CN108757222A - 一种三组元一体式喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

一种三组元一体式喷嘴组件包括喷嘴入口段(1)、燃气通道(2)、氧孔(3)、轴向中心管(4)、喷嘴环缝(6)、氢孔(7)、支撑片(8)、喷嘴出口段(9)、肋(10)、组件外壁(11)；喷嘴入口段(1)为燃气的入口，轴向中心管(4)靠近喷嘴入口段(1)的一侧通过肋(10)固定在组件外壁(11)上，轴向中心管(4)的外壁与组件外壁(11)之间形成燃气腔(5)，氢孔(7)设置在肋(10)下游的组件外壁(11)上并与该处的燃气腔(5)连通，在孔(7)下游的燃气腔内设置支撑片(8)，用于支撑并保证轴向中心管(4)与组件外壁(11)的同轴度；轴向中心管(4)的靠近喷嘴出口段(9)的一侧与组件外壁(11)之间形成喷嘴环缝(6)，喷嘴环缝(6)下游为喷嘴出口段(9)；氧孔(3)为径向孔穿过肋(10)与轴向中心管(4)连通。

Description

一种三组元一体式喷嘴组件

技术领域

本发明涉及一种三组元一体式喷嘴组件，可用于航空航天、热能工程、燃烧技术领域。

背景技术

高压补燃循环氢氧发动机具有大推力、高比冲等系列优点，是未来载人登月和深空探测重型运载火箭上面级的首选动力。美国、前苏联(俄罗斯)、日本等航天大国先后研制了SSME、RD-0120、LE-7系列百吨级大推力补燃氢氧发动机，发动机推力均在100～300吨之间，用于运载器的芯级动力系统，有利地提升了火箭运载能力。

从系统匹配、总装布局、组件要求等多方面考虑，高压补燃循环氢氧发动机推力室采用四底三腔喷注器结构，推进剂主要包括富氢燃气、液氧和气氢三部分。喷嘴组件是喷注器的重要组成部分。为了保证推进剂有效喷入燃烧室，并充分雾化、均匀混合，以实现推进剂的高效稳定燃烧，需要合理设计喷嘴组件结构。

现有补燃循环用喷嘴组件结构普遍存在氧喷嘴长度较长、结构复杂、加工制造难度大，在高温富氢燃气冲击下较长的氧喷嘴易产生高周疲劳、出现裂纹，氧与氢或燃气串腔、进而引起爆燃和烧蚀故障等一系列问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种低流阻损失、高稳定性、便于装配筛选的喷嘴组件结构。

本发明的技术解决方案是：一种三组元一体式喷嘴组件，包括喷嘴入口段、燃气通道、氧孔、轴向中心管、喷嘴环缝、氢孔、支撑片、喷嘴出口段、肋、组件外壁；

喷嘴入口段为燃气的入口，轴向中心管靠近喷嘴入口段的一侧通过肋固定在组件外壁上，轴向中心管的外壁与组件外壁之间形成燃气腔，氢孔设置在肋下游的组件外壁上并与该处的燃气腔连通，在孔下游的燃气腔内设置支撑片，用于支撑并保证轴向中心管与组件外壁的同轴度；轴向中心管的靠近喷嘴出口段的一侧与组件外壁之间形成喷嘴环缝，喷嘴环缝下游为喷嘴出口段；氧孔为径向孔穿过肋与轴向中心管连通。

进一步的，氧孔和轴向中心管构成氧喷嘴，氧孔对输入的氧进行节流，氧孔的数量为偶数个且沿轴向中心管轴向对称分布。

进一步的，氢孔对通入的氢进行节流，氢孔采用圆周均布的方式一圈或者多圈设置在组件外壁上。

进一步的，支撑片位于燃气腔内且与燃气流动方向非平行的两端面与轴向中心管轴线间的锐角小于等于45°。

进一步的，肋的数量为2个且间隔180°布置，肋位于燃气腔内且与燃气流动方向非平行的两端面与轴向中心管轴线间的锐角小于等于45°。

进一步的，轴向中心管在支撑片下游部分管径大于中心管其他部分管径。

进一步的，所有氧孔的截面面积之和小于轴向中心管中最小的管径。

进一步的，燃气腔中最小的截面面积至少为喷嘴环缝截面面积的1.8倍。

进一步的，喷嘴出口段的长度为轴向中心管出口处管径的0.5～1.5倍。

进一步的，所有氢孔的截面面积小于喷嘴环缝截面面积。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1)本发明喷嘴组件采用一体化结构，保证在装配前可以通过冷态气液流试验进行筛选，而且一体化结构避免了传统喷注器钎焊过程中由于热应力造成的喷嘴局部偏移导致的喷嘴燃气环缝不均匀问题。

2)本发明喷嘴组件通过肋结构将氧孔和轴向中心管有效连接；并且肋的与燃气流动方向非平行的两端面(端面3和端面4)与轴向中心管轴线间的锐角小于等于45°，可以有效减小肋端面流阻损失，且可以省去增材制造加工中的辅助支撑结构，简化成型过程，降低加工难度；

3)本发明燃气入口、氧入口、氢入口沿喷嘴组件轴向按右、中、左依次分布，即氧入口处于喷嘴组件中侧位置，氧喷嘴轴向中心管长度由氧孔在肋的位置确定。通过选择合适的氧喷嘴轴向中心管长度，可以使氧喷嘴声频与燃烧室错频，抑制喷注耦合声学不稳定的发生；

4)本发明氧喷嘴通过氧孔对输入的氧进行节流，即节流小孔位于入口处，便于在3D打印坯的基础上进行加工，确保节流结构的精度和喷嘴工艺一致性要求；节流小孔对称分布，可以保证氧喷嘴出口喷雾锥不出现单边倾斜问题；

5)氢孔对通入的氢进行节流，氢燃料通过氢孔进入燃气环腔，该环腔体积相对较大，内部流速较低，确保了氢与轴向流动的燃气均匀混合，有效提高燃烧效率；

6)喷嘴组件燃气腔内设置支撑片，一方面保证焊接过程中出口环缝间隙均匀，另一方面在试验过程中避免氧喷嘴轴向中心管因悬臂梁结构造成的断裂问题。支撑片与燃气流动方向非平行的两端面(端面1和端面2)与轴向中心管轴线间的锐角小于等于45°，省去了增材制造3D打印辅助支撑结构，简化成型过程，降低加工难度。

附图说明

图1为本发明正视图；

图2为本发明俯视图；

图3为图2的A-A向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的技术方案进一步详细说明：

一种三组元一体式喷嘴组件，如图1、2、3所示，包括喷嘴入口段1、燃气通道2、氧孔3、轴向中心管4、燃气腔5、喷嘴环缝6、氢孔7、支撑片8、喷嘴出口段9、肋10、组件外壁11；

喷嘴入口段1为燃气的入口，轴向中心管4靠近喷嘴入口段1的一侧通过肋10固定在组件外壁11上，轴向中心管4的外壁与组件外壁11之间形成燃气腔5，氢孔7设置在肋10下游的组件外壁11上并与该处的燃气腔5连通，在孔7下游的燃气腔内设置支撑片8，用于支撑并保证轴向中心管4与组件外壁11的同轴度；轴向中心管4的靠近喷嘴出口段9的一侧与组件外壁11之间形成喷嘴环缝6，喷嘴环缝6下游为喷嘴出口段9；氧孔3为径向孔穿过肋10与轴向中心管4连通。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的喷嘴组件为一体式结构。该结构可以直接加工为一体，也可以分部分加工，然后通过焊接方式连接为一体。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的喷嘴组件采用了独特的内部肋结构10，肋的与燃气流动方向非平行的两端面(端面3和端面4)与轴向中心管4轴线间的锐角小于等于45°，例如采用类似于“人”字形的结构，可以省去增材制造加工中的辅助支撑结构，简化成型过程，降低加工难度；该“人”字形肋用于连接氧孔3和轴向中心管4。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的燃气入口、氧入口、氢入口分别位于喷嘴组件的右、中、左侧，如图1所示。与右、中、左侧分别为氧入口、燃气入口、氢入口相比，氧喷嘴长度较短。氧喷嘴长度由氧孔3在肋10的位置确定，且通过设置入口小孔在肋的不同位置，得到合适的氧喷嘴长度，使氧喷嘴声频与燃烧室错频，抑制喷注耦合声学不稳定的发生。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，氧孔和轴向中心管构成氧喷嘴，氧孔3对输入的氧进行节流，氧孔的数量为偶数个且沿轴向中心管轴向对称分布。轴向中心管在支撑片下游部分管径大于中心管其他部分管径。调节氧孔总节流面积可以控制喷嘴压降，肋10的宽度决定了氧孔直径的大小，根据氧孔总节流面积和氧孔直径得到氧孔总数量。本实施例中给出了4个小孔。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的氢喷嘴采用一圈氢孔7进行节流，氢孔采用圆周均布的方式一圈或者多圈设置在组件外壁上。所有氢孔的截面面积小于喷嘴环缝截面面积。气氢在燃气腔内与轴向流动的燃气混合，然后通过喷嘴环缝6喷入燃烧室。所有氢孔的截面面积小于喷嘴环缝截面面积。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的燃气腔设置支撑片8，支撑片为3片、4片或多片，支撑片与燃气流动方向非平行的两端面(端面1和端面2)与轴向中心管轴线间的锐角小于等于45°。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的燃气腔中最小的截面面积至少为喷嘴环缝6截面面积的1.8倍，确保在合理利用空间分布前提下减少燃气腔中的流阻损失。喷嘴环缝6为燃气喷嘴的节流结构，通过调节喷嘴环缝6的截面面积，有效调节燃气喷嘴的压降。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的喷嘴出口段9的长度为轴向中心管出口处管径的0.5～1.5倍，确保燃气与氢的混合气在喷嘴出口段9区域内与氧进行预混，保证燃烧稳定性并提高燃烧效率。

在上述的一种三组元一体式喷嘴组件中，所述的轴向中心管4在支撑片下游部分管径大于中心管其他部分管径，通过调节下游部分管径控制氧的出口速度，确保燃气和氢形成的混合气的出口速度与氧出口速度的比在12-20之间，保证燃烧稳定性并提高燃烧效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：包括喷嘴入口段(1)、燃气通道(2)、氧孔(3)、轴向中心管(4)、喷嘴环缝(6)、氢孔(7)、支撑片(8)、喷嘴出口段(9)、肋(10)、组件外壁(11)；

喷嘴入口段(1)为燃气的入口，轴向中心管(4)靠近喷嘴入口段(1)的一侧通过肋(10)固定在组件外壁(11)上，轴向中心管(4)的外壁与组件外壁(11)之间形成燃气腔(5)，氢孔(7)设置在肋(10)下游的组件外壁(11)上并与该处的燃气腔(5)连通，在孔(7)下游的燃气腔内设置支撑片(8)，用于支撑并保证轴向中心管(4)与组件外壁(11)的同轴度；轴向中心管(4)的靠近喷嘴出口段(9)的一侧与组件外壁(11)之间形成喷嘴环缝(6)，喷嘴环缝(6)下游为喷嘴出口段(9)；氧孔(3)为径向孔穿过肋(10)与轴向中心管(4)连通。

2.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：氧孔(3)和轴向中心管(4)构成氧喷嘴，氧孔(3)对输入的氧进行节流，氧孔(3)的数量为偶数个且沿轴向中心管(4)轴向对称分布。

3.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：氢孔(7)对通入的氢进行节流，氢孔采用圆周均布的方式一圈或者多圈设置在组件外壁上。

4.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：支撑片(8)位于燃气腔内且与燃气流动方向非平行的两端面与轴向中心管(4)轴线间的锐角小于等于45°。

5.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：肋(10)的数量为2个且间隔180°布置，肋位于燃气腔内且与燃气流动方向非平行的两端面与轴向中心管(4)轴线间的锐角小于等于45°。

6.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：轴向中心管(4)在支撑片下游部分管径大于中心管其他部分管径。

7.如权利要求1或6所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：所有氧孔(3)的截面面积之和小于轴向中心管(4)中最小的管径。

8.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：燃气腔中最小的截面面积至少为喷嘴环缝(6)截面面积的1.8倍。

9.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：喷嘴出口段(9)的长度为轴向中心管出口处管径的0.5～1.5倍。

10.如权利要求1所述的一种三组元一体式喷嘴组件，其特征在于：所有氢孔(7)的截面面积小于喷嘴环缝(6)截面面积。