一种高承压均流掺混的集合器和燃烧装置

技术领域

本发明涉及一种高承压均流掺混的集合器和燃烧装置，可用于航空航天、热能工程等领域。

背景技术

燃气发生器广泛用在燃气发生器循环和分级燃烧循环液体火箭发动机中，主要功能为将进入燃气发生器的推进剂按照设计的混合比均匀掺混、可靠燃烧，将推进剂的化学能转化为热能，推进剂燃烧产生的高温燃气驱动涡轮泵转子转动，使推进剂源源不断进入燃气发生器和推力室，实现推进剂化学能到机械能的转换，确保液体火箭发动机可靠稳定工作。

现阶段燃气发生器推进剂流量较小，通常在外侧设计布置与燃料腔高度相当的集合器，随着液体火箭发动机推力的逐渐增大，燃气发生器内压力和流量也将逐步增加。这将导致燃气发生器推进剂进口管道直径增加，从而导致燃气发生器的集合器结构设计存在新的挑战；燃气发生器内压力的提高要求壳体结构具备足够的承压能力，按照常规的设计方式，壳体的壁厚会显著增加，这将导致燃气发生器的重量超重；燃气发生器内流量的提高可能导致推进剂流动掺混不够均匀，间接影响到推进剂的雾化和燃烧过程，可能造成燃烧效率低、燃气温度不足等工作隐患。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高承压均流掺混的集合器和燃烧装置，能够提高液体火箭发动机流体通道中流场均匀性，具备较高的承压能力，同时具备产品结构紧凑、空间结构好布局的特点。

本发明解决技术的方案是：一种高承压均流掺混的集合器，该集合器包括壳体和入口法兰；壳体为酒桶形结构，入口法兰位于壳体的侧面，入口法兰的中心轴线与壳体酒桶形结构的中心轴线垂直，入口法兰到集合器壳体过渡段设计为大圆角渐变式的变径结构。

优选地，所述大圆角渐变式的变径结构包括三段，第一段为圆柱型壳体，第二段为开度为40°～60°的圆台型开口过渡段，第三段为椭圆弧旋转而成的桶状结构壳体。

优选地，所述第三段的椭圆弧母线曲线方程为：

其中，(x,y)为椭圆弧上的点在平面直角坐标系下的坐标，(x

优选地，所述入口法兰与壳体均设置轴向和周向的加强筋结构，并在加强筋过渡位置设置圆角过渡边。

优选地，所述圆角过渡边位于加强筋与壳体、加强筋与入口法兰之间过渡位置。

优选地，所述轴向的加强筋每隔120度至少布置一根，整个集合器布置3～9根轴向加强筋。

优选地，所述入口法兰、壳体、加强筋的材料为同种金属材料，选用高温合金、高强度钢或不锈钢材料。

优选地，所述壳体和入口法兰一体化加工生产，采用增材制造的工艺加工而成。

优选地，法兰端面与壳体中轴线的距离不超过200mm。

本发明的另一个技术方案是：一种运载火箭发动机燃烧装置，包括集合器和燃气发生器，推进剂流体从入口法兰进入集合器壳体内部腔体，流经燃气发生器的均流孔后进入燃气发生器喷嘴，在燃气发生器内进行雾化、掺混及燃烧。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明集合器壳体采用一种酒桶形结构，减少了推进剂腔体容积，降低了入口法兰方向的长度，便于发动机的结构布置；

(2)、本发明将入口法兰设计为采用大圆角渐变式变径结构，大幅提高了集合器内部流场的流动均匀性；

(3)、本发明入口法兰与集合器身部位置均设置轴向和周向方向的加强筋结构，并在加强筋过渡位置采用大圆角过渡边，大幅提高了产品的承压性能；

(4)、入口法兰与集合器壳体作为整体加工生产，充分发挥增材制造的加工工艺优势；

(5)、本发明可推广至其他具有改善流体均匀性、提高产品承压性能需求的研究工作中，此外，本发明技术成果还可以推广应用于石油化工、炼油等民用多种领域，有较好的借鉴推广作用。

附图说明

图1为本发明实施例集合器外形结构图；

图2(a)为本发明实施例安装了集合器的燃气发生器剖视图；

图2(b)为本发明实施例集合器壳体的截面图；

图2(c)为本发明实施例带法兰入口的截面图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种高承压均流掺混的集合器，高承压均流掺混的集合器结构主要应用在燃气发生器等燃烧装置中。该集合器包括壳体3和入口法兰；为了方便发动机开展结构布置，壳体3为酒桶形结构，减少了推进剂腔体容积，降低了入口法兰方向的长度，便于发动机的结构布置。入口法兰位于壳体3的侧面，入口法兰的中心轴线与壳体3酒桶形结构的中心轴线垂直，入口法兰到集合器壳体过渡段设计为大圆角渐变式的变径结构，大幅提高了集合器内部流场的流动均匀性。集合器内部燃烧器采用多排均流孔的结构设计，进一步加强了集合器内流体流动的均匀性。

优选地，所述大圆角渐变式的变径结构包括三段，第一段为圆柱型壳体，第二段为开度为40°～60°的圆台型开口过渡段，第三段为椭圆弧旋转而成的桶状结构壳体。

优选地，所述第三段的椭圆弧母线曲线方程为：

(x,y)为椭圆弧上的点在平面直角坐标系下的坐标，(x

为了提高产品的承压性能，所述入口法兰与壳体3均设置轴向和周向的加强筋结构，并在加强筋过渡位置设置圆角过渡边。

优选地，所述圆角过渡边位于加强筋与壳体、加强筋与入口法兰之间过渡位置，该结构的存在，能够有效避免局部应力集中，提高整体产品结构强度及承压性能。

优选地，所述轴向的加强筋每隔120度至少布置一根，整个集合器布置3～9根轴向加强筋。

优选地，所述入口法兰、壳体、加强筋的材料为同种金属材料，选用高温合金、高强度钢或不锈钢材料。

优选地，该集合器为了提高内部流场的流动均匀性，所述壳体和入口法兰一体化加工生产，采用增材制造的工艺加工而成。

入口法兰端面的大小可调，可根据需要自由调整法兰内径及螺栓孔数量，由于采用了增材制造方案，法兰端面与壳体3中轴线的距离较短，相比与传统机加后焊接方案，该制造方案生产的产品结构更为紧凑，便于总装结构布局；。本发明可以应用到运载火箭发动机燃烧装置中，所述燃烧装置包括集合器和燃气发生器，如图2所示，集合器壳体与燃气发生器的顶盖2焊接在一起，壳体内安装燃气发生器的一底4、二底5、身部6，各零件通过电子束焊或连接而成。工作过程中，推进剂流体从集合器的大圆角渐变式入口法兰进入集合器壳体内部腔体，流经燃气发生器的一底4、二底5均流孔后进入燃气发生器喷嘴，在燃气发生器内进行雾化、掺混及燃烧，最后从身部6底下输出。进入集合器内部的推进剂会流经多排均流孔后进入喷嘴，进一步提高了流体流动的均匀性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。