一种高承压均流掺混的集合器和燃烧装置的制作方法

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、优选地，所述第三段的椭圆弧母线曲线方程为：

5、

6、其中，(x,y)为椭圆弧上的点在平面直角坐标系下的坐标，(x0,y0)为椭圆弧中心坐标，a为长半轴，b为短半轴。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、优选地，法兰端面与壳体中轴线的距离不超过200mm。

13、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。

14、本发明与现有技术相比的有益效果是：

15、(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；

16、(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；

17、(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；

18、(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；

19、(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。

技术特征：

1.一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于包括壳体(3)和入口法兰；壳体(3)为酒桶形结构，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。

2.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于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。

3.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于所述第三段的椭圆弧母线曲线方程为：

4.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于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。

5.根据权利要求4所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于所述

6.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于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。

7.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于所述入口法兰、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。

8.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于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。

9.根据权利要求1所述的一种高承压均流掺混的集合器，其特征在于法兰端面与壳体(3)中轴线的距离不超过200mm。

10.一种运载火箭发动机燃烧装置，其特征在于包括权利要求1所述的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。

技术总结
本发明涉及一种高承压均流掺混的集合器和燃烧装置，该集合器将入口法兰与集合器壳体作为整体一体化加工生产，充分发挥增材制造的加工工艺优势，同时采用大圆角渐变式变径入口法兰设计，大幅提高了集合器内部流场的流动均匀性；在入口法兰与集合器身部位置设置加强筋结构，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；该集合器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；内部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。

技术研发人员：韩长霖,孔维鹏,田原,王晓丽,刘倩,潘亮,刘红珍,张晋博,张亚,郭洪坤,杨婷,宫绍天,王希杰,吴有亮,李泳江,石珊珊,崔壮力
受保护的技术使用者：北京航天动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22