CN107676196B - 一种盖板连接的可堵塞式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可堵塞式火箭发动机推进剂偏置喷注面板，将同轴离心式喷嘴及和其外形相似的喷嘴堵头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；在喷嘴的模块化设计的基础上，使用喷嘴堵头，使燃料和氧化剂在堵头使用处不能进行喷射，由此再进行喷嘴组装时，可实现2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
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可堵塞式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可堵塞式火箭发动机推进剂偏置喷注面板，通过喷注面板组件的替换，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。
一种火箭发动机喷注面板，包括端盖(1)、压紧盖板(3)、喷嘴(4)、火花塞(2)、推进剂导流面板(6)以及喷嘴堵头(4-1)；
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(4)或喷嘴堵头(4-1)的多个盖板通孔(11)，推进剂导流面板沿在与盖板通孔(11)位置对应处设置有面板通孔(15)；
所述喷嘴(4)为沿轴向设置有中心通孔的圆柱，外圆周面上设置有环状凸台；喷嘴(4)的一个端面的中心通孔外侧开有沿轴向延伸的环形缝隙，本端的外圆周面上设置有贯穿至所述环形缝隙的数量至少为一个的旋流孔(21)；所述喷嘴堵头(4-1)为与喷嘴(4)外形一致但不设置有中心通孔和旋流孔(21)；
当某个盖板通孔(11)中安装喷嘴(4)时，喷嘴(4)未开有旋流孔(21)的一端穿入盖板通孔(11)，其上的凸台一侧抵在压紧盖板(3)的端面上；喷嘴(4)开有旋流孔(21)的一端穿入面板通孔(15)，其上的凸台的另一侧抵在推进剂导流面板(6)的端面上；当某个盖板通孔(11)中安装喷嘴堵头(4-1)时，喷嘴堵头(4-1)的一端穿入盖板通孔(11)，其上的凸台一侧抵在压紧盖板(3)的端面上；喷嘴堵头(4-1)另一端穿入面板通孔(15)，其上的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(4)的旋流孔(21)的外周流道(18)以及分别将外部供应的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(4)以及喷嘴堵头(4-1)分布区域外部的两个半圆环槽以及与喷嘴(4)或喷嘴堵头(4-1)位置对应的圆形腔；喷嘴(4)或喷嘴堵头(4-1)置于所述圆形腔内，每个圆形腔均与半圆环槽联通。
较佳的，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)，用于与发动试验台架室连接；
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(4)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3个，均布在外周旋流件(5)的周向。
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：
本发明的一种盖板连接的可堵塞式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；将同轴离心式喷嘴及和其外形相似的喷嘴堵头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；在喷嘴的模块化设计的基础上，使用喷嘴堵头，使燃料和氧化剂在堵头使用处不能进行喷射，由此再进行喷嘴组装时，可实现2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为本发明的喷注面板中中心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)为本发明中喷嘴的剖面图；图8(b)为本发明中喷嘴堵头的剖面图；
其中，1-端盖，2-火花塞，3-压紧盖板，4-喷嘴，4-1-喷嘴堵头，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4、火花塞2、推进剂导流面板6以及喷嘴堵头4-1；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4或喷嘴堵头4-1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。
如图8(a)和图8(b)所示，喷嘴4为沿轴向设置有中心通孔的圆柱，外圆周面上设置有环状凸台；喷嘴4的一个端面的中心通孔外侧开有沿轴向延伸的环形缝隙，本端的外圆周面上设置有贯穿至所述环形缝隙的数量至少为一个的旋流孔21；本实施例中，旋流孔21的数量为3个，均布在喷嘴4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，喷嘴堵头4-1不设中心通孔及外周旋流孔21。
当某个盖板通孔11中安装喷嘴4时，喷嘴4未开有旋流孔21的一端穿入盖板通孔11，其上的凸台一侧抵在压紧盖板3的端面上；喷嘴4开有旋流孔21的一端穿入面板通孔15，其上的凸台的另一侧抵在推进剂导流面板6的端面上；当某个盖板通孔11中安装喷嘴堵头4-1时，喷嘴堵头4-1的一端穿入盖板通孔11，其上的凸台一侧抵在压紧盖板3的端面上；喷嘴4另一端穿入面板通孔15，其上的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4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4以及喷嘴堵头4-1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4或喷嘴堵头4-1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4或喷嘴堵头4-1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，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4以及喷嘴堵头4-1的总数量根据需求进行设计，本实施例中，喷嘴4与喷嘴堵头4-1共18个，因此，用于安装喷嘴4和喷嘴堵头4-1的通孔也为18个。喷嘴4以及喷嘴堵头4-1在喷注面板上的分布方式根据喷注面板喷注方式进行设计。
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，并由喷嘴侧壁的外周旋流孔21进入喷嘴组件，最后沿喷嘴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，本发明通过设计喷嘴4和喷嘴堵头4-1实现推进剂的不均匀分布；对于每一个喷嘴4，以中心直流孔通入氧气、外周旋流孔21通入煤油为例，实现如下两种推进剂喷射方案：
带中心通孔和带旋流孔21的喷嘴4可同时喷射氧气和煤油；
不带中心通孔的和不带旋流孔21的喷嘴堵头4-1可不喷射氧气和煤油。
喷嘴4和喷嘴型堵头4-1的替换使用使得每一个喷嘴均可以实现上述两种组合的推进剂喷射方案，通过指定某些特定喷嘴喷射不喷射推进剂，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 (10)
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(4)、火花塞(2)、推进剂导流面板(6)以及喷嘴堵头(4-1)；
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(4)或喷嘴堵头(4-1)的多个盖板通孔(11)，推进剂导流面板沿在与盖板通孔(11)位置对应处设置有面板通孔(15)；
所述喷嘴(4)为沿轴向设置有中心通孔的圆柱，外圆周面上设置有环状凸台；喷嘴(4)的一个端面的中心通孔外侧开有沿轴向延伸的环形缝隙，本端的外圆周面上设置有贯穿至所述环形缝隙的数量至少为一个的旋流孔(21)；所述喷嘴堵头(4-1)为与喷嘴(4)外形一致但不设置有中心通孔和旋流孔(21)；
当某个盖板通孔(11)中安装喷嘴(4)时，喷嘴(4)未开有旋流孔(21)的一端穿入盖板通孔(11)，其上的凸台一侧抵在压紧盖板(3)的端面上；喷嘴(4)开有旋流孔(21)的一端穿入面板通孔(15)，其上的凸台的另一侧抵在推进剂导流面板(6)的端面上；当某个盖板通孔(11)中安装喷嘴堵头(4-1)时，喷嘴堵头(4-1)的一端穿入盖板通孔(11)，其上的凸台一侧抵在压紧盖板(3)的端面上；喷嘴堵头(4-1)另一端穿入面板通孔(15)，其上的凸台的另一侧抵在推进剂导流面板(6)的端面上；其中，盖板通孔(11)中选择安装喷嘴(4)或者喷嘴堵头(4-1)，满足推进剂的不均匀分布的要求；
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(4)的旋流孔(21)的外周流道(18)以及分别将外部供应的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(4)以及喷嘴堵头(4-1)分布区域外部的两个半圆环槽以及与喷嘴(4)或喷嘴堵头(4-1)位置对应的圆形腔；喷嘴(4)或喷嘴堵头(4-1)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)，用于与发动试验台架室连接。
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(4)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3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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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