CN108343529A - 一种气膜冷却层板式喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气膜冷却层板式喷注器，包括喷注器本体，该喷注器本体内设有与燃料供应源连通的燃料流道、与氧化剂供应源连通的氧化剂流道，所述燃料流道包括依次连通的燃料入口通道、辐射状燃料分流腔和燃料分流通道，燃料分流通道的数量为多个，所述多个燃料分流通道沿燃料分流腔的中心轴线呈周向分布；所述氧化剂流道包括依次连通的氧化剂入口通道、氧化剂转向腔、辐射状氧化剂分流腔和氧化剂分流通道，氧化剂分流通道的数量为多个，所述燃料分流腔和氧化剂分流腔的中心轴线重合，所述多个氧化剂分流通道沿氧化剂分流腔的中心轴线呈周向分布。本发明采用气膜冷却方法对燃烧室身部及喷注器面板进行冷却，可提高喷注器及发动机的使用寿命。

Description

一种气膜冷却层板式喷注器

技术领域

本发明属于液体火箭发动机推进技术领域，涉及一种用于小推力姿控发动机上的喷注器装置，具体涉及一种采用头部气膜冷却的层板式喷注器。

背景技术

在液体火箭发动机中，喷注器对推进剂雾化、混合、燃烧及稳定性等方面具有决定性作用。传统喷注器一般采用三底两腔结构，燃料与氧化剂分别具有各自的集液腔，集液腔容积会降低小推力发动机的稳定性，使响应特性变差，脉冲性能及比冲下降，甚至会产生排气羽流污染对飞船或卫星硬件造成损坏。层板式喷注器是美国Aerojet公司在20世纪70年代研制的一种新型的液体火箭发动机喷注器，相比于传统的喷注器，层板式喷注器采用层板光刻技术和层板真空扩散焊技术，突破了传统机加工工艺的约束，能实现精确定位及尺寸要求。由于层板喷注器本身结构的特殊性，可保证燃料和氧化剂在喷注器流道内就开始进行撞击、雾化和混合，从而缩短了燃烧距离，减小了发动机特征长度、结构尺寸和结构质量，获得更高的燃烧效率；具有集液腔容积小，响应特性好，脉冲小，比冲大等特点。

喷注器是火箭发动机的重要部件，在其工作过程中由于受到燃烧室气动热的影响，使喷注器面板工作环境恶化而影响其正常工作甚至失效。对于层板式喷注器来说，由于层板厚度较小，层板与层板之间一般通过扩散焊连接而成，热量在喷注器各层板间传递。相对于一般喷注器来说，层板喷注器燃烧距离更短，喷注面板受热和机械载荷的影响更大，容易发生失效。

气膜冷却通过在喷注器周边的冷却孔或通过靠近头部的集液腔孔引入冷却剂或推进剂，在燃烧室壁面上形成均匀、稳定的冷却液膜或气膜保护层，对燃烧室内壁进行冷却。对于层板式喷注器来说，由于其特殊的制造工艺及喷注方式，能有效减小发动机特征长度、结构尺寸和结构质量，获得更高的燃烧效率。同时层板式喷注器还可实现精确流量控制和自冷却功能。在层板式喷注器头部布置一圈冷却孔，采用气膜冷却方法对燃烧室内壁进行冷却具有一定的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气膜冷却层板式喷注器，以燃烧室内壁及喷注器形成良好的冷却保护。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种气膜冷却层板式喷注器，包括层板式喷注器本体，该喷注器本体内设有与燃料供应源连通的燃料流道、与氧化剂供应源连通的氧化剂流道，所述燃料流道包括依次连通的燃料入口通道、辐射状燃料分流腔和燃料分流通道，燃料分流通道的数量为多个，所述多个燃料分流通道沿燃料分流腔的中心轴线呈周向分布；所述氧化剂流道包括依次连通的氧化剂入口通道、氧化剂转向腔、辐射状氧化剂分流腔和氧化剂分流通道，氧化剂分流通道的数量为多个，所述燃料分流腔和氧化剂分流腔的中心轴线重合，所述多个氧化剂分流通道沿氧化剂分流腔的中心轴线呈周向分布；所述燃料分流腔、氧化剂转向腔、氧化剂分流腔在喷注器本体内的高度位置相互错开，所述燃料分流通道位于氧化剂分流通道外侧。

进一步地，所述喷注器本体包括依次堆叠的第三分流板、第四分流板、第五分流板、第六分流板、第七分流板、第八分流板和第九分流板，所述第三分流板上设有与燃料供应源连通的第三通孔A、与氧化剂供应源连通的第三通孔B；所述第四分流板上设有与第三通孔A同轴且连通的辐射状燃料分流槽、与第三通孔B连通的第四通孔B；所述第五分流板上设有多个第五燃料分流孔和与第四通孔B连通的第五通孔B，所述多个第五燃料分流孔沿燃料分流槽的中心轴线呈周向分布且分别与燃料分流槽连通；

所述第六分流板、第七分流板、第八分流板和第九分流板上分别依次设有与第五燃料分流孔对应的第六燃料分流孔、第七燃料分流孔、第八燃料分流孔和第九燃料分流孔，各燃料分流孔数量相同且依次连通；

所述第六分流板上设有与第五通孔B连通且延伸至燃料分流槽中心轴线处的第五通槽，第七分流板上与燃料分流槽中心轴线相对应的位置设有与第五通槽连通的第七通孔B，第八分流板上设有与第七通孔B同轴且连通的辐射状氧化剂分流槽，第九分流板上设有多个第九氧化剂分流孔，所述多个第九氧化剂分流孔沿氧化剂分流槽的中心轴线呈周向分布且分别与氧化剂分流槽连通。

进一步地，所述喷注器本体还包括第十分流板，该第十分流板上设有多个与各第九氧化剂分流孔一一对应的第十氧化剂分流孔、多个与各第九燃料分流孔一一对应的第十燃料分流孔；第十分流板靠近第九分流板的一面开设有与燃料源连通的冷却剂分流槽，该冷却剂分流槽内开设有多个第十通孔。

进一步地，所述第三分流板、第四分流板、第五分流板、第六分流板、第七分流板、第八分流板和第九分流板上依次设有第三通孔C、第四通孔C、第五通孔C、第六通孔C、第七通孔C、第八通孔C和第九通孔C，第三通孔C、第四通孔C、第五通孔C、第六通孔C、第七通孔C、第八通孔C、第九通孔C和冷却剂分流槽依次连通。

进一步地，所述喷注器本体还包括由外至内依次堆叠于第三分流板上的顶层分流板、第一分流板和第二分流板，所述顶层分流板上开设有与燃料供应源连通的顶层通孔A和与氧化剂供应源连通的顶层通孔B，所述第一分流板上设有第一通槽、与顶层通孔A连通的第一通孔A和与顶层通孔B连通的第一通孔B，所述第一通槽与第一通孔A连通；所述第二分流板上设有与第一通孔A连通的第二通槽、与第一通槽连通的第二通孔C和与第一通孔B连通的第二通孔B；所述第二通孔C与第三通孔C连通，所述第二通孔B与第三通孔B连通，所述第二通槽与第三通孔A连通。

进一步地，所述喷注器本体还包括堆叠于顶层分流板上的顶层法兰盘，该顶层法兰盘内设有与顶层通孔A连通的燃料进口和与顶层通孔B连通的氧化剂进口。

进一步地，所述顶层法兰盘和顶层分流板通过螺栓连接，两者之间通过O型密封圈进行密封。

进一步地，所述冷却剂分流槽的深度为0.2-0.5mm，优选为0.25-0.35mm。

进一步地，所述喷注器本体还包括第十一分流板，该第十一分流板上设有多个与各个第十通孔一一对应的冷却剂分流孔、多个与各个第十燃料分流孔一一对应的第十一燃料分流孔和多个与各个第十氧化剂分流孔一一对应的第十一氧化剂分流孔。

进一步地，所述喷注器本体还包括溅板式喷注面板，该喷注面板上设有多个与各个冷却剂分流孔一一对应的冷却剂喷嘴、多个与各个第十一燃料分流孔一一对应的燃料喷嘴和多个与各个第十一氧化剂分流孔一一对应的氧化剂喷嘴。优选地，所述冷却剂喷嘴、燃料喷嘴、氧化剂喷嘴均为梯形。

作为本发明的一种实施方式，所述喷注面板上共设置8对喷嘴，相邻喷嘴之间的夹角为22.5°，冷却喷嘴的数目为32个。

进一步地，相邻分流板之间通过扩散焊连接。

进一步地，分流板的厚度为0.5-1mm。

本发明中，顶层通孔A、第一通孔A、第二通槽、第三通孔A、燃料分流槽、第五燃料分流孔、第六燃料分流孔、第七燃料分流孔、第八燃料分流孔、第九燃料分流孔、第十燃料分流孔、第十一燃料分流孔、燃料喷嘴依次连通，形成燃料流道；顶层通孔B、第一通孔B、……、第十一氧化剂分流孔、氧化剂喷嘴依次连通，形成氧化剂流道；第一通槽、第二通孔C第三通孔C、第四通孔C、第五通孔C、第六通孔C、第七通孔C、第八通孔C、第九通孔C、冷却剂分流槽及第十通孔、冷却剂分流孔和冷却剂喷嘴依次连通，形成冷却剂流道。

作为优选，燃料流道与冷却剂流道相通，采用燃料作为冷却剂即可。

第一通槽、第二通槽、第五通槽的设计，一方面可满足相应流道的转向，另一方面也可加强附近部件散热，进一步提升冷却效果。

本发明的设计，氧化剂流道、冷却剂流道及燃料流道与喷注器本身的接触面积大，有利于喷注器的降温；使用过程中，可在燃烧室壁面上形成均匀、稳定的冷却气膜保护层，对燃烧室内壁及喷注面板形成有效的冷却保护。

本发明将层板技术应用于液体火箭发动机喷注器上，提出一种新型的气膜冷却层板式喷注器，与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

（1）本发明提出的一种气膜冷却层板式喷注器，利用层板结构能实现精确定位及尺寸要求；同时通过对层板内部的孔及流道进行合理布置，不仅能实现精确的流量控制，还能对喷注器各层板（如分流板）进行有效的冷却。

（2）本发明提出的一种气膜冷却层板式喷注器，由于层板厚度小，能有效减小集液腔容积，具有结构简单，质量轻，响应特性的特点。同时喷注面板采用了溅板式喷注单元，相对于其他类型喷注单元来说具有性能高，相容性好，对工况及推进剂温度变化不敏感的优点。

（3）本发明的气膜冷却层板式喷注器，采用气膜冷却方法对燃烧室身部及喷注器面板进行冷却，可提高喷注器及发动机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的立体图。

图2为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的剖面结构示意图。

图3为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的顶层法兰盘的结构示意图。

图4为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的顶层分流板的结构示意图。

图5为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第一分流板的结构示意图。

图6为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第二分流板的结构示意图。

图7为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第三分流板的结构示意图。

图8为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第四分流板的结构示意图。

图9为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第五分流板的结构示意图。

图10为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第六分流板的结构示意图。

图11为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第七分流板的结构示意图。

图12为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第八分流板的结构示意图。

图13为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第九分流板的结构示意图。

图14为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第十分流板的结构示意图。

图15为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的第十一分流板的结构示意图。

图16为本发明的一种气膜冷却层板式喷注器的喷注面板的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1至图16所示，一种气膜冷却层板式喷注器，包括喷注器本体，所述喷注器本体包括依次堆叠的第三分流板5、第四分流板6、第五分流板7、第六分流板8、第七分流板9、第八分流板10和第九分流板11，所述第三分流板5上设有与燃料供应源连通的第三通孔A30、与氧化剂供应源连通的第三通孔B28；其特征在于，所述第四分流板6上设有与第三通孔A30同轴且连通的辐射状燃料分流槽33、与第三通孔B28连通的第四通孔B31；所述第五分流板7上设有多个第五燃料分流孔36和与第四通孔B31连通的第五通孔B34，所述多个第五燃料分流孔36沿燃料分流槽33的中心轴线呈周向分布且分别与燃料分流槽33连通；

所述第六分流板8、第七分流板9、第八分流板10和第九分流板11上分别依次设有与第五燃料分流孔36对应的第六燃料分流孔39、第七燃料分流孔42、第八燃料分流孔45和第九燃料分流孔48，各燃料分流孔数量相同且依次连通；

所述第六分流板8上设有与第五通孔B34连通且延伸至燃料分流槽33中心轴线处的第五通槽37，第七分流板9上与燃料分流槽33中心轴线相对应的位置设有与第五通槽37连通的第七通孔B40，第八分流板10上设有与第七通孔B40同轴且连通的辐射状氧化剂分流槽43，第九分流板11上设有多个第九氧化剂分流孔46，所述多个第九氧化剂分流孔46沿氧化剂分流槽43的中心轴线呈周向分布且分别与氧化剂分流槽43连通。

所述喷注器本体还包括第十分流板12，该第十分流板12上设有与第九氧化剂分流孔46相对应的第十氧化剂分流孔49、与第九燃料分流孔48对应的第十燃料分流孔52；第十分流板12靠近第九分流板11的一面开设有与燃料源连通的冷却剂分流槽51，该冷却剂分流槽51内开设有多个第十通孔50。

所述第三分流板5、第四分流板6、第五分流板7、第六分流板8、第七分流板9、第八分流板10和第九分流板11上依次设有第三通孔C29、第四通孔C32、第五通孔C35、第六通孔C38、第七通孔C41、第八通孔C44和第九通孔C47，第三通孔C29、第四通孔C32、第五通孔C35、第六通孔C38、第七通孔C41、第八通孔C44、第九通孔C47和冷却剂分流槽51依次连通。

所述喷注器本体还包括由外至内依次堆叠于第三分流板5上的顶层分流板2、第一分流板3和第二分流板4，所述顶层分流板2上开设有与燃料供应源连通的顶层通孔A20和与氧化剂供应源连通的顶层通孔B21，所述第一分流板3上设有第一通槽24、与顶层通孔A20连通的第一通孔A23和与顶层通孔B21连通的第一通孔B22，所述第一通槽与第一通孔A连通；所述第二分流板4上设有与第一通孔A23连通的第二通槽27、与第一通槽24连通的第二通孔C26和与第一通孔B22连通的第二通孔B25；所述第二通孔C26与第三通孔C29连通，所述第二通孔B25与第三通孔B28连通，所述第二通槽27与第三通孔A30连通。

优选地，可适当将第一通槽24设计的较长，可有效提升第一分流板及其附近部件的散热效果。

所述喷注器本体还包括堆叠于顶层分流板2上的顶层法兰盘1，该顶层法兰盘1内设有与顶层通孔A20连通的燃料进口18和与顶层通孔B21连通的氧化剂进口19，燃料进口18的进口端连接有燃料接管15，连接燃料供应源；氧化剂进口19的进口端连接有氧化剂接管16，连接氧化剂供应源。

所述冷却剂分流槽51的深度为0.3mm。

所述喷注器本体还包括第十一分流板13，该第十一分流板13上设有多个与各个第十通孔50一一对应的冷却剂分流孔54、多个与各个第十燃料分流孔52一一对应的第十一燃料分流孔55和多个与各个第十氧化剂分流孔49一一对应的第十一氧化剂分流孔53。

所述喷注器本体还包括溅板式喷注面板14，该喷注面板14上设有多个与各个冷却剂分流孔54一一对应的冷却剂喷嘴57、多个与各个第十一燃料分流孔55一一对应的燃料喷嘴58和多个与各个第十一氧化剂分流孔53一一对应的氧化剂喷嘴56。优选地，所述冷却剂喷嘴57、燃料喷嘴58、氧化剂喷嘴56均为梯形。进一步地，喷注面板与第十一分流板相对的一面开设有环形密封槽59，可在此安装环形密封圈，保证喷注器的密封性。

本发明中，喷注面板采用溅板式结构，相对于其他类型来说具有性能高，相容性好，对工况及推进剂温度变化不敏感的优点。

优选地，各分流板为圆形，氧化剂分流槽、燃料分流槽的中心轴线过分流板的圆心。

相邻分流板之间通过扩散焊连接。

分流板的厚度为0.75mm。

在各层板上均匀分布6个螺栓孔17，通过螺栓可将层板式喷注器各组件进行固定。

本实施方式中可采用绿色无毒推进剂组合气氧/甲烷分别作为氧化剂及燃料。通过喷注器的冷却流道内引入冷却剂或推进剂，在燃烧室壁面上形成均匀、稳定的冷却气膜保护层，对燃烧室内壁及喷注器面板进行冷却保护。

综上，本发明通过合理布置各层板上分流孔及分流槽的大小及尺寸，能实现精确的流量控制及喷注器自冷却功能。该层板式喷注器还具有气膜冷却作用，可根据试验要求选择合适的冷却剂对发动机喷注器面板及燃烧室壁面进行冷却。本发明提出的气膜冷却层板式喷注器具有结构简单，质量轻，响应特性快的特点，同时喷注面板采用了溅板式喷注单元，有利于提高燃烧效率，具有性能高，相容性好，对工况及推进剂温度变化不敏感的优点。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种气膜冷却层板式喷注器，包括层板式喷注器本体，其特征在于，该喷注器本体内设有与燃料供应源连通的燃料流道、与氧化剂供应源连通的氧化剂流道，所述燃料流道包括依次连通的燃料入口通道、辐射状燃料分流腔和燃料分流通道，燃料分流通道的数量为多个，所述多个燃料分流通道沿燃料分流腔的中心轴线呈周向分布；所述氧化剂流道包括依次连通的氧化剂入口通道、氧化剂转向腔、辐射状氧化剂分流腔和氧化剂分流通道，氧化剂分流通道的数量为多个，所述燃料分流腔和氧化剂分流腔的中心轴线重合，所述多个氧化剂分流通道沿氧化剂分流腔的中心轴线呈周向分布；所述燃料分流腔、氧化剂转向腔、氧化剂分流腔在喷注器本体内的高度位置相互错开，所述燃料分流通道位于氧化剂分流通道外侧。

2.根据权利要求1所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述喷注器本体包括依次堆叠的第三分流板（5）、第四分流板（6）、第五分流板（7）、第六分流板（8）、第七分流板（9）、第八分流板（10）和第九分流板（11），所述第三分流板（5）上设有与燃料供应源连通的第三通孔A（30）、与氧化剂供应源连通的第三通孔B（28）；所述第四分流板（6）上设有与第三通孔A（30）同轴且连通的辐射状燃料分流槽（33）、与第三通孔B（28）连通的第四通孔B（31）；所述第五分流板（7）上设有多个第五燃料分流孔（36）和与第四通孔B（31）连通的第五通孔B（34），所述多个第五燃料分流孔（36）沿燃料分流槽（33）的中心轴线呈周向分布且分别与燃料分流槽（33）连通；

所述第六分流板（8）、第七分流板（9）、第八分流板（10）和第九分流板（11）上分别依次设有与第五燃料分流孔（36）对应的第六燃料分流孔（39）、第七燃料分流孔（42）、第八燃料分流孔（45）和第九燃料分流孔（48），各燃料分流孔数量相同且依次连通；

所述第六分流板（8）上设有与第五通孔B（34）连通且延伸至燃料分流槽（33）中心轴线处的第五通槽（37），第七分流板（9）上与燃料分流槽（33）中心轴线相对应的位置设有与第五通槽（37）连通的第七通孔B（40），第八分流板（10）上设有与第七通孔B（40）同轴且连通的辐射状氧化剂分流槽（43），第九分流板（11）上设有多个第九氧化剂分流孔（46），所述多个第九氧化剂分流孔（46）沿氧化剂分流槽（43）的中心轴线呈周向分布且分别与氧化剂分流槽（43）连通。

3.根据权利要求2所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述喷注器本体还包括第十分流板（12），该第十分流板（12）上设有多个与各第九氧化剂分流孔（46）一一对应的第十氧化剂分流孔（49）、多个与各第九燃料分流孔（48）一一对应的第十燃料分流孔（52）；第十分流板（12）靠近第九分流板（11）的一面开设有与燃料源连通的冷却剂分流槽（51），该冷却剂分流槽（51）内开设有多个第十通孔（50）。

4.根据权利要求3所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述第三分流板（5）、第四分流板（6）、第五分流板（7）、第六分流板（8）、第七分流板（9）、第八分流板（10）和第九分流板（11）上依次设有第三通孔C（29）、第四通孔C（32）、第五通孔C（35）、第六通孔C（38）、第七通孔C（41）、第八通孔C（44）和第九通孔C（47），第三通孔C（29）、第四通孔C（32）、第五通孔C（35）、第六通孔C（38）、第七通孔C（41）、第八通孔C（44）、第九通孔C（47）和冷却剂分流槽（51）依次连通。

5.根据权利要求4所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述喷注器本体还包括由外至内依次堆叠于第三分流板（5）上的顶层分流板（2）、第一分流板（3）和第二分流板（4），所述顶层分流板（2）上开设有与燃料供应源连通的顶层通孔A（20）和与氧化剂供应源连通的顶层通孔B（21），所述第一分流板（3）上设有第一通槽（24）、与顶层通孔A（20）连通的第一通孔A（23）和与顶层通孔B（21）连通的第一通孔B（22），所述第一通槽与第一通孔A连通；所述第二分流板（4）上设有与第一通孔A（23）连通的第二通槽（27）、与第一通槽（24）连通的第二通孔C（26）和与第一通孔B（22）连通的第二通孔B（25）；所述第二通孔C（26）与第三通孔C（29）连通，所述第二通孔B（25）与第三通孔B（28）连通，所述第二通槽（27）与第三通孔A（30）连通。

6.根据权利要求5所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述喷注器本体还包括堆叠于顶层分流板（2）上的顶层法兰盘（1），该顶层法兰盘（1）内设有与顶层通孔A（20）连通的燃料进口（18）和与顶层通孔B（21）连通的氧化剂进口（19）。

7.根据权利要求3所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述冷却剂分流槽（51）的深度为0.2-0.5mm。

8.根据权利要求3所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述喷注器本体还包括第十一分流板（13），该第十一分流板（13）上设有多个与各个第十通孔（50）一一对应的冷却剂分流孔（54）、多个与各个第十燃料分流孔（52）一一对应的第十一燃料分流孔（55）和多个与各个第十氧化剂分流孔（49）一一对应的第十一氧化剂分流孔（53）。

9.根据权利要求8所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，所述喷注器本体还包括溅板式喷注面板（14），该喷注面板（14）上设有多个与各个冷却剂分流孔（54）一一对应的冷却剂喷嘴（57）、多个与各个第十一燃料分流孔（55）一一对应的燃料喷嘴（58）和多个与各个第十一氧化剂分流孔（53）一一对应的氧化剂喷嘴（56）。

10.根据权利要求2-8任一项所述的气膜冷却层板式喷注器，其特征在于，相邻分流板之间通过扩散焊连接；分流板的厚度为0.5-1mm。