CN105927423B - 一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单组元催化分解推力器的喷注结构及其装配方法,该喷注结构包括锥形槽体、锥形堵头、连接螺钉和调整垫片。首先采用连接螺钉将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片连接固定,形成喷注单元;其次,采用专用设备对此喷注单元进行流量‑压降性能测试,测试预定流量下的实际压降,并通过实际压降与预定指标进行比对及对调整垫片总厚度的调整,达到实际压降满足预定的压降控制指标要求;最后,采用真空电子束焊将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片连接固定,并将连接螺钉拆除。本发明的喷注结构具备较好的喷注均匀性、可有效减少流通通道,提高喷注器可靠性,并提高工程效率。
Description
技术领域
本发明属于液体火箭发动机的单组元催化分解推力器领域,特别涉及一种具有较好喷注均匀性的喷注结构。
背景技术
单组元催化分解推力器是液体火箭发动机的一种,广泛应用于卫星、导弹、上面级等航天器中。单组元催化分解推力器一般由电磁阀、喷注器、催化床和喷管组成,催化床内装填有颗粒状的催化剂,当推力器工作时,电磁阀打开,喷注器将来流较为集中的推进剂进行分散,并维持一定的流量-压降对应关系,分散状态的推进剂与催化剂进行接触,在催化剂的催化作用下,推进剂发生化学分解及燃烧,并释放化学能,所产生的高温高压燃气通过喷管加速排出,从而形成推力。
对于单组元催化分解推力器,喷注器对推进剂的分散程度(统称“喷注均匀性”)越好,推进剂的催化反应便越平稳、越均匀,响应速度越快,推力器内部与推进剂最先接触的催化剂面积越大,催化剂局部负载(统称“局部床载”)更低,可延长催化剂的使用寿命。因此,在单组元催化分解推力器的设计中,具备较好的喷注均匀性,降低局部床载,是喷注器设计的基本要求之一。
传统的单组元催化分解推力器一般采用多根毛细管的喷注器,毛细管的射流形式为点状射流,这使得单只毛细管喷出的推进剂所接触的催化剂面积与毛细管内径面积基本相当。因此,对于传统的毛细管喷注器,要想获得更好的喷注均匀性及更低的局部床载,需要提高毛细管的数量,该种方式存在以下两点不足:
(1)较多的毛细管虽然在设计上实现了提升喷注均匀性和降低局部床载的目标,但是其忽略了工艺实现的复杂性。例如,单组元某型20N推力器采用9只毛细管的喷注器,若在设计200N推力器时同样选取毛细管型喷注器,为达到与某型20N推力器相同的喷注均匀性,则需采用90只相同的毛细管。对于90只毛细管的喷注器,其装配难度将大大提升,工艺实现极其复杂。
(2)喷注器内的每一根毛细管均是一支独立的流通通道。采用的毛细管数量越多,喷注器内独立的流通通道越多。当任意一支流通通道出现泄漏失效时,整台喷注器便也失效。因此,喷注器的毛细管数量越多,其可靠性越低。
上述两点不足在小推力量级的单组元催化分解推力器中表现尚不明显,但是,随着推力量级的提升,推进剂流量的增大,毛细管型喷注器的不足便越来越显著。因此,提出一种喷注结构,具备较好的喷注均匀性的同时,可有效减少流通通道。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服以上不足,提供了一种具备较好的喷注均匀性、可有效减少流通通道、应用于单组元催化分解推力器的喷注结构及其装配方法。
本发明的技术解决方案是:一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,包括锥形槽体、锥形堵头和调整垫片;锥形槽体为流通管道、锥形槽和连接槽的组合体,锥形堵头为锥形凸台和连接凸台的组合体,连接凸台外缘处设有用于穿过连接螺钉用的光孔,连接凸台内缘与锥形凸台大端衔接处设置喷流缝隙出口;调整垫片为片状结构,中间有用于穿过锥形堵头锥形凸台的光孔,边缘有用于穿过连接螺钉用的光孔;调整垫片安装于锥形槽体与锥形堵头之间,其中锥形堵头的连接凸台置于锥形槽体的连接槽内,同时锥形堵头的锥形凸台穿过调整垫片的光孔,置于锥形槽体的锥形槽内,通过调整垫片使得锥形槽体的锥形槽与锥形堵头的锥形凸台之间的间隙可调;根据预定的喷注流量要求将上述间隙调整到位后,采用真空电子束焊将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片在锥形槽体的连接槽外缘处进行焊接连接。
所述的锥形堵头的锥形凸台和锥形槽体的锥形槽为圆锥形或多棱锥形。
所述的锥形堵头的锥形凸台和锥形槽体的锥形槽顶为平顶、尖顶或球顶。
所述的锥形堵头的锥形凸台和锥形槽体的锥形槽的倾斜方式为不变角度、连续变角度或阶梯变角度。
所述的锥形槽体锥形槽与锥形堵头锥形凸台配合形成的喷流缝隙出口尺寸及出口倾斜角度的选取根据喷注结构的下游应用空间决定,即在催化床前床内,喷流不能撞击到催化床前床的内壁面。
所述的调整垫片具有不同厚度规格,外形为圆形或多边形。
锥形槽体的连接槽外缘处设有连接螺钉的螺纹孔、该螺纹孔与锥形堵头边缘的光孔及调整垫片边缘的光孔可对齐。
一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构的装配方法,步骤如下:
(1)将调整垫片安装于锥形槽体与锥形堵头之间,其中锥形堵头的连接凸台置于锥形槽体的连接槽内,同时锥形堵头的锥形凸台穿过调整垫片的中心光孔,置于锥形槽体的锥形槽内;
(2)调整锥形槽体、锥形堵头和调整垫片的相对位置,使得锥形槽体的螺纹孔与锥形堵头及调整垫片外缘处的光孔对齐;
(3)采用连接螺钉穿过锥形堵头及调整垫片外缘处的光孔,与锥形槽体的螺纹孔连接,将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片连接固定,形成喷注单元;
(4)对喷注单元进行流量压降性能测试,测试预定流量下的实际压降,将测试结果与预定的压降控制指标进行对比,通过调整垫片选用的数量及厚度,将锥形槽体的锥形槽与锥形堵头的锥形凸台之间的间隙调整至合适尺度,使得实际压降满足预定的压降控制指标;
(5)采用真空电子束焊将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片在锥形槽体的连接槽外缘处进行焊接连接;
(6)将连接螺钉拆除。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)通过采用锥形槽体和锥形堵头配合的形式,推进剂穿过锥形槽体和锥形堵头之间的缝隙而斜向喷出,可以形成线状射流线。这比传统的单只毛细管的点状射流具备更好的喷注均匀性。并且,缝隙出口尺寸越大,喷注均匀性越好;
(2)正是由于对比毛细管方式,本发明的喷注结构具有更好的喷注均匀性,其喷出的推进剂所接触的催化剂面积得到极大的提升。因此,可将多只毛细管的喷注任务交由一个单元的新型喷注结构实现。一个单元的新型喷注单元只有一支流通通道,这便具备了减少流通通道的功能,提高喷注器的可靠性;
(3)单组元催化分解推力器的喷注器都要具备流量-压降控制能力,毛细管型喷注器所采用的机理是小孔节流,依靠筛选毛细管内流道尺寸,来达到预定的流量-压降控制指标。从工程实践中发现,由于毛细管内流道尺寸一致性不佳,导致实际工程中需要对毛细管进行大量的筛选试验,合格率较低,需淘汰大量的毛细管,存在试验资源、物资资源的极大浪费。而新型喷注结构采用缝隙节流的方式,通过调整圆锥形槽和圆锥形堵头之间的缝隙的大小来达到预定的流量-压降控制指标。该缝隙在工程实践中可实现人为调节。因此,工程效率得以提升,资源浪费问题得以解决。
附图说明
图1为本发明的喷注结构剖面图;
图2为本发明喷注结构中锥形槽体剖面图及示意图;
图3为本发明喷注结构中锥形堵头剖面图及示意图;
图4为本发明喷注结构中调整垫片剖面图及示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明的喷注结构如图1所示,包括锥形槽体1、锥形堵头2、连接螺钉3和调整垫片4。其中,如图2所示,锥形槽体1为锥形槽、连接槽和流通管道的组合体,连接槽外缘处设有连接螺钉3的螺纹孔;如图3所示,锥形堵头2为锥形凸台和连接凸台的组合体,连接凸台外缘处设有用于穿过连接螺钉3用的光孔,连接凸台内缘与锥形凸台大端衔接处设置喷流缝隙出口;连接螺钉3为普通螺钉;如图4所示,调整垫片4为片状结构,具有不同厚度规格,中间有用于穿过锥形堵头2锥形凸台的光孔,边缘有用于穿过连接螺钉3用的光孔,外形为圆形或多边形。将调整垫片4安装于锥形槽体1与锥形堵头2之间,其中锥形堵头2的连接凸台置于锥形槽体1的连接槽内,同时锥形堵头2的锥形凸台穿过调整垫片4的中心光孔,置于锥形槽体1的锥形槽内,通过调整垫片4选用的数量及厚度,锥形槽体1的锥形槽与锥形堵头2的锥形凸台之间的间隙具备可调能力。
调整垫片4置于锥形槽体和锥形堵头连接面中间,使得锥形槽体和锥形堵头之间形成缝隙,推进剂从缝隙中流过,在上述喷流缝隙出口处形成线状射流。并且,通过控制调整垫片的数量和厚度,以实现对锥形槽体和锥形堵头缝隙大小的调节,从而满足一定的流量-压降对应关系。
调整锥形槽体1、锥形堵头2和调整垫片4的相对位置,使得锥形槽体1的螺纹孔与锥形堵头2及调整垫片4外缘处的光孔对齐,采用连接螺钉3穿过锥形堵头2及调整垫片4外缘处的光孔,与锥形槽体1的螺纹孔连接,将锥形槽体1、锥形堵头2和调整垫片4连接固定。采用真空电子束焊将锥形槽体1、锥形堵头2和调整垫片4在锥形槽体1的连接槽外缘处进行焊接连接,焊接结束后将连接螺钉3拆除。
锥形堵头2的锥形凸台和锥形槽体1的锥形槽为圆锥形或多棱锥形;锥形堵头2的锥形凸台和锥形槽体1的锥形槽顶为平顶、尖顶或球顶;锥形堵头2的锥形凸台和锥形槽体1的锥形槽的倾斜方式为不变角度、连续变角度或阶梯变角度。
锥形槽体1锥形槽与锥形堵头2锥形凸台配合形成的喷流缝隙出口尺寸及出口倾斜角度的选取根据喷注结构的下游应用空间决定,即在催化床前床内,喷流不能撞击到催化床前床的内壁面。
当喷注结构的设计对重量不敏感时,锥形喷流缝隙在流向方向的尺寸不受限制,锥形堵头2的锥形凸台和锥形槽体1的锥形槽的倾斜方式则选取为不变角度;当喷注结构的设计要求重量较轻时,锥形喷流缝隙在流向方向的尺寸则较小,为保证锥形喷流缝隙出口尺寸及出口倾斜角度,锥形堵头2的锥形凸台和锥形槽体1的锥形槽的倾斜方式则选取为连续变角度或阶梯变角度。
本发明喷注结构的装配步骤如下:
(1)将调整垫片4安装于锥形槽体1与锥形堵头2之间,其中锥形堵头2的连接凸台置于锥形槽体1的连接槽内,同时锥形堵头2的锥形凸台穿过调整垫片4的中心光孔,置于锥形槽体1的锥形槽内;
(2)调整锥形槽体1、锥形堵头2和调整垫片4的相对位置,使得锥形槽体1的螺纹孔与锥形堵头2及调整垫片4外缘处的光孔对齐;
(3)采用连接螺钉3穿过锥形堵头2及调整垫片4外缘处的光孔,与锥形槽体1的螺纹孔连接,将锥形槽体1、锥形堵头2和调整垫片4连接固定,形成喷注单元。
(4)对此喷注单元进行流量-压降性能测试,测试预定流量下的实际压降,将测试结果与预定的流量-压降控制指标进行对比;
若上述测试的实际压降大于预定的压降控制指标,则通过增大调整垫片4的总厚度,来增加锥形槽体1和锥形堵头2之间的缝隙宽度,重复进行上述测试,当实际压降满足预定的压降控制指标要求后,转入下一步;若上述测试的实际压降小于预定的压降控制指标,则通过减小调整垫片4的总厚度,来降低锥形槽体1和锥形堵头2之间的缝隙宽度,重复进行测试,当实际压降满足预定的压降控制指标要求后,转入下一步;若上述测试的实际压降满足预定的压降控制指标要求,直接进入下一步;
(5)采用真空电子束焊方式,将锥形槽体1、锥形堵头2和调整垫片4连接固定;
(6)将连接螺钉3拆除。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于包括锥形槽体(1)、锥形堵头(2)和调整垫片(4);锥形槽体(1)为流通管道、锥形槽和连接槽的组合体,锥形堵头(2)为锥形凸台和连接凸台的组合体,连接凸台外缘处设有用于穿过连接螺钉(3)用的光孔,连接凸台内缘与锥形凸台大端衔接处设置喷流缝隙出口;调整垫片(4)为片状结构,中间有用于穿过锥形堵头(2)锥形凸台的光孔,边缘有用于穿过连接螺钉(3)用的光孔;调整垫片(4)安装于锥形槽体(1)与锥形堵头(2)之间,其中锥形堵头(2)的连接凸台置于锥形槽体(1)的连接槽内,同时锥形堵头(2)的锥形凸台穿过调整垫片(4)的光孔,置于锥形槽体(1)的锥形槽内,通过调整垫片(4)使得锥形槽体(1)的锥形槽与锥形堵头(2)的锥形凸台之间的间隙可调;根据预定的喷注流量要求将上述间隙调整到位后,采用真空电子束焊将锥形槽体(1)、锥形堵头(2)和调整垫片(4)在锥形槽体(1)的连接槽外缘处进行焊接连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于:所述的锥形堵头(2)的锥形凸台和锥形槽体(1)的锥形槽为圆锥形或多棱锥形。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于:所述的锥形堵头(2)的锥形凸台和锥形槽体(1)的锥形槽顶为平顶、尖顶或球顶。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于:所述的锥形堵头(2)的锥形凸台和锥形槽体(1)的锥形槽的倾斜方式为不变角度、连续变角度或阶梯变角度。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于:所述的锥形槽体(1)锥形槽与锥形堵头(2)锥形凸台配合形成的喷流缝隙出口尺寸及出口倾斜角度的选取根据喷注结构的下游应用空间决定,即在催化床前床内,喷流不能撞击到催化床前床的内壁面。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于:所述的调整垫片(4)具有不同厚度规格,外形为圆形或多边形。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构,其特征在于:锥形槽体(1)的连接槽外缘处设有连接螺钉(3)的螺纹孔、该螺纹孔与锥形堵头(2)边缘的光孔及调整垫片(4)边缘的光孔对齐。
8.一种用于单组元催化分解推力器的喷注结构的装配方法,其特征在于步骤如下:
(1)将调整垫片安装于锥形槽体与锥形堵头之间,其中锥形堵头的连接凸台置于锥形槽体的连接槽内,同时锥形堵头的锥形凸台穿过调整垫片的中心光孔,置于锥形槽体的锥形槽内;
(2)调整锥形槽体、锥形堵头和调整垫片的相对位置,使得锥形槽体的螺纹孔与锥形堵头及调整垫片外缘处的光孔对齐;
(3)采用连接螺钉穿过锥形堵头及调整垫片外缘处的光孔,与锥形槽体的螺纹孔连接,将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片连接固定,形成喷注单元;
(4)对喷注单元进行流量压降性能测试,测试预定流量下的实际压降,将测试结果与预定的压降控制指标进行对比,通过调整垫片选用的数量及厚度,将锥形槽体的锥形槽与锥形堵头的锥形凸台之间的间隙调整至合适尺度,使得实际压降满足预定的压降控制指标;
(5)采用真空电子束焊将锥形槽体、锥形堵头和调整垫片在锥形槽体的连接槽外缘处进行焊接连接;
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