CN107676195B - 一种盖板连接的模块化火箭发动机推进剂偏置喷注面板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盖板连接的模块化火箭发动机推进剂偏置喷注面板，将同轴离心式喷嘴的中心直流件、外周旋流件和推进剂导流面板进行模块化设计，可降低加工难度，方便组装和维修；在喷嘴组件的模块化设计的基础上，将中心直流件设计成带中心通孔和不带中心通孔两种，将外周旋流件也设计成带旋流孔和不带旋流孔两种，由此再进行喷嘴组件组装时，可实现4种不同的喷射方式，用户根据实际需求对喷嘴进行组合，可实现喷注面板上各喷嘴喷射方式的差异，从而实现推进剂不均匀分布，用于研究液体火箭发动机燃烧不稳定性机理，解决高频不稳定燃烧在缩比模型气氧/煤油火箭发动机出现概率较低的问题。

Description

一种盖板连接的模块化火箭发动机推进剂偏置喷注面板
技术领域
本发明属于液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种盖板连接的模块化火箭发动机推进剂偏置喷注面板。
背景技术
大型火箭发动机在工作过程中，很容易诱发自激励的高频燃烧不稳定性，高频燃烧不稳定性仍然是制约液体火箭发动机发展的难题。为研究高频燃烧不稳定性的产生机理，最直接的方式是在全尺寸发动机上进行试验研究，但是往往伴随着高昂的研究成本和较长的周期。因此考虑到经济型和时效性，缩比模型发动机是一个理想的试验装置。根据普渡大学试验研究【Measurement and Analysis of Combustion Response to TransverseCombustion Instability】表明：缩比模型的发动机产生燃烧不稳定需要的能量较高，不稳定燃烧出现在缩比模型发动机的概率较低。而推进剂分布不均匀很容易诱发不稳定燃烧，因此可以通过合理设计喷注面板使得推进剂分布不均匀，进而诱发高频燃烧不稳定燃烧为其机理研究提供方便。
现有的喷注面板追求的都是推进剂尽量地均匀分布，通过焊接的方式将喷嘴与推进剂流道面板焊接在一起，使得喷注面板成为一整套集成设备。还没有一种专门针对液体火箭发动机高频燃烧不稳性研究的喷注面板。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种盖板连接的模块化火箭发动机推进剂偏置喷注面板，通过喷注面板组件的模块化，实现推进剂的不均匀分布，从而诱发高频不稳定燃烧，便于展开其机理研究。
本发明的一种火箭发动机喷注面板，包括端盖(1)、压紧盖板(3)、喷嘴组件、火花塞(2)和推进剂导流面板(6)；
其中，端盖(1)、压紧盖板(3)以及推进剂导流面板(6)顺序布置，并且压紧在一起；火花塞(2)依次穿过端盖(1)、压紧盖板(3)以及推进剂导流面板(6)的中心孔；
压紧盖板(3)与端盖(1)之间压紧后形成用于盛装氧化剂或燃料的密封腔体；压紧盖板(3)上沿轴向分布有用于安装喷嘴组件的多个盖板通孔(11)，推进剂导流面板(6)沿在与盖板通孔(11)位置对应处设置有面板通孔(15)；
所述喷嘴组件包括中心直流件(4)和外周旋流件(5)；中心直流件(4)的外圆周上设置有高、低两圈凸台；所有中心直流件(4)中的部分中心直流件(4)设置有中心通孔，另一部分中心直流件(4)未设置中心通孔；
所述外周旋流件(5)为中空圆柱状，中心通孔与中心直流件(4)的一端的外圆周面配合，且两者之间留有缝隙；中心直流件(4)的一端装配进入外周旋流件(5)的中心通孔后，中心直流件(4)的较低凸台抵在外周旋流件(5)的端面上，如此形成了喷嘴组件；所有外周旋流件(5)中的部分外周旋流件(5)上开有贯穿至中心通孔的数量至少为一个的旋流孔(21)，部分的外周旋流件(5)上未设置旋流孔(21)；
喷嘴组件的中心直流件(4)一端穿入盖板通孔(11)，其上的较高凸台一侧抵在压紧盖板(3)的端面上；喷嘴组件的中心直流件(4)一端穿入面板通孔(15)，其上的较高凸台的另一侧抵在推进剂导流面板(6)的端面上；
所述推进剂导流面板(6)的外侧端面的中心位置设置有用于实现点火的点火凹腔(22)；火花塞(2)的点火端置于该点火凹腔(22)内；
所述推进剂导流面板(6)的内部设置有将外部供应的燃料或氧化剂引流到各个喷嘴组件的旋流孔(21)的外周流道(18)以及分别将外部供应氧气和氢气引入到点火凹腔(22)中的氧气通道(19)和氢气通道(20)。
较佳的，所述外周流道(18)包括环绕在喷嘴组件分布区域外部的两个半圆环槽以及与喷嘴组件位置对应的圆形腔；喷嘴组件置于所述圆形腔内，每个圆形腔均与半圆环槽联通。
进一步的，所述端盖(1)的轴向开有一圈端盖通孔(9)，在压紧盖板(3)和推进剂导流面板(6)上与端盖通孔(9)对应位置分别开有盖板安装孔(13)和面板安装孔(16)，端盖通孔(9)、盖板安装孔(13)和面板安装孔(16)通过螺栓实现端盖(1)、压紧盖板(3)和推进剂导流面板(6)三者的固连,并与发动机燃烧室连接。
较佳的，端盖(1)上开有一圈端盖螺纹孔(10)，用于与发动机试验台架连接；
较佳的，端盖(1)上设置有密封件(8)，用于对安装火花塞(2)的安装孔进行密封。
较佳的，喷嘴组件的数量为18个。
较佳的，压紧盖板(3)与端盖(1)之间设置有密封环(12)。
较佳的，端盖(1)设置有入口(7)，用于向密封腔体内通燃料或氧化剂。
较佳的，旋流孔(21)的数量为1个至4个，均布在外周旋流件(5)的周向。
较佳的，所述喷嘴组件由中心直流件(4)和外周旋流件(5)组成的形式包括四种：带中心通孔的中心直流件(4)与带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；带中心通孔的中心直流件(4)与不带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；不带中心通孔的中心直流件(4)与带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；不带中心通孔的中心直流件(4)与不带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；在所述喷注面板中布置的喷嘴组件的组合形式为所述四种组合形式的一种、两种、三种或者四种。
较佳的，所述氧化剂为液态或者气态；液态氧化剂包括液氧；气态氧化剂为氧气或者空气；燃料为液态或者气态：液态燃料包括煤油；气态燃料为氢气或者甲烷。
本发明具有如下有益效果：
本发明的盖板连接的模块化火箭发动机推进剂偏置喷注面板，针对缩比模型的气氧/煤油火箭发动机，可扩大范围至所有适用于气液、液液混合喷嘴的火箭发动机，旨在通过喷注面板的适当设计而形成高频不稳定燃烧；将同轴离心式喷嘴的中心直流件、外周旋流件和推进剂导流面板进行模块化设计，可降低加工难度，方便组装和维修；在喷嘴组件的模块化设计的基础上，将中心直流件设计成带中心通孔和不带中心通孔两种，将外周旋流件也设计成带旋流孔和不带旋流孔两种，由此再进行喷嘴组件组装时，可实现4种不同的喷射方式，用户根据实际需求对喷嘴进行组合，可实现喷注面板上各喷嘴喷射方式的差异，从而实现推进剂不均匀分布，用于研究液体火箭发动机燃烧不稳定性机理，解决高频不稳定燃烧在缩比模型气氧/煤油火箭发动机出现概率较低的问题。
附图说明
图1为本发明的喷注面板的结构组成示意图；
图2为本发明的喷注面板的组装后结构示意图；
图3为本发明的喷注面板中外周通道在推进剂导流面板分布的示意图；
图4为本发明的喷注面板的喷嘴组件与外周通道的位置关系图；
图5为本发明的喷嘴组件、氧气通道以及氢气通道在推进剂导流面板分布的示意图；
图6为本发明的喷注面板的组装后结构的剖面示意图；
图7为本发明的喷注面板中集气腔端盖的俯视图；
图8(a)为本发明中中心直流件的剖面图；图8(b)为本发明中没有开通孔的中心直流件的剖面图；
图9(a)为本发明中外周旋流件的截面图；图9(b)为本发明中没有开旋流孔的外周旋流件的截面图；
其中，1-端盖，2-火花塞，3-压紧盖板，4-中心直流件，4-1-中心直流对应件，5-外周旋流件，5-1-外周旋流对应件，6-推进剂导流面板，7-入口，8-密封件，9-端盖通孔，10-端盖螺纹孔，11-盖板通孔，12-密封环，13-端盖安装孔，14-火花塞安装通孔，15-面板通孔，16-面板安装孔，17-密封圈，18-外周流道，19-氧气流道，20-氢气流道，21-外周旋流孔，22-点火凹腔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的火箭发动机喷注面板采用模块化的形式，包括端盖1、压紧盖板3、喷嘴组件、火花塞2和推进剂导流面板6。其中，端盖1、压紧盖板3以及推进剂导流面板6顺序布置，并且压紧在一起，如图2所示。火花塞2依次穿过端盖1、压紧盖板3以及推进剂导流面板6的中心孔，点火端贯穿推进剂导流面板6的外侧端面。
压紧盖板3与端盖1之间设置有密封环12，压紧后形成用于盛装氧化剂或燃料的密封腔体；端盖1设置有入口7，用于向密封腔体内通氧化剂或燃料；压紧盖板3上沿轴向分布有用于安装喷嘴组件的多个盖板通孔11，推进剂导流面板在与盖板通孔11位置对应处设置有面板通孔15。其中，氧化剂包括液态和气态，液态氧化剂可以是液氧等，气态氧化剂可以是氧气、空气等；燃料包括液态和气态，液态燃料可以是煤油等，气态燃料可以是氢气、甲烷等。
喷嘴组件包括中心直流件4和外周旋流件5；如图8(a)和图8(b)所示，中心直流件4的外圆周上设置有高、低两圈凸台，部分中心直流件4设置有中心通孔，另一部分中心直流件4未设置中心通孔，作为中心直流对应件4-1；如图9(a)和图9(b)所示，外周旋流件5为中空圆柱状，中心通孔与中心直流件4的一端的外圆周面配合，且两者之间留有液体或气体旋流缝隙；中心直流件4的一端装配进入外周旋流件5的中心通孔后，中心直流件4的较低凸台抵在外周旋流件5的端面上，如此形成了喷嘴组件；部分的外周旋流件5上开有贯穿至中心通孔的旋流孔21，其数量为至少一个；本实施例中，旋流孔21的数量为3个，均布在外周旋流件5的周向，氧化剂或燃料从三个旋流孔21进入后，起到对液体雾化的功能，具体旋流孔21的设计参照现有的火箭发动机喷嘴的设计思路即可。另外，部分的外周旋流件5上未设置旋流孔21，作为外周旋流对应件5-1。
喷嘴组件的中心直流件4一端穿入盖板通孔11，其上的较高凸台一侧抵在压紧盖板3的端面上；喷嘴组件的外周旋流件5一端穿入面板通孔15，其上的较高凸台的另一侧抵在推进剂导流面板6的端面上。
如图6所示，推进剂导流面板6的外侧端面的中心位置设置有用于实现点火的点火凹腔22；火花塞2的点火端置于该点火凹腔22内。
如图3所示，推进剂导流面板6的内部设置有将外部供应的燃料或氧化剂引流到各个喷嘴组件的旋流孔的外周流道18。本实施例中，在推进剂导流面板6内部，外周流道18为环绕在喷嘴组件分布区域外部的两个半圆环槽，两个半圆环槽分别通过一个通道贯穿至推进剂导流面板6，并与外部供应的气体或液体相联通；如图4所示，喷嘴组件位置开有直径大于喷嘴组件直径的且与半圆环槽联通的圆形腔，圆形腔与喷嘴组件外侧之间的空间充盈由外周流道18导流进来的氧化剂或燃料。
如图5所示，推进剂导流面板6的内部设置有分别将外部供应氧气和氢气引入到点火凹腔22中的氧气通道19和氢气通道20。
如图7所示，集气腔端盖1的轴向开有一圈端盖通孔9，在压紧盖板3和推进剂导流面板6上与端盖通孔9对应位置分别开有盖板安装孔13和面板安装孔16，端盖通孔9、盖板安装孔13和面板安装孔16通过螺栓实现端盖1、压紧盖板3和推进剂导流面板6三者的固连，并与发动机燃烧室连接。端盖1上端盖通孔9的外侧还开有一圈端盖螺纹孔10，用于与发动机试验台架连接；端盖1上还设置有密封件8，用于对安装火花塞2的安装孔进行密封。
其中，喷嘴组件的数量根据需求进行设计，本实施例中，喷嘴组件为18个，因此，用于安装喷嘴组件的通孔也为18个。
本发明的喷注面板的工作原理如下：
燃料或氧化剂中的一路气体或液体经由端盖1一侧的入口7进入密封腔体，腔体内气体通过喷嘴组件的中心通孔进入燃烧室；氧化剂或燃料的另一路气体或液体通过推进剂导流面板6内部的外周流道18压入圆形腔中，并由外周旋流件5侧壁的旋流孔进入喷嘴组件，最后沿喷嘴组件轴向通道进入燃烧室。氧气流道19和氢气流道20分别将氧气和氢气送入推进剂导流面板6的点火凹腔22中，配合火花塞2完成点火。
需要说明的是，本发明通过设计带中心通孔和不带中心通孔的两种中心直流件4以及带旋流孔21和不带旋流孔21的两种外周旋流件5实现推进剂的不均匀分布；对于每一个喷嘴组件，以中心直流件4通入氧气、外周旋流件5通入煤油为例，产生如下四种推进剂喷射方案：
带中心通孔的中心直流件4和带旋流孔21的外周旋流件5组装成的喷嘴组件可同时喷射氧气和煤油；
带中心通孔的中心直流件4和不带旋流孔21的外周旋流件对应件5-1组装成的喷嘴组件可只喷射氧气；
不带中心通孔的中心直流件对应件4-1和带旋流孔21的外周旋流件5组装成的喷嘴组件可只喷射煤油；
不带中心通孔的中心直流件对应件4-1和不带旋流孔21的外周旋流件对应件5-1组装成的喷嘴组件可不喷射氧气和煤油。
模块化设计的喷嘴组件使得每一个喷嘴均可以实现上述四种组合的推进剂喷射方案，通过指定某些特定喷嘴喷射单一组元推进剂或者不喷射推进剂，使其余喷嘴按照正常喷射单元喷射方式工作，由此实现推进剂的分布不均匀，这样容易诱发高频燃烧不稳定性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，包括端盖(1)、压紧盖板(3)、喷嘴组件、火花塞(2)和推进剂导流面板(6)；
其中，端盖(1)、压紧盖板(3)以及推进剂导流面板(6)顺序布置，并且压紧在一起；火花塞(2)依次穿过端盖(1)、压紧盖板(3)以及推进剂导流面板(6)的中心孔；
压紧盖板(3)与端盖(1)之间压紧后形成用于盛装氧化剂或燃料的密封腔体；压紧盖板(3)上沿轴向分布有用于安装喷嘴组件的多个盖板通孔(11)，推进剂导流面板(6)沿在与盖板通孔(11)位置对应处设置有面板通孔(15)；
所述喷嘴组件包括中心直流件(4)和外周旋流件(5)；中心直流件(4)的外圆周上设置有高、低两圈凸台；所有中心直流件(4)中的部分中心直流件(4)设置有中心通孔，另一部分中心直流件(4)未设置中心通孔；
所述外周旋流件(5)为中空圆柱状，中心通孔与中心直流件(4)的一端的外圆周面配合，且两者之间留有缝隙；中心直流件(4)的一端装配进入外周旋流件(5)的中心通孔后，中心直流件(4)的较低凸台抵在外周旋流件(5)的端面上，如此形成了喷嘴组件；所有外周旋流件(5)中的部分外周旋流件(5)上开有贯穿至中心通孔的数量至少为一个的旋流孔(21)，部分的外周旋流件(5)上未设置旋流孔(21)；其中，带中心通孔的中心直流件(4)或不带中心通孔的中心直流件(4)与带旋流孔(21)的外周旋流件(5)或不带旋流孔(21)的外周旋流件(5)组合形成喷嘴组件的要求为：实现推进剂的不均匀分布；
喷嘴组件的中心直流件(4)一端穿入盖板通孔(11)，其上的较高凸台一侧抵在压紧盖板(3)的端面上；喷嘴组件的中心直流件(4)一端穿入面板通孔(15)，其上的较高凸台的另一侧抵在推进剂导流面板(6)的端面上；
所述推进剂导流面板(6)的外侧端面的中心位置设置有用于实现点火的点火凹腔(22)；火花塞(2)的点火端置于该点火凹腔(22)内；
所述推进剂导流面板(6)的内部设置有将外部供应的燃料或氧化剂引流到各个喷嘴组件的旋流孔(21)的外周流道(18)以及分别将外部供应氧气和氢气引入到点火凹腔(22)中的氧气通道(19)和氢气通道(20)。
2.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，所述外周流道(18)包括环绕在喷嘴组件分布区域外部的两个半圆环槽以及与喷嘴组件位置对应的圆形腔；喷嘴组件置于所述圆形腔内，每个圆形腔均与半圆环槽联通。
3.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，所述端盖(1)的轴向开有一圈端盖通孔(9)，在压紧盖板(3)和推进剂导流面板(6)上与端盖通孔(9)对应位置分别开有盖板安装孔(13)和面板安装孔(16)，端盖通孔(9)、盖板安装孔(13)和面板安装孔(16)通过螺栓实现端盖(1)、压紧盖板(3)和推进剂导流面板(6)三者的固连,并与发动机燃烧室连接。
4.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，端盖(1)上开有一圈端盖螺纹孔(10)，用于与发动机试验台架连接。
5.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，端盖(1)上设置有密封件(8)，用于对安装火花塞(2)的安装孔进行密封。
6.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，喷嘴组件的数量为18个。
7.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，压紧盖板(3)与端盖(1)之间设置有密封环(12)。
8.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，端盖(1)设置有入口(7)，用于向密封腔体内通燃料或氧化剂。
9.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，旋流孔(21)的数量为1个至4个，均布在外周旋流件(5)的周向。
10.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，所述喷嘴组件由中心直流件(4)和外周旋流件(5)组成的形式包括四种：带中心通孔的中心直流件(4)与带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；带中心通孔的中心直流件(4)与不带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；不带中心通孔的中心直流件(4)与带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；不带中心通孔的中心直流件(4)与不带旋流孔(21)的外周旋流件(5)的组合形式；在所述喷注面板中布置的喷嘴组件的组合形式为所述四种组合形式的一种、两种、三种或者四种。
11.如权利要求1所述的一种火箭发动机喷注面板，其特征在于，所述氧化剂为液态或者气态；液态氧化剂包括液氧；气态氧化剂为氧气或者空气；燃料为液态或者气态：液态燃料包括煤油；气态燃料为氢气或者甲烷。
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