一种水蒸气发生器燃烧室的设计方法及结构技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种水蒸气发生器燃烧室的设计方法及结构


[0001]本专利技术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
。

技术介绍

[0002]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
。
[0003]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
。
[0004]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
。

技术实现思路

[0005]本专利技术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
。
[0006]本专利技术的构思是：
[0007]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
。
[0008]为解决上述技术问题，实现上述专利技术构思，本专利技术所采用的技术方案为：
[0009]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：
[0010]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；
[0011]2)
计算燃烧室的水流量分配；
[0012]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；
[0013]2.2、
核准相邻两层水喷注孔之间的轴向距离；
[0014]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；
[0015]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％；
[0016]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
。
[0017]进一步地，步骤
1)
具体为：
[0018]1.1、
通过下式计算喉部截面积
A
t
，再根据喉部截面积
A
t
计算喉部直径
d
；
[0019][0020][0021]式中：
K
m
为气动函数，无量纲数；
γ
为燃烧工质的比热比；
R
g
为燃烧工质的气体常数；
Q
为水蒸汽流量，单位为
kg/s
；
P
c
为水蒸汽设计压力，单位为
MPa
；
T
c
为水蒸汽设计温度
,
单位为
K
；
q(
λ
)
为流量函数；
[0022]1.2、
通过下式计算燃烧室特征长度
L
*
：
[0023]L
*
＝
τ
rg
·
β
/2.38
[0024]式中：
τ
rg
为水蒸汽停留时间，单位为
s
；
β
为水蒸汽综合参数；
[0025]1.3、
通过下式计算燃烧室截面面积
A
c
：
[0026][0027]式中：
r
s
为燃烧工质的混合流量密度，单位为
kg/(m2·
s)
；
[0028]再根据燃烧室截面面积
A
c
,
求得燃烧室截面直径
D0；
[0029]1.4、
根据燃烧室截面面积
A
c
与喉部截面积
A
t
之比
、
燃烧室特征长度
L
*
，通过下式计算燃烧室长度
L
c
：
[0030][0031]1.5、
通过压力管道壁厚计算公式计算燃烧室壁厚
t
s
：
[0032][0033]式中：
P
为燃烧室设计压力，单位为
MPa
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水蒸气发生器燃烧室设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)
计算燃烧室
(1)
的关键尺寸；所述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壁厚；
2)
计算燃烧室
(1)
的水流量分配；
2.1、
对燃烧室
(1)
上相邻两层水喷注孔之间的轴向距离赋值，并计算燃烧室
(1)
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
(1)
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
。2.
根据权利要求1所述的一种水蒸气发生器燃烧室设计方法，其特征在于，步骤
1)
具体为：
1.1、
通过下式计算喉部截面积
A
t
，再根据喉部截面积
A
t
计算喉部截面直径
d
；；式中：
K
m
为气动函数，无量纲数；
γ
为燃烧工质的比热比；
R
g
为燃烧工质的气体常数；
Q
为水蒸汽流量，单位为
kg/s
；
P
c
为水蒸汽设计压力，单位为
MPa
；
T
c
为水蒸汽设计温度
,
单位为
K
；
q(
λ
)
为流量函数；
1.2、
通过下式计算燃烧室特征长度
L
*
：
L
*
＝
τ
rg
·
β
/2.38
式中：
τ
rg
为水蒸汽停留时间，单位为
s
；
β
为水蒸汽综合参数；
1.3、
通过下式计算燃烧室截面面积
A
c
：式中：
r
s
为燃烧工质的混合流量密度，单位为
kg/(m2·
s)
；再根据燃烧室截面面积
A
c
,
求得燃烧室截面直径
D0；
1.4、
根据燃烧室截面面积
A
c
与喉部截面积
A
t
之比
、
燃烧室特征长度
L
*
，通过下式计算燃烧室长度
L
c
：
1.5、
通过压力管道壁厚计算公式计算燃烧室壁厚
t
s
：
式中：
P
为燃烧室设计压力，单位为
MPa
；
[
σ
]
t
为燃烧室材料的许用应力，单位为
MPa
；
Φ
为燃烧室
(1)
的焊缝系数；
W
为燃烧室
(1)
的焊缝接头强度降低系数；
Y
为温度对燃烧室壁厚的修正系数
。3.
根据权利要求2所述的一种水蒸气发生器燃烧室设计方法，其特征在于，步骤
2)
具体为：
2.1、
对燃烧室
(1)
上相邻两层水喷注孔之间的轴向距离
L
i
赋值，并通过下式计算燃烧室
(1)
第
i
段的水流量
Q
i
：式中：
h
为燃烧工质与冷却水的换热系数，单位为
W/(m2·
K)
；为燃烧室
(1)
的近壁层总温，单位为
℃
；
T
h
为冷却水初始温度，单位为
℃
；
T
s
为冷却水初始沸点，单位为
℃
；
c
p
为冷却水定压比热容，单位为
J/(kg
·
K)
；
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
i
；
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
h
+T
s
)/2
，为冷却水的平均温度，单位为
K
；
Q
s
为冷却水蒸发焓，
Q
s
＝
c
p
(T
s
‑
T
h
)+Q
，单位为
J/kg
；
2.2.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇，冷海峰，李广会，李民民，王岳，石德永，马庆华，白宇，混平，李仕帅，宋家豪，廖云鹏，李冠儒，黄鹏辉，曹红伟，余佳利，
申请(专利权)人：西安航天动力试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：