一种水蒸气发生器燃烧室的设计方法及结构

技术领域

本发明具体涉及一种水蒸气发生器燃烧室的设计方法及结构，适用于以液氧、酒精和冷却水三种介质为燃烧工质的水蒸汽发生器燃烧室，也可用于以其它液体为燃烧工质的燃烧室。

背景技术

在发动机高空模拟试验中，将发动机置于真空试验舱内，在发动机点火过程中为保证试验舱真空度要求，往往采用主动引射方式来实现，目前多采用水蒸汽为动力介质并结合喷射泵引射系统实现发动机燃气的抽吸，水蒸汽环保且抽吸动力足，能够实现大推力发动机高空模拟试验。

目前水蒸汽发生器的燃烧室多以圆柱形为主，在燃烧室外壁焊接多圈集液腔，并在每圈集液腔外壁焊接多个入水口；在每圈集液腔内壁(即燃烧室外壁)加工水喷注孔实现冷却水喷入并参与燃烧。但是，该种结构的燃烧室除集液腔所在区域外，其余壁面为单层结构，缺少冷却水对燃烧室外壁面的冷却，对于大流量燃烧工质的燃烧工况存在烧蚀风险；同时如需加大冷却水流量的喷入，则需增加多层水喷注孔，因此需要增加多圈集液腔的焊接，多圈集液腔的焊接会导致燃烧室外壁面严重变形，同时进水口也会增多，增加了燃烧室的加工难度和冷却水供应系统的复杂程度，导致燃烧室加工周期长且可靠性降低。进水口的增加使得燃烧内冷却水供应风险增加，任一进水口的流量减少或者增多都会影响工质在燃烧室的燃烧，使得燃烧稳定性变差。然而对于大推力发动机高空模拟试验，需要更大流量水蒸汽作为动力介质，大流量水蒸汽发生器燃烧室的设计主要面临两个问题：其一，对于燃烧室壁面要有充分的保护，避免烧蚀，且工作可靠性要求高；其二，需要更大冷却水流量，且要求能够稳定供给，在满足冷却燃烧室壁面条件下充分参与燃烧并能够保持稳定。

综上，现有的水蒸汽发生器燃烧室结构燃烧的稳定性较差，可靠性较低且研制和加工周期长，难以满足大推力发动机高空模拟试验的要求。

发明内容

本发明的目的是解决现有的水蒸汽发生器燃烧室结构燃烧的稳定性较差，可靠性较低且研制和加工周期长，难以满足大推力发动机高空模拟试验要求的技术问题，而提供一种水蒸气发生器燃烧室的设计方法及结构。

本发明的构思是：

在水蒸汽发生器中，将燃烧室作为以燃烧工质化学能转化为热能的场所，设计合理的燃烧室，实现燃烧室内水流量合理分配和优化布置，不仅能够提高燃烧工质的燃烧效率，还能够保证燃烧的稳定性和可靠性。水蒸汽发生器燃烧室的设计方法分为关键尺寸计算和水流量分配计算，其中关键尺寸计算包括：喉部直径计算、燃烧室特征长度计算、燃烧室截面面积计算、燃烧室长度计算以及燃烧室壁厚计算；水流量分配计算主要通过合理地分配水量，保证燃烧室内工质的稳定可靠燃烧。通过规范化、流程化的设计，可设计出合理的水蒸汽器发生器燃烧室，保证燃烧的稳定性和可靠性，从而缩短研制和加工周期。

为解决上述技术问题，实现上述发明构思，本发明所采用的技术方案为：

一种水蒸气发生器燃烧室设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)计算燃烧室的关键尺寸；所述关键尺寸包括燃烧室的喉部截面积、喉部截面直径、燃烧室截面面积、燃烧室特征长度、燃烧室长度以及燃烧室壁厚；

2)计算燃烧室的水流量分配；

2.1、对燃烧室上相邻两层水喷注孔之间的轴向距离赋值，并计算燃烧室每段的水流量；

2.2、核准相邻两层水喷注孔之间的轴向距离；

2.2.1、计算相邻两层水喷注孔之间的轴向距离的有效长度；

2.2.2、如果轴向距离与有效长度的相对误差小于等于2％时，停止迭代，完成水蒸汽发生器燃烧室水流量分配，执行步骤3)；否则返回步骤2.1继续进行迭代，直至轴向距离与有效长度的相对误差小于等于2％；

3)根据步骤2.1中所得的燃烧室每段的水流量，计算掺混水流量和每层水喷注孔的孔数及孔径，完成水蒸气发生器燃烧室设计。

进一步地，步骤1)具体为：

1.1、通过下式计算喉部截面积A

式中：K

1.2、通过下式计算燃烧室特征长度L

L

式中：τ

1.3、通过下式计算燃烧室截面面积A

式中：r

再根据燃烧室截面面积A

1.4、根据燃烧室截面面积A

1.5、通过压力管道壁厚计算公式计算燃烧室壁厚t

式中：P为燃烧室设计压力，单位为MPa；[σ]

进一步地，步骤2)具体为：

2.1、对燃烧室上相邻两层水喷注孔之间的轴向距离L

式中：h为燃烧工质与冷却水的换热系数，单位为W/(m

2.2、核准相邻两层水喷注孔之间的轴向距离L

2.2.1、通过下式计算得到相邻两层水喷注孔之间轴向距离的有效长度L：

式中：η为燃烧室内壁冷却水飞溅系数，无量纲系数；T＝(T

2.2.2、如果轴向距离L

进一步地，步骤3)具体为：

3.1、根据步骤2.1中所得的燃烧室第i段水流量Q

Q

式中：n为水喷注孔的层数；

3.2、根据步骤2.1中所得的燃烧室第i段水流量Q

式中:N为水喷注孔孔数；C

同时，本发明还提供了一种水蒸气发生器燃烧室结构，采用上述一种水蒸气发生器燃烧室设计方法，其特殊之处在于：

所述燃烧室为夹层结构，包括从前至后依次连接的燃烧初期发展区和燃烧主发展区；

所述燃烧初期发展区的外壁上设置有第一进水口，内壁上设置有多层水喷注孔；

所述燃烧主发展区包括从前至后依次连接的掺混段和喉部；燃烧主发展区的外壁上设置有第二进水口，掺混段的侧壁上设置有多层水喷注孔与至少一组喷注棒；所述喷注棒为多个；

所述第一进水口和第二进水口均用于与外部冷却水供应系统连接，且第一进水口将冷却水通过多层水喷注孔引进燃烧初期发展区，在燃烧初期发展区的内壁上形成冷却水膜；第二进水口将冷却水通过多层水喷注孔和喷注棒引进燃烧主发展区，用于在燃烧主发展区中形成冷却水膜，并与燃烧工质在燃烧主发展区内充分掺混。

进一步地，所述掺混段的侧壁上的多层水喷注孔包括沿燃烧室轴向依次设置的第一层斜向孔、第二层斜向孔及第三层斜向孔。

进一步地，所述燃烧主发展区内壁上的多层水喷注孔包括沿燃烧室轴向依次设置的第四层斜向孔、第五层斜向孔、第六层斜向孔及一组喷注棒。

进一步地，所述第一层斜向孔、第二层斜向孔、第三层斜向孔、第四层斜向孔、第五层斜向孔、第六层斜向孔及多个喷注棒的直径均小于等于3mm且大于等于0.6mm，其喷注压降均为0.4-0.6MPa。

进一步地，所述第一层斜向孔与燃烧室的轴线夹角为30°且第一层斜向孔的出口朝向后端；

所述第二层斜向孔、第三层斜向孔、第四层斜向孔与第六层斜向孔与燃烧室的轴线夹角均为45°，且第二层斜向孔、第三层斜向孔、第四层斜向孔与第六层斜向孔的出口均朝向后端；

所述第五层斜向孔为径向孔；

所述多个喷注棒沿燃烧室的周向均匀排布。

进一步地，所述燃烧主发展区外壁与掺混段外壁面设置有夹层肋板；

所述燃烧主发展区外壁与喉部外壁面之间的夹层肋板；

所述喉部内壁面上设置有喉部加强环。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明水蒸气发生器燃烧室的设计方法，依据相应的水流量分配计算模型，可在燃烧室内合理进行多段水流量分配，主次分明，保证燃烧初期发展区的内壁冷却效果和燃烧主发展区的稳定可靠燃烧。

(2)本发明水蒸气发生器燃烧室的设计方法，可提高以燃烧工质为介质燃烧室的设计成功率，大大缩短研制和加工周期。

(3)本发明水蒸气发生器燃烧室结构中的燃烧室为夹层结构，夹层可作为多层水喷注孔的公共集液腔，只需在燃烧室的外壁上设置两个进口即可，在燃烧室的内壁上设置多层水喷注孔，减少在燃烧室的侧壁上设置多个环形集液腔，进而简化水流量接口；同时夹层内的冷却水对燃烧室内壁起到一定的冷却效果。

(4)本发明水蒸气发生器燃烧室结构，通过设计斜向和径向的水喷注孔型式，可分段将冷却水流量喷入燃烧室，结构简单，雾化效果好，可保证蒸汽品质，满足使用要求。

附图说明

图1为本发明水蒸气发生器燃烧室结构实施例中燃烧室的结构示意图；

图2为本发明水蒸气发生器燃烧室结构实施例中燃烧初期发展区多层水喷注孔的结构示意图；

图3为本发明水蒸气发生器燃烧室结构实施例中燃烧主发展区多层水喷注孔的结构示意图；

图4为本发明水蒸气发生器燃烧室结构实施例中喷注棒结构示意图。

图5为图4的A向视图。

附图标记为：

1-燃烧室，2-燃烧初期发展区，21-第一进水口，22-第一层斜向孔，23-第二层斜向孔，24-第三层斜向孔，3-燃烧主发展区，31-第二进水口，32-第四层斜向孔，33-第五层斜向孔，34-第六层斜向孔，35-喷注棒，4-夹层肋板，5-喉部，51-喉部加强环。

具体实施方式

一种水蒸气发生器燃烧室设计方法，包括以下步骤：

1)计算燃烧室1的关键尺寸；关键尺寸包括燃烧室1的喉部截面积、喉部截面直径、燃烧室截面面积、燃烧室特征长度、燃烧室长度以及燃烧室1壁厚；

1.1、通过下式计算喉部截面积，再根据喉部截面积计算喉部截面直径：

式中：K

γ为燃烧工质的比热比，本实施例中，燃烧工质为液氧和酒精，取1.29；

R

Q为水蒸汽流量，单位为kg/s；P

T

q(λ)为流量函数，取1；

A

由(2)式可得喉部截面积A

1.2、通过下式计算燃烧室特征长度L

L

式中：τ

β为水蒸汽综合参数。

其中，水蒸汽综合参数β与特征速度c

1.3、通过下式计算燃烧室截面面积A

式中：r

由(5)式可得到燃烧室截面面积A

1.4、根据燃烧室1收缩比ε

可得：

1.5、通过压力管道壁厚计算公式计算燃烧室1壁厚：

式中：P为燃烧室设计压力，单位为MPa，本实施例中取为2.5MPa，大于水蒸汽设计压力P

[σ]

Φ为燃烧室1的焊缝系数，取0.9；

W为燃烧室1的焊缝接头强度降低系数，取1.0；

Y为温度对燃烧室1壁厚的修正系数，在600℃时，取0.5；

2)计算燃烧室1的水流量分配；

对于燃烧室1水流量的分配，基于两个原则：其一是在燃烧室长度方向均有水流量参与燃烧工质燃烧，实现燃烧室1内壁的冷却保护；其二是主次分明，在燃烧初期发展区2主要是实现燃烧室1内壁的冷却保护，在燃烧主发展区3实现冷却水的充分掺混。

为实现上述两个原则，通常做法是在燃烧室1内壁设置多层水喷注孔，实现燃烧室1内壁冷却水与燃气的掺混。在燃烧初期发展区2，冷却水经第一进水口21和多层水喷注孔引入，在水蒸汽压力的作用下，冷却水会压向燃烧室1内壁形成液膜，起到冷却燃烧室1内壁面的作用；第二进水口31、多层水喷注孔和喷注棒35引入的水将覆盖燃烧主发展区3内壁，以此类推；在燃烧主发展区3，冷却水通过各个方向进入燃烧室1与燃气充分掺混。

2.1、对燃烧室1上相邻两层水喷注孔之间的轴向距离L

式中：h为燃烧工质与冷却水的换热系数，单位为W/(m

为燃烧室1的近壁层总温，单位为℃；

T

T

c

Q为冷却水的汽化潜热，单位为J/kg；

2.2、核准相邻两层水喷注孔之间的轴向距离L

2.2.1、通过下式计算得到相邻两层水喷注孔之间轴向距离的有效长度L：

式中：η为燃烧室1内壁冷却水飞溅系数，无量纲系数；

T＝(T

Q

2.2.2、如果轴向距离L

3)根据步骤2.1中所得的燃烧室1每段的水流量，计算掺混水流量、每层水喷注孔的孔数及孔径，完成水蒸气发生器燃烧室设计；

3.1、根据步骤2.1中所得的燃烧室1第i段水流量Q

Q

式中：n为水喷注孔的层数；

3.2、根据步骤2.1中所得的燃烧室1第i段水流量Q

式中:N为水喷注孔孔数；C

需要注意的是整个冷却水流量分配的计算过程为迭代过程，直至水喷注孔的孔径和数量满足使用要求即可。

本发明水蒸气发生器燃烧室结构的设计方法可用于以液氧、酒精、软化水为燃烧工质的水蒸汽发生器装置燃烧室1的设计，也可用于以其它液体为燃烧工质的发生器装置燃烧室1设计。燃烧室1是燃烧工质完成由化学能转变为热能的重要场所，设计合理的燃烧室1，不仅能够提高燃烧工质的燃烧效率，还能够保证燃烧的稳定性和可靠性。

采用本发明的设计方法，已经成功设计完成了110kg级燃烧室身部设计设计，该身部为两段式、整体为夹层式结构，根据水流量分配模型共分为10层水喷注孔，1组喷注棒35。该110kg身部已经按照设计图纸加工完成，并圆满完成了热验证调试，将应用于后续大推力发动机高空模拟引射建设中。

如图1所示，本发明还提供了一种水蒸气发生器燃烧室结构，采用上述的一种水蒸气发生器燃烧室的设计方法。

燃烧室1为圆筒型夹层结构，为两段式结构，包括从前至后依次连接的燃烧初期发展区2和燃烧主发展区3；其中夹层作为冷却水的集液腔，集液腔中的冷却水可以起到冷却燃烧室1内壁面的作用。燃烧初期发展区2的夹层外壁上设置有第一进水口21，内壁上设置有多层水喷注孔；燃烧主发展区3包括从前至后依次连接的掺混段和喉部5，掺混段的侧壁上设置有第二进水口31，内壁上设置有多层水喷注孔与一组喷注棒35，一组喷注棒35为多个。第一进水口21和第二进水口31均用于与外部冷却水供应系统连接，且第一进水口21将冷却水引入燃烧初期发展区2的集液腔内，进而通过燃烧初期发展区2内壁上各层水喷注孔进入燃烧室1燃烧初期发展区2内腔，进入的水会与燃气混合，同时在水蒸汽压力的作用下，会被压向燃烧室1内壁方向，在燃烧室1内壁面形成冷却水膜，起到保护燃烧室1内壁面的作用；第二进水口31将冷却水引入燃烧主发展区3的集液腔内，使得集液腔内的冷却水通过水喷注孔、喷水棒与燃气在燃烧主发展区3内充分掺混，水喷注孔喷出的水与燃气混合的同时，同时也起到冷却燃烧室1内避面的作用，原理同上；喷注棒35内的水由多个方向喷出，主要与燃烧室1内燃气充分掺混。

燃烧主发展区3外壁与掺混段外壁面之间焊接有夹层肋板4、燃烧主发展区3外壁与喉部5外壁面之间焊接有夹层肋板4，保证了燃烧主发展区3夹层的间距，并加强结构强度；喉部5内壁面上设置有喉部加强环51。

如图2所示，燃烧初期发展区2内壁上的多层水喷注孔包括沿燃烧室1轴向依次设置的第一层斜向孔22、第二层斜向孔23及第三层斜向孔24。如图3、图4、图5所示，掺混段侧壁上的多层水喷注孔包括沿燃烧室1轴向依次设置的第四层斜向孔32、第五层斜向孔33、第六层斜向孔34及多个喷注棒35。喷注棒35的端面和侧面均设置有水喷注孔。

本实施例中，第一层斜向孔22与燃烧室1的轴线夹角为30°，可以在水蒸汽压力作用下更好地形成冷却水膜，且第一层斜向孔22的出口朝向后端；第二层斜向孔23、第三层斜向孔24、第四层斜向孔32与第六层斜向孔34与燃烧室1的轴线夹角均为45°，且第二层斜向孔23、第三层斜向孔24、第四层斜向孔32与第六层斜向孔34的出口均朝向后端；第五层斜向孔33为径向孔；多个喷注棒35沿燃烧室1的周向均匀排布，共8根。

第一层斜向孔22、第二层斜向孔23、第三层斜向孔24、第四层斜向孔32、第五层斜向孔33、第六层斜向孔34及多个喷注棒35的喷注压降均为0.6MPa，直径小于等于3mm且大于等于0.6mm，如果水喷注孔直径过小，＜0.6mm会增加加工难度，且成品率不高；水喷注孔直径过大，喷出的水不均匀且雾化效果不太好，且影响燃烧效果。本实施例中，110kg/s燃烧室1项目设计中选择水喷注孔直径不大于等于3mm即可满足要求，如果燃烧室1流量再增大，也可以考虑将水喷注孔直径设置为大于等于3mm。

本发明燃烧室1的结构采用两段式、整体夹层构造，两段结构通过法兰进行连接，分别设置两处进水口，进口配备标准法兰即可实现与冷却水供应系统的对接。夹层结构作为多层水喷注孔的公共集液腔，实现对冷却水流量的统一供给，减少供水接口，简单可靠。

根据上述计算模型，当确定布置的相邻水喷注孔层数的间距L

本实施例中，整个燃烧室1共分为6层水喷注孔，其中第1层为斜向水喷注孔，斜向角度为30°，共90个水喷注孔；第2、3、4、6层均为斜向式水喷注孔，斜向角度为45°，每层共90个孔，第5层为径向孔，共90个孔，第7层在主要掺混区，设置为喷注棒35形式，共8根，每根喷水棒侧面共60个水喷注孔，端面共5个水喷注孔。