[发明专利]一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法

说明书

本发明提供一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法，主要解决现有点火装置存在点火能量相对较小，不能够满足全流量补燃火箭发动机等大流量、高压力热力系统对点火启动的需求等技术问题。该装置包括依次连接的头部、身部和燃气导管；所述头部内沿气体流动方向依次设置气氧入口和同轴喷嘴且气氧入口与同轴喷嘴中心同轴，头部侧壁沿气体流动方向依次设置喷嘴甲烷入口和至少一个点火器；所述身部包括内壁、外壁和补燃甲烷入口；内壁和外壁之间设置补燃甲烷集气腔，补燃甲烷入口设置在外壁上；所述燃气导管包括喉部以及喉部上游的收敛段和喉部下游的微扩段。该方法包括：1)形成中心流体；2)形成燃烧气体；3)掺混燃烧；4)充分燃烧。

技术领域

本发明涉及一种火炬点火装置，具体涉及一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法。

背景技术

全流量补燃循环液氧甲烷发动机是一种大流量、低成本、可重复使用的高性能动力系统，是当今航天动力系统研究的最前沿。该动力系统由推力室、富氧发生器、富燃发生器等多个核心热力组件构成，复杂的热力系统从点火能量、启动可靠性、工作时间、启动压力适应性、重复使用性、多热力组件通用性等多个角度对点火装置提出了全方位、多维度的苛刻要求。

现有类型的气氧气甲烷火炬点火装置多采用撞击式燃烧组织方案，冷却方式多为排放冷却，燃气导管内流动状态多为亚音速流动，流量范围多为0～60g/s之间，工作压力为0～1MPa之间，燃气导管内的流动温度多在1600K以下，二次掺混燃烧位置多在导管出口，点火能量相对较小，均不能够满足全流量补燃火箭发动机等大流量、高压力热力系统对点火启动的需求。因此，研究一种大流量、高压、可重复使用的高能点火装置是十分必要的，但是大流量的气氧气甲烷为了更充分的燃烧以提供更高的点火能量就需要更优化的燃烧组织方式，而优化的燃烧组织方式也会导致点火装置内壁的温度过高；工作压力的升高会使点火装置中心流场的热流密度线性升高，点火装置器壁温度升高；而点火装置的器壁温度过高会影响点火装置的的稳定性和点火的可靠性，因而需要对点火装置的器壁温度进行控制，同时，点火装置的可重复使用也要求对点火装置进行温度控制。

综上所述，提供一种大流量、高压、可重复使用的点火装置主要面临的问题是燃烧组织方式的优化和点火装置内壁温度的控制。

发明内容

本发明目的在于针对目前点火装置存在点火能量相对较小，不能够满足全流量补燃火箭发动机等大流量、高压力热力系统对点火启动的需求，而大流量、高压、可重复使用的点火装置因燃烧组织方式优化而导致点火装置内壁温度过高的技术问题，而提供一种气氧气甲烷火炬点火装置及其火炬生成方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种气氧气甲烷火炬点火装置，包括依次连接的头部、身部和燃气导管；

所述头部内沿气体流动方向依次设置气氧入口和同轴喷嘴，且气氧入口与同轴喷嘴中心同轴，头部侧壁沿气体流动方向依次设置喷嘴甲烷入口和至少一个点火器，所述同轴喷嘴包括同轴设置的内喷嘴和外喷嘴，所述内喷嘴与气氧入口相通，所述外喷嘴与喷嘴甲烷入口相通；

所述所述气体流动方向是指火炬点火装置中氧气和甲烷气体从通入点火装置到从燃气导管排出的气体流向；所述同轴喷嘴用于初步组织甲烷与氧气的掺混燃烧；

所述身部包括内壁、外壁和补燃甲烷入口；

所述内壁和头部共同围成燃烧室；所述内壁和外壁之间设置的环形空腔构成补燃甲烷集气腔，所述补燃甲烷入口设置在外壁上且与补燃甲烷集气腔相通，所述内壁上设置有将燃烧室与补燃甲烷集气腔相通的多排补燃气孔；补燃甲烷入口、补燃甲烷集气腔与补燃气孔形成补燃气通路，向燃烧室补充燃气的同时在燃烧室内壁形成富燃燃气保护膜；

所述同轴喷嘴及点火器的出口均与燃烧室相通，且点火器中轴线与同轴喷嘴的中轴线相交，出口朝向燃烧室；