾焰处理系统的安装示意图。如图9所示，所述发动机燃气射流尾焰系统处理系统中的导入模块壳体12、处理模块壳体13可以分别通过固定支架15安装在处理装置工作台16上。发动机90可以通过发动机固定支架91固定在发动机热试工作台92上，发动机90的一端与推力墩93连接，另一端设有喷管94。导入模块壳体12内的导入模块上的导入通道与喷管94相对，以便于从喷管94中喷射出来的燃气射流尾焰可以进入所述导入模块的导入通道内。这样，不仅可以使得所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率较高，还可以使得所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的减速降噪效果较为明显。

综上，本实用新型实施例所述的发动机燃气射流尾焰处理系统至少包括以下优点：

本实用新型实施例中，在所述发动机点火，喷管喷射燃气射流尾焰时，由于所述冷却装置中导入模块的的导入通道与所述喷管相对，所述燃气射流尾焰可以直接进入所述导入通道内。由于所述导入模块、所述处理模块的材质均为固体状的冰，因此，所述燃气射流尾焰进入所述导入通道后，不仅能够直接与水(冰)接触，而且所述处理模块中间形成的冰锥可以直插燃气射流尾焰中心的高温区，同时所述冰锥阻挡并迫使燃气射流尾焰向所述处理通道内溢射分流、与所述处理通道的内外表面冲刷，造成所述燃气射流尾焰由内至外与水(冰)的充分接触。水(冰)在超高温下迅速吸热分解、升华、蒸发，所述燃气尾焰吸收水的分解、升华、蒸发吸收的冷量迅速降温，这就是所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率高根本原因。所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰亦具有显著的减速降噪效果。所述冷却装置可以直接与所述燃气射流尾焰进行接触，这样，不仅可以使得所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率较高，还可以使得所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的减速降噪效果较为明显。

而且，由于所述冷却装置与所述燃气射流尾焰直接接触，使得所述燃气射流尾焰中的熔融态三氧化二铝(Al2O3)迅速冷却成为固体粒子，并随流动顺利排出所述处理通道或者所述处理模块；所述处理模块内包含碱性物质，可以在所述处理通道内与燃气射流尾焰中含有的氯化氢(HCl)有害气体中和反应，实现对所述燃气射流尾焰的无害化处理。

此外，由于所述冷却装置对于所述燃气射流尾焰的冷却效率高，因此，在对所述燃气射流尾焰进行处理时，所述冷却装置的体积可以较小，这样不仅可以减少所述冷却装置的耗水量，还可以简化所述冷却装置的加工工艺，极大的降低所述冷却装置的成本。

尽管已描述了本实用新型实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的一种发动机燃气射流尾焰的处理系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。