一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器的制作方法

1.本发明涉及点火装置技术领域，尤其涉及一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器。


背景技术：

2.关于火炬点火器，从液氧甲烷和氢氧发动机点火技术的研制经验来看，甲烷相比其它低温推进剂点火较难，点火延迟时间较长、点火能量要求较高。有限空间内的剧烈燃烧，会将火炬点火器内壁加热到较高的温度，存在点火器内壁易烧蚀、热防护性能差等问题。


技术实现要素：

3.本技术提供一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，解决了相关技术中点火器内剧烈燃烧引起易烧蚀、热防护性能差的技术问题。
4.本技术提供一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，包括点火管、甲烷外壳和再生冷却组件，点火管内设置有点火室，点火管设有甲烷喷嘴，甲烷外壳外设于点火管，甲烷外壳开设有液甲烷进口，甲烷外壳与点火管围合形成甲烷腔，液甲烷进口与甲烷腔连通，甲烷腔通过甲烷喷嘴与点火室导通，再生冷却组件设置于甲烷腔内，再生冷却组件开设在点火管的外周壁处，再生冷却组件形成有再生冷却槽道，再生冷却组件与甲烷喷嘴间隔设置。
5.可选地，再生冷却组件沿点火管的周向布置，再生冷却槽道沿点火管的轴向设置。
6.可选地，再生冷却组件呈再生冷却肋条或再生冷却翅片设置，再生冷却肋条或再生冷却翅片沿点火管的轴向设置，多个再生冷却肋条或再生冷却翅片沿点火管的周向间隔布置，相邻两个再生冷却肋条或再生冷却翅片围合形成再生冷却槽道。
7.可选地，再生冷却槽道呈直线型或螺旋型设置，再生冷却槽道的横截面呈矩形、三角形或梯形设置。
8.可选地，再生冷却组件包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件间隔布置于点火管的外周壁处，第一组件、第二组件和点火管围合形成第一环带，甲烷喷嘴设于点火管中相对第一环带的区域。
9.可选地，再生冷却组件还包括第三组件，第一组件、第二组件、第三组件依次间隔布置，第二组件、第三组件和点火管围合形成第二环带，第二环带设于液甲烷进口和第一环带之间。
10.可选地，点火管于相对第二环带的区域开设有至少一排甲烷切向孔，每排甲烷切向孔包括至少两个甲烷切向孔沿点火管的周向间隔布置，甲烷切向孔沿点火管的内缘切向设置，以在点火管的内壁形成旋转液膜。
11.可选地，点火管还设有氧喷嘴，再生冷却液氧甲烷火炬点火器还包括：
12.氧外壳，氧外壳外设于点火管，氧外壳开设有液氧进口，氧外壳与点火管围合形成氧腔，液氧进口与氧腔连通，氧腔通过氧喷嘴与点火室导通。
13.可选地，再生冷却液氧甲烷火炬点火器还包括火花塞和下游燃烧装置，火花塞和
下游燃烧装置分别螺纹安装于点火管的两端。
14.可选地，点火管设有沿周向间隔均匀分布的n个氧喷嘴，n为不小于2的正整数，氧喷嘴的轴线与点火管的轴线的夹角呈锐角设置，n个氧喷嘴的轴线与点火管的轴线相交于第一点；
15.点火管设有沿周向间隔均匀分布的m个甲烷喷嘴，m为不小于2的正整数，甲烷喷嘴的轴线与点火管的轴线的夹角呈锐角设置，m个甲烷喷嘴与点火管的轴线相交于第二点；
16.火花塞的火花塞杆端面与第一点相隔第一距离，第一点与第二点相隔第二距离，氧喷嘴轴线与火花塞轴线形成第一夹角，甲烷喷嘴与火花塞轴线形成第二夹角。
17.本技术有益效果如下：本技术提供一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，涉及到液甲烷推进剂，也能扩展到其它非自燃推进剂，具体在点火管外增设再生冷却组件，再生冷却组件设置于甲烷外壳与点火管形成的甲烷腔中，且限定再生冷却组件的外周壁处，当工作时液甲烷从甲烷外壳的液甲烷进口流进，经甲烷腔和再生冷却组件的再生冷却槽道通过甲烷喷嘴进入点火管的点火室；在这个过程中，壁面与液甲烷发生对流换热，一方面高温点火管壁面被冷却，另一方面液体燃料以较高的温度进入点火室，实现了能量的再生，本方案改善了火炬点火器的易烧蚀、热防护难的问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
19.图1为本技术提供的一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器的截面示意图；
20.图2为本技术提供的一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器的点火管示意图。
21.附图标注：100-点火管，110-点火室，120-甲烷喷嘴，130-氧喷嘴，200-甲烷外壳，210-液甲烷进口，220-甲烷腔，300-再生冷却组件，310-再生冷却槽道，320-第一组件，330-第一环带，340-第二组件，350-第二环带，360-第三组件，400-氧外壳，410-液氧进口，420-氧腔，500-火花塞，a-第一距离，b-第二距离，c-第一夹角，d-第二夹角。
具体实施方式
22.本技术实施例通过提供一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，解决了相关技术中点火器内剧烈燃烧引起易烧蚀、热防护性能差的技术问题。
23.本技术实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
24.一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，包括点火管、甲烷外壳和再生冷却组件，点火管内设置有点火室，点火管设有甲烷喷嘴，甲烷外壳外设于点火管，甲烷外壳开设有液甲烷进口，甲烷外壳与点火管围合形成甲烷腔，液甲烷进口与甲烷腔连通，甲烷腔通过甲烷喷嘴与点火室导通，再生冷却组件设置于甲烷腔内，再生冷却组件开设在点火管的外周壁处，再生冷却组件形成有再生冷却槽道，再生冷却组件与甲烷喷嘴间隔设置。
25.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
26.请参照图1，本实施例公开一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，包括点火管100、火
花塞500、向点火管100内的点火室110输入液甲烷的路径以及输入液氧的路径。需要指出的是，本实施例方案不仅适用于液甲烷，还可推展应用于其它一些非自燃推进剂，以非自燃推进剂火炬点火器形式呈现。以下全部按照液甲烷的具体形式进行说明。
27.如图1所示，点火管100内设有点火室110，点火室110一端安装有火花塞500(图1标号500还可以理解为火花塞杆)，在点火室110另一端安装下游燃烧装置，下游燃烧装置例如燃气发生器或推力室。火花塞500可采用激光或电火花塞500，以点燃进入点火室110的推进剂，产生一个稳定的高温燃气流来引燃下游燃烧装置。在一种可实施方案中，火花塞500、下游燃烧装置分别螺纹安装于点火管100；下游燃烧装置也可采用法兰连接在点火管100。采用在火花塞杆与点火管100螺纹连接，点火器整体通过螺纹或法兰与下游燃烧装置连接的方案，便于对点火器或火花塞500故障进行检测维修。
28.关于向点火管100内的点火室110输入液甲烷的路径，如图1所示，再生冷却液氧甲烷火炬点火器还包括甲烷外壳200，甲烷外壳200外设于点火管100，甲烷外壳200与点火管100围合形成甲烷腔220，甲烷外壳200开设有液甲烷进口210，液甲烷进口210与甲烷腔220连通；点火管100设有甲烷喷嘴120，甲烷腔220通过甲烷喷嘴120与点火室110导通。液甲烷从液甲烷进口210进入甲烷腔220，再通过甲烷喷嘴120进入点火室110。
29.关于向点火管100内的点火室110输入液氧的路径，再生冷却液氧甲烷火炬点火器还包括氧外壳400，氧外壳400外设于点火管100，氧外壳400与点火管100围合形成氧腔420，氧外壳400开设有液氧进口410，液氧进口410与氧腔420连通；点火管100还设有氧喷嘴130，氧腔420通过氧喷嘴130与点火室110导通。液氧从液氧进口410进入氧腔420，再通过氧喷嘴130进入点火室110。
30.关于甲烷腔220和氧腔420，还可以描述为，甲烷外壳200与点火管100下部围合形成甲烷腔220，氧外壳400与点火管100上部围合形成氧腔420。
31.本实施例的再生冷却液氧甲烷火炬点火器还在甲烷腔220内设置有再生冷却组件300。具体地，请参照图1，再生冷却组件300设置于甲烷腔220内，再生冷却组件300开设在点火管100的外周壁处，再生冷却组件300形成有再生冷却槽道310，再生冷却组件300与甲烷喷嘴120间隔设置。
32.当工作时液甲烷从甲烷外壳200的液甲烷进口210流进，经甲烷腔220和再生冷却组件300的的再生冷却槽道310通过甲烷喷嘴120进入点火管100的点火室110；在这个过程中，再生冷却组件300的壁面与液甲烷发生对流换热，一方面使得高温点火管100壁面能够被液甲烷冷却，另一方面液体燃料以较高的温度进入点火室110，实现了能量的再生。综上所述，本方案改善了火炬点火器有限空间内的剧烈燃烧而存在的烧蚀、热防护难题。
33.可选地，图2展示的第一组件320、第二组件340、第三组件360属于再生冷却组件300的具体设置，如图2所示，再生冷却组件300沿点火管100的周向布置，再生冷却槽道310沿点火管100的轴向设置。通过周向360
°
布置，有利于提高换热效果。
34.需要理解的是，本处限定再生冷却槽道310沿点火管100的轴向设置，应作广义理解，指的是再生冷却槽道310大体沿点火管100轴向设置，而不必限定为百分百按照轴向笔直设置。比如，为了增强传热效果，可以将再生冷却槽道310设置成螺旋型，可提高液体燃料的流速。一种可实施方案中，再生冷却槽道310呈直线型设置。在其他方面，还可以在再生冷却槽道310的数量、型面、螺距、高宽比等进行设计，具体可利用试验或数值仿真进行优化。
一种可实施方案中，再生冷却槽道310的横截面呈矩形、三角形或梯形设置。
35.可选地，如图1和图2所示，可将再生冷却组件300进一步限定为肋条或翅片的具体形式。当再生冷却组件300呈再生冷却肋条设置时，再生冷却肋条沿点火管100的轴向设置，多个再生冷却肋条沿点火管100的周向间隔布置，相邻两个再生冷却肋条围合形成再生冷却槽道310；当再生冷却组件300呈再生冷却翅片设置，再生冷却翅片沿点火管100的轴向设置，多个再生冷却翅片沿点火管100的周向间隔布置，相邻两个再生冷却翅片围合形成再生冷却槽道310。上述方案在液甲烷流经时还起到了均流的作用。
36.基于点火管100设有甲烷喷嘴120，对再生冷却组件300进一步设置。可选地，如图1和图2所示，再生冷却组件300包括第一组件320和第二组件340，第一组件320和第二组件340间隔布置于点火管100的外周壁处，第一组件320、第二组件340和点火管100围合形成第一环带330，甲烷喷嘴120设于点火管100中相对第一环带330的区域。经液甲烷进口210进入的液甲烷，依次经第二组件340、第一环带330从甲烷喷嘴120进入点火室110；在这个过程中液甲烷从第二组件340进入第一环带330，第一环带330的设置改善了如果直接在再生冷却槽道310底部开设甲烷喷嘴120，低压力下甲烷将不能顺利流入点火室110的缺陷，另一方面还提高了对流、传热效果。
37.可选地，如图1和图2所示，再生冷却组件300还包括第三组件360，第一组件320、第二组件340、第三组件360依次间隔布置，第二组件340、第三组件360和点火管100围合形成第二环带350，第二环带350设于液甲烷进口210和第一环带330之间。液甲烷经第三组件360进入第二环带350的空旷区域(相较于再生冷却组件300而言)，第二环带350的液甲烷再经第二组件340，本方案通过增设第三组件360形成第二环带350，具有均流的有益效果，有利于液甲烷从甲烷喷嘴120进入点火室110。
38.可选地，点火管100于相对第二环带350的区域开设有至少一排甲烷切向孔(图2中未示意)，每排甲烷切向孔包括至少两个甲烷切向孔沿点火管100的周向间隔布置，甲烷切向孔沿点火管100的内缘切向设置，以在点火管100的内壁形成旋转液膜。需要指出的是，设置切向孔以形成旋转液膜属于现有技术，本实施例中不再繁琐介绍。而在本方案中，通过第三组件360和第二组件340之间的第二环带350区域开设甲烷切向孔，液甲烷沿甲烷切向孔喷入点火室110内并在燃气气动剪切力的作用下，在点火室110内壁形成贴壁旋转液膜，形成的旋转液膜将点火室110内壁面与高温燃气隔开，更好地实现点火室110壁面的冷却降温，改善烧蚀、热防护性能差的问题。
39.上述甲烷切向孔呈排的方式设置，具体指的是至少两个甲烷切向孔按照周向间隔分布于点火管100；而多排甲烷切向孔，从图形上以多圈的形式存在。
40.一种可实施方案中，本实施例的点火管100可采用棒材一体化加工，采取在点火管100身部外壁铣出再生冷却槽道310，进而形成所要求的再生冷却组件300，以及实现相关功效。
41.一种可实施方案中，本实施例的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，点火管100与甲烷外壳200、点火管100与氧外壳400均采用焊接的方式连接，相较于3d打印结构和钎焊结构，全焊接结构降低了火炬点火器的生产成本。
42.关于氧喷嘴130和甲烷喷嘴120，氧化剂和燃料以自击或互击方式进入点火室110雾化、混合，火花塞500点火使点火室110内液氧甲烷混合物燃烧，燃烧产生高温燃气进入下
游燃烧装置完成点火过程。
43.可选地，可参照图1，点火管100(具体在点火管100上部)设有沿周向间隔均匀分布的n个氧喷嘴130，n为不小于2的正整数，氧喷嘴130的轴线与点火管100的轴线的夹角呈锐角设置，n个氧喷嘴130的轴线与点火管100的轴线相交于第一点；点火管100(具体在点火管100下部)设有沿周向间隔均匀分布的m个甲烷喷嘴120，m为不小于2的正整数，甲烷喷嘴120的轴线与点火管100的轴线的夹角呈锐角设置，m个甲烷喷嘴120与点火管100的轴线相交于第二点。
44.需要说明的是，n与m不必相同。两种推进剂快速对撞雾化、混合、燃烧，雾化由撞击动力学的结果产生，混合是在氧化剂和燃料喷雾扇之间进行的。在本方案中，氧喷嘴130的轴线与点火管100的轴线的夹角呈锐角设置，甲烷喷嘴120的轴线与点火管100的轴线的夹角呈锐角设置，如图1所示，可以将氧喷嘴130、甲烷喷嘴120理解成倾斜直流孔，相较于径向孔和切向孔，采用倾斜直流孔使得推进剂喷入点火器内部有一定的穿透深度，利于推进剂加速掺混燃烧。
45.进一步地，如图1所示，本方案形成有第一距离a、第二距离b、第一夹角c和第二夹角d，第一距离a为火花塞500的火花塞杆端面与第一点的间距，第二距离b为第一点与第二点的间距，第一夹角c为氧喷嘴130轴线与火花塞500轴线形成夹角(喷射角)，第二夹角d为甲烷喷嘴120与火花塞500轴线形成的夹角(喷射角)。此类参数都是确保该火炬点火器可靠有效点火、火花塞500不被烧蚀、推进剂雾化混合较好且燃烧效率较高的关键设计参数，可通过试验或仿真手段进行优化设计。
46.例如，第一距离a和第二距离b的选取原则是，既要保证推进剂可靠点燃而火花塞500不被烧蚀，又要确保氧化剂和燃料在锥形喷雾扇之间的雾化混合效果。合适的第一距离a，能保证推进剂可靠点燃而火花塞500不被烧蚀；较小的第二距离b下，氧化剂和燃料的混合效果会更好。
47.在另一方面，本实施例对n个氧喷嘴130、m个甲烷喷嘴120、氧腔420、甲烷腔220进行设置，可以在喷嘴直径、数量、入口压力等方面进一步设计，以实现在更宽范围的混合比下可靠工作，有利于提高火炬点火器的工况适应能力。
48.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作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发明范围的所有变更和修改。
49.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，包括：点火管，内设置有点火室，并设有甲烷喷嘴；甲烷外壳，外设于所述点火管，开设有液甲烷进口，并与所述点火管围合形成甲烷腔，所述液甲烷进口与所述甲烷腔连通，所述甲烷腔通过所述甲烷喷嘴与所述点火室导通；以及再生冷却组件，设置于所述甲烷腔内，并开设在所述点火管的外周壁处，形成有再生冷却槽道，所述再生冷却组件与所述甲烷喷嘴间隔设置。2.如权利要求1所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述再生冷却组件沿所述点火管的周向布置，所述再生冷却槽道沿所述点火管的轴向设置。3.如权利要求2所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述再生冷却组件呈再生冷却肋条或再生冷却翅片设置，所述再生冷却肋条或所述再生冷却翅片沿所述点火管的轴向设置，多个所述再生冷却肋条或所述再生冷却翅片沿所述点火管的周向间隔布置，相邻两个所述再生冷却肋条或所述再生冷却翅片围合形成所述再生冷却槽道。4.如权利要求2所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述再生冷却槽道呈直线型或螺旋型设置，所述再生冷却槽道的横截面呈矩形、三角形或梯形设置。5.如权利要求2-4中任一项所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述再生冷却组件包括第一组件和第二组件，所述第一组件和所述第二组件间隔布置于所述点火管的外周壁处，所述第一组件、所述第二组件和所述点火管围合形成第一环带，所述甲烷喷嘴设于所述点火管中相对所述第一环带的区域。6.如权利要求5所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述再生冷却组件还包括第三组件，所述第一组件、所述第二组件、所述第三组件依次间隔布置，所述第二组件、所述第三组件和所述点火管围合形成第二环带，所述第二环带设于所述液甲烷进口和所述第一环带之间。7.如权利要求6所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述点火管于相对所述第二环带的区域开设有至少一排甲烷切向孔，每排所述甲烷切向孔包括至少两个所述甲烷切向孔沿所述点火管的周向间隔布置，所述甲烷切向孔沿所述点火管的内缘切向设置，以在所述点火管的内壁形成旋转液膜。8.如权利要求1所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述点火管还设有氧喷嘴，所述再生冷却液氧甲烷火炬点火器还包括：氧外壳，所述氧外壳外设于所述点火管，所述氧外壳开设有液氧进口，所述氧外壳与所述点火管围合形成氧腔，所述液氧进口与所述氧腔连通，所述氧腔通过所述氧喷嘴与所述点火室导通。9.如权利要求8所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述再生冷却液氧甲烷火炬点火器还包括火花塞和下游燃烧装置，所述火花塞和所述下游燃烧装置分别螺纹安装于所述点火管的两端。10.如权利要求9所述的再生冷却液氧甲烷火炬点火器，其特征在于，所述点火管设有沿周向间隔均匀分布的n个所述氧喷嘴，n为不小于2的正整数，所述氧喷嘴的轴线与所述点火管的轴线的夹角呈锐角设置，n个所述氧喷嘴的轴线与所述点火管的轴线相交于第一点；所述点火管设有沿周向间隔均匀分布的m个所述甲烷喷嘴，m为不小于2的正整数，所述
甲烷喷嘴的轴线与所述点火管的轴线的夹角呈锐角设置，m个所述甲烷喷嘴与所述点火管的轴线相交于第二点；所述火花塞的火花塞杆端面与所述第一点相隔第一距离，所述第一点与所述第二点相隔第二距离，所述氧喷嘴轴线与所述火花塞轴线形成第一夹角，所述甲烷喷嘴与所述火花塞轴线形成第二夹角。

技术总结
本发明公开一种再生冷却液氧甲烷火炬点火器，涉及点火装置技术领域，解决了相关技术中点火器内剧烈燃烧存在烧蚀、热防护性能差的技术问题。点火管设有甲烷喷嘴，甲烷外壳外设于点火管并与点火管围合形成甲烷腔，甲烷腔通过甲烷喷嘴与点火室导通；再生冷却组件设置于甲烷腔内，并开设在点火管的外周壁处，再生冷却组件形成有再生冷却槽道。通过本方案，工作时液甲烷从甲烷外壳的液甲烷进口流进，经甲烷腔和再生冷却组件通过甲烷喷嘴进入点火管的点火室，一方面高温点火管壁面被冷却，另一方面液体燃料以较高的温度进入点火室，实现了能量的再生，本方案改善了火炬点火器的易烧蚀、热防护难的问题。热防护难的问题。热防护难的问题。


技术研发人员：邵艳 姬威信 刘鑫鹏 孙晓伟 张召磊
受保护的技术使用者：航天科工火箭技术有限公司
技术研发日：2022.01.07
技术公布日：2022/3/8