CN102019236A - 用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，包括集液腔壳体，喷注面板，谐振腔壳体；集液腔壳体上部中心有螺纹孔与供应管路连接；集液腔壳体与喷注面板通过法兰连接，并用密封垫片密封，集液腔壳体与喷注面板间的空腔为集液腔；喷注面板底部中心有一圆台形内凹空间，垂直于圆台内凹空间的侧面对称布置两个或多个喷孔，喷孔轴线与喷注面板中心轴线呈一定角度，且所有喷孔轴线相交于喷注面板中心轴线上的一点；喷注面板上部中心圆台侧面布置有喷孔入口，喷孔入口处有内螺纹；谐振腔壳体上设有谐振腔入口，谐振腔壳体外表面有外螺纹，该谐振腔壳体通过喷口入口的内螺纹与喷注面板连接；谐振腔壳体与喷注面板之间形成两个或多个谐振腔。

Description

用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴
技术领域
本发明涉及一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，主要应用于液体火箭发动机推力室、预燃室喷注器设计及液体雾化等领域。
背景技术
液体射流撞击是一种很有效的雾化和混合方法。在使用液体推进剂的火箭发动机推力室中，撞击式喷嘴也得到了广泛的应用，如美国阿波罗登月计划所使用的“土星”-5运载火箭中的F-1发动机就使用这种形式的喷嘴。撞击式喷嘴利用推进剂的动压头使沿相反方向运动的另一股推进剂射流失稳，进而使液体破碎成液带和液滴。
随着航天动力装置对高能能源的追求，含金属颗粒的推进剂成为化学推进剂的一个重要发展方向。然而，添加金属成分虽能使推进剂的比冲等参数提高，但却使推进剂的粘度极大的提高，有些推进剂甚至呈现出非牛顿流体的性质（如粘度随剪切速率变化等）。高粘度流体和非牛顿流体在此统称为复杂流体。目前液体火箭发动机中针对复杂流体雾化使用的仍是常规的牛顿流体雾化方法及常规喷嘴（如气动雾化喷嘴、针栓式喷嘴等），但由于复杂流体区别于普通推进剂的高粘度的特性，造成这些常规的雾化方法和喷嘴的雾化效果并不很好，而且这些喷嘴往往结构复杂，制造成本高。因此，设计出能对复杂流体产生良好雾化效果的喷嘴是未来推进系统中应用高能推进剂的关键技术之一。
本发明旨在提供一种带谐振腔的撞击式喷嘴，可改善复杂流体的雾化效果，提高液体火箭发动机的燃烧效率和比冲。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，使用该喷嘴可以在较低压力下达到较好的雾化效果，而且方便可靠，结构简单。
本发明提供一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，其技术方案是：流体由供应系统进入集液腔，从位于集液腔内的谐振腔入口以高速射流的形式进入谐振腔，由于流道面积的突扩以及腔内气体与射流之间发生动量交换，形成一定厚度的不稳定剪切层，剪切层内夹带着旋涡并向下游运动。当具有初始扰动的射流与不断产生的旋涡一起到达下游碰撞壁时，在碰撞区诱发出一定频率的压力扰动波。该扰动波又高速向上游反射至上游入口处，若此时压力波相位与射流初始振荡相位一样，整个流体的振荡被叠加、放大。重复上述过程，即出现了自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流由两个或多个喷孔喷出，射流撞击形成液膜。由于射流形成了自激振荡，射流撞击后所形成的液膜将变得更不稳定，缩短液膜破碎距离，加速液膜破碎雾化。
本发明一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴：具体包括集液腔壳体，喷注面板，谐振腔壳体。连接关系是：集液腔壳体上部中心有螺纹孔可与供应管路连接。集液腔壳体与喷注面板之间通过法兰连接，并使用密封垫片进行密封，这样集液腔壳体与喷注面板之间形成一个大的空腔称为集液腔。喷注面板底部中心有一圆台形内凹空间，垂直于圆台内凹空间的侧面对称布置两个或多个喷孔，喷孔轴线与喷注面板中心轴线呈一定角度，该角度取值范围为15o～45o之间，且所有喷孔轴线相交于喷注面板中心轴线上的一点。喷注面板上部中心圆台侧面布置有喷孔入口，喷孔入口处有内螺纹。谐振腔壳体上设有谐振腔入口，谐振腔壳体外表面有外螺纹，该谐振腔壳体通过喷口入口的内螺纹与喷注面板连接。谐振腔壳体与喷注面板之间形成两个或多个谐振腔。
其中，为了形成自激振荡射流，喷孔直径应小于谐振腔入口直径：谐振腔直径与谐振腔入口直径之比应不大于6，谐振腔长度与谐振腔入口直径之比应不大于5。
其中，喷孔为圆柱形孔或锥形孔。
其中，谐振腔入口为圆柱形孔或锥形孔。
本发明一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，其优点及功效在于：使用该喷嘴可以在较低压力下对复杂流体达到较好的雾化效果，而且方便可靠，结构简单。
附图说明
图1：本发明实施例一的两股自激振荡射流撞击式喷嘴。
图2：图1的A-A面剖视图。
图3：图1的局部C的放大图。
图4：集液腔壳体剖面图。
图5：集液腔壳体俯视图。
图6：喷注面板。
图7：图6的A-A面剖视图。
图8：谐振腔壳体。
图9：自激振荡射流撞击式喷嘴与普通撞击式喷嘴雾化效果对比。
图10：本发明实施例二的三股自激振荡射流撞击式喷嘴。
图11：图10的A-A面剖视图。
图12：图10的局部C的放大图。
图中标号说明如下：1集液腔壳体，2喷注面板，3密封垫片，4谐振腔壳体，11集液腔进口，12 集液腔，21喷孔，22喷孔入口，23 内凹空间，231 侧面， 41谐振腔，42 谐振腔入口。
具体实施方式
实施例一：如图1、2、3所示，本发明一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，主要由集液腔壳体1、喷注面板2、密封垫片3和谐振腔壳体4组成。图4、5为集液腔壳体1，由集液腔进口11和集液腔12组成。图6、7为喷注面板2，其上有两个喷孔21，喷孔与喷注面板2的轴线成一定角度且对称布置。在喷注面板另一侧有两个喷孔入口22。图8为谐振腔壳体4，其上设有谐振腔41，以及谐振腔入口42。集液腔壳体1与喷注面板2用螺栓以法兰的方式进行连接。集液腔壳体1与喷注面板2之间通过密封垫片3密封，防止流体渗漏。喷孔入口22与两个谐振腔壳体4通过螺纹连接，使喷注面板2与两个谐振腔壳体4之间形成两个谐振腔41。谐振腔入口42处于集液腔12内，谐振腔的出口即为喷孔21。谐振腔41的直径D x与谐振腔入口42的直径D i的比值不大于6，谐振腔41的长度L x与谐振腔入口42的直径D i比值不大于5，喷孔21的直径D o小于谐振腔入口42的直径D i。
该喷嘴在工作时，供应系统管路中的复杂流体经集液腔进口11流入集液腔12。然后液流从位于集液腔12内的两个谐振腔入口42以高速射流的形式分别进入两个谐振腔41。由于流道面积突然扩大以及谐振腔41内原本存在的气体与射流之间发生剪切，对射流形成一种扰动的作用。产生了扰动的射流继续向谐振腔出口即喷孔21运动，当射流与不断发展的扰动一起到达喷孔21处的壁面发生碰撞，扰动波又向上游反射直到谐振腔入口42。若反射回来的扰动波相位与射流初始扰动相位一样,整个流体的振荡将被叠加、放大。经扰动波反复在谐振腔41内来回反射、叠加，形成了自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流从两个喷孔21喷出并在喷注面板2下游某处相撞，进而雾化。由于自激振荡的射流非常不稳定，再加上两股射流相互利用对方的动量，使得流体雾化效果更好。图9为在相同条件下使用普通撞击式喷嘴和自激振荡射流撞击式喷嘴用于某高粘度复杂流体雾化的实验结果。其中液膜破碎长度定义为从撞击点到液膜破碎产生液带的轴向距离。从图9中可以看出自激振荡射流撞击式喷嘴产生的液膜破碎长度明显比普通撞击式喷嘴产生液膜的破碎长度要短，雾化效果更好。
实施例二：一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，实施例二如图10、11、12所示，实施例二与实施例一的主要区别在于：喷注面板2底部均匀布置3个喷孔21，对应地在喷注面板上部有3个喷孔入口22。这样就构成了三股自激振荡射流撞击式喷嘴。
施例二与实施例一的另一不同之处在于喷孔21以及谐振腔入口42都为锥形通道（如图12）。由于锥形通道内沿着轴线方向流体流动的剪切速率是增大的，这样对于具有剪切变稀性质的复杂流体就有稀化作用。将喷孔21以及谐振腔入口42都设计成锥形通道的形式，降低了复杂流体的表观粘度，改善了复杂流体的雾化效果。
该喷嘴在工作时，供应系统管路中的复杂流体经集液腔进口11流入集液腔12。然后液流从位于集液腔12内的三个锥形的谐振腔入口42以高速射流的形式分别进入三个谐振腔41。由于流道面积突然扩大以及谐振腔41内原本存在的气体与射流之间发生剪切，对射流形成一种扰动的作用。产生了扰动的射流继续向谐振腔出口即喷孔21运动，当射流与不断发展的扰动一起到达喷孔21处的壁面发生碰撞，扰动波又向上游反射直到谐振腔入口42。若反射回来的扰动波相位与射流初始扰动相位一样,整个流体的振荡将被叠加、放大。经扰动波反复在谐振腔41内来回反射、叠加，形成了自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流从三个锥形喷孔21喷出并在喷注面板2下游某处相撞，进而雾化。由于采用了具有锥形通道形式的谐振腔入口42以及喷孔21，降低了复杂流体的表观粘度，改善了复杂流体的雾化效果。 

Claims (4)

1.一种用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，其特征在于：该喷嘴具体包括集液腔壳体，喷注面板，谐振腔壳体；连接关系是：集液腔壳体上部中心有螺纹孔可与供应管路连接；集液腔壳体与喷注面板之间通过法兰连接，并使用密封垫片进行密封，这样集液腔壳体与喷注面板之间形成一个大的空腔称为集液腔；喷注面板底部中心有一圆台形内凹空间，垂直于圆台内凹空间的侧面对称布置两个或多个喷孔，喷孔轴线与喷注面板中心轴线呈一定角度，且所有喷孔轴线相交于喷注面板中心轴线上的一点；喷注面板上部中心圆台侧面布置有喷孔入口，喷孔入口处有内螺纹；谐振腔壳体上设有谐振腔入口，谐振腔壳体外表面有外螺纹，该谐振腔壳体通过喷口入口的内螺纹与喷注面板连接；谐振腔壳体与喷注面板之间形成两个或多个谐振腔。
2.根据权利要求1所述的用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，其特征在于：所述的喷孔直径应小于谐振腔入口直径，谐振腔直径与谐振腔入口直径之比应不大于6，谐振腔长度与谐振腔入口直径之比应不大于5。
3.根据权利要求1所述的用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，其特征在于：所述喷孔轴线与喷注面板中心轴线呈一定角度，该角度取值范围为15o～45o之间。
4.根据权利要求1所述的用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，其特征在于：所述的谐振腔入口为圆柱形孔或锥形孔。
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