CN110469428A - 适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器 - Google Patents

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Abstract

适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，涉及高粘液体推进剂气助雾化设计领域；包括针栓喷头、混合腔上盖板、整流器、中心杆内管、中心杆外管、外环盖板、喷注器壳体、液体推进剂接头、雾化气接头和n个气体推进剂接头；针栓喷头安装在喷注器壳体的底端；整流器固定安装在针栓喷头的顶部；混合腔上盖板设置在整流器与针栓喷头的连接处；中心杆内管和中心杆外管同轴固定安装在整流器的顶端；雾化气接头固定安装在中心杆内管的轴向顶端；液体推进剂接头设置在中心杆外管的侧壁处；外环盖板固定安装在喷注器壳体的底部；n个气体推进剂接头沿周向均匀分布；本发明组合了内混式结构，通过两级雾化实现高粘液体推进剂的高效雾化燃烧。

Description

适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器
技术领域
本发明涉及一种高粘液体推进剂气助雾化设计领域，特别是适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器。
背景技术
针栓喷注器是变推力液体火箭发动机的核心部件。相较于常用的离心或直流式喷嘴，针栓式喷注器具有喷注参数可深度调节的突出优势，在美国多型发动机、我国的登月发动机中都有应用，未来可回收式重复使用发动机、火星探测发动机对于针栓喷注器都有确定的需求。
目前，火星探测发动机大多采用自燃推进剂组合，没有充分利用火星资源。火星大气主要是由二氧化碳组成，昼夜温差大，环境条件极其苛刻，对推进系统提出了挑战。常规化学推进系统需要携带大量的推进剂，远距离星际航行时降低了用于火星探测的有效载荷，此外苛刻的环境也会影响发动机工作可靠性，亟需开发可以利用火星二氧化碳资源的针栓发动机。
在常规的针栓式发动机中，喷注器采用一级液液撞击式结构，可以适用于低粘度的自燃推进剂、液氧/烃推进剂的雾化混合燃烧，但是对于高粘度的凝胶推进剂雾化效果很差，导致其发动机燃烧效率过低，达不到应用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，在普通针栓喷注器结构的基础上，组合了内混式结构，通过两级雾化实现高粘液体推进剂的高效雾化燃烧。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，包括针栓喷头、混合腔上盖板、整流器、中心杆内管、中心杆外管、外环盖板、喷注器壳体、液体推进剂接头、雾化气接头和n个气体推进剂接头；其中，喷注器壳体为柱状壳体结构；针栓喷头轴向竖直固定安装在喷注器壳体的底端中部；整流器轴向竖直固定安装在针栓喷头的顶部；混合腔上盖板水平设置在整流器与针栓喷头的连接处；中心杆内管和中心杆外管同轴固定安装在整流器的顶端；中心杆外管套装在中心杆内管的外侧；且中心杆内管和中心杆外管的轴向顶端伸出喷注器壳体；雾化气接头固定安装在中心杆内管的轴向顶端；液体推进剂接头水平设置在中心杆外管轴向顶端的侧壁处；外环盖板为环状结构；外环盖板固定安装在喷注器壳体的底部；n个气体推进剂接头沿周向均匀设置在喷注器壳体的外壁；且n个气体推进剂接头与喷注器壳体的中空腔体连通；n为正整数。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，所述的1≤n≤4。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，所述两级雾化针栓喷注器的工作过程为：
外部液体推进剂从液体推进剂接头进入，依次经中心杆外管和中心杆内管的环形通道、流过整流器、混合腔上盖板进入针栓喷头；外部雾化气从雾化气接头进入，依次经中心杆内管、整流器、混合腔上盖板进入针栓喷头；外部液体推进剂和外部雾化气在针栓喷头内部混合均匀并从针栓喷头的侧壁喷出，形成第一次雾化；
外部气体推进剂从n个气体推进剂接头进入，依次经喷注器壳体内中空腔体、外环盖板上端，从针栓喷头外壁与外环盖板形成的环状喷嘴喷出；外部气体推进剂与第一次雾化后的液体推进剂再次撞击实现第二次雾化。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，所述针栓喷头轴向底端的侧壁沿周向均匀设置m个气液喷注孔，m为正整数，且2≤m≤16；气液喷注孔的直径为1.5-5mm。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，外部液体推进剂和外部雾化气在针栓喷头内部混合均匀后，从m个气液喷注孔喷出。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，针栓喷头的液体推进剂流量范围为100～1000g/s；针栓喷头的雾化气流量范围为1～30g/s。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，所述环状喷嘴的环缝宽度为1-10mm；环状喷嘴的气体推进剂流量范围为100-1000g/s。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，外部液体推进剂的粘度为1-1400mPa.s；第一次雾化实现将外部液体推进剂的雾化粒径减小至小于250μm；第一次雾化实现将外部液体推进剂的雾化粒径减小至小于100μm。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，所述的中心杆内管内壁直径为4-6mm；中心杆内管外壁与中心杆外管内壁之间间距为3mm-8mm。
在上述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，所述气体推进剂接头为DN20焊接直通；液体推进剂接头为DN8～DN15焊接直通，雾化气接头为DN4～DN6焊接直通。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明设计的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，喷出的高粘液体推进剂几乎在喷孔附近破碎成液滴，与普通高粘液体喷射器相比，破碎距离显著缩短；
(2)本发明对针栓喷注器和内混喷注器进行了组合集成，可以兼具针栓喷注器改变喷孔面积、内混掺气改变推进剂密度等多重变推力调节手段；
(3)本发明适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，也可以适用中低粘度液体推进剂的雾化燃烧，特别是对液氧/烃发动机的气液燃烧室也能适用；适用范围广。
附图说明
图1为本发明两级雾化真栓喷注器示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，在普通针栓喷注器结构的基础上，组合了内混式结构，通过两级雾化实现高粘液体推进剂的高效雾化燃烧。
如图1所示为两级雾化真栓喷注器示意图，由图可知，适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，包括针栓喷头1、混合腔上盖板2、整流器3、中心杆内管4、中心杆外管5、外环盖板6、喷注器壳体7、液体推进剂接头8、雾化气接头9和n个气体推进剂接头10；其中，喷注器壳体7为柱状壳体结构；针栓喷头1轴向竖直固定安装在喷注器壳体7的底端中部；整流器3轴向竖直固定安装在针栓喷头1的顶部；混合腔上盖板2水平设置在整流器3与针栓喷头1的连接处；中心杆内管4和中心杆外管5同轴固定安装在整流器3的顶端；中心杆外管5套装在中心杆内管4的外侧；中心杆内管4内壁直径为4-6mm；中心杆内管4外壁与中心杆外管5内壁之间间距为3mm-8mm。且中心杆内管4和中心杆外管5的轴向顶端伸出喷注器壳体7；雾化气接头9固定安装在中心杆内管4的轴向顶端；液体推进剂接头8水平设置在中心杆外管5轴向顶端的侧壁处；外环盖板6为环状结构；外环盖板6固定安装在喷注器壳体7的底部；n个气体推进剂接头10沿周向均匀设置在喷注器壳体7的外壁；且n个气体推进剂接头10与喷注器壳体7的中空腔体连通；n为正整数，且1≤n≤4。气体推进剂接头10为DN20焊接直通；液体推进剂接头8为DN8～DN15焊接直通，雾化气接头9为DN4～DN6焊接直通。
所述两级雾化针栓喷注器的工作过程为：
外部液体推进剂从液体推进剂接头8进入，依次经中心杆外管5和中心杆内管4的环形通道、流过整流器3、混合腔上盖板2进入针栓喷头1；外部雾化气从雾化气接头9进入，依次经中心杆内管4、整流器3、混合腔上盖板2进入针栓喷头1；外部液体推进剂和外部雾化气在针栓喷头1内部混合均匀并从针栓喷头1的侧壁喷出，形成第一次雾化；
外部气体推进剂从n个气体推进剂接头10进入，依次经喷注器壳体7内中空腔体、外环盖板6上端，从针栓喷头1外壁与外环盖板6形成的环状喷嘴12喷出；外部气体推进剂与第一次雾化后的液体推进剂再次撞击实现第二次雾化。
所述针栓喷头1轴向底端的侧壁沿周向均匀设置m个气液喷注孔11，m为正整数，且2≤m≤16；气液喷注孔11的直径为1.5-5mm。外部液体推进剂和外部雾化气在针栓喷头1内部混合均匀后，从m个气液喷注孔11喷出。
针栓喷头1的液体推进剂流量范围为100～1000g/s；针栓喷头1的雾化气流量范围为1～30g/s。
所述环状喷嘴12的环缝宽度为1-10mm；环状喷嘴12的气体推进剂流量范围为100-1000g/s。
外部液体推进剂的粘度为1-1400mPa.s；第一次雾化实现将外部液体推进剂的雾化粒径减小至小于250μm；第一次雾化实现将外部液体推进剂的雾化粒径减小至小于100μm。
混合腔上盖板2集成了液体推进剂喷孔和雾化气喷孔，混合腔上盖板、针栓喷头和整流器之间采用径向密封和轴向密封相组合的方式实现各组通道的气液隔离。其中，液体推进剂喷孔直径为Φ1mm～Φ2mm，喷孔数量为4～18，喷孔位置与整流器上液体推进剂通道对齐并沿混合腔上盖板周向均布；雾化气喷孔直径为Φ0.2mm～Φ1mm，喷孔数量为10～30，喷孔位置与整流器上雾化气通道对齐并在混合腔上盖板中心腔道上均匀分布。
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 (10)

1.适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：包括针栓喷头(1)、混合腔上盖板(2)、整流器(3)、中心杆内管(4)、中心杆外管(5)、外环盖板(6)、喷注器壳体(7)、液体推进剂接头(8)、雾化气接头(9)和n个气体推进剂接头(10)；其中，喷注器壳体(7)为柱状壳体结构；针栓喷头(1)轴向竖直固定安装在喷注器壳体(7)的底端中部；整流器(3)轴向竖直固定安装在针栓喷头(1)的顶部；混合腔上盖板(2)水平设置在整流器(3)与针栓喷头(1)的连接处；中心杆内管(4)和中心杆外管(5)同轴固定安装在整流器(3)的顶端；中心杆外管(5)套装在中心杆内管(4)的外侧；且中心杆内管(4)和中心杆外管(5)的轴向顶端伸出喷注器壳体(7)；雾化气接头(9)固定安装在中心杆内管(4)的轴向顶端；液体推进剂接头(8)水平设置在中心杆外管(5)轴向顶端的侧壁处；外环盖板(6)为环状结构；外环盖板(6)固定安装在喷注器壳体(7)的底部；n个气体推进剂接头(10)沿周向均匀设置在喷注器壳体(7)的外壁；且n个气体推进剂接头(10)与喷注器壳体(7)的中空腔体连通；n为正整数。
2.根据权利要求1所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：所述的1≤n≤4。
3.根据权利要求2所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：所述两级雾化针栓喷注器的工作过程为：
外部液体推进剂从液体推进剂接头(8)进入，依次经中心杆外管(5)和中心杆内管(4)的环形通道、流过整流器(3)、混合腔上盖板(2)进入针栓喷头(1)；外部雾化气从雾化气接头(9)进入，依次经中心杆内管(4)、整流器(3)、混合腔上盖板(2)进入针栓喷头(1)；外部液体推进剂和外部雾化气在针栓喷头(1)内部混合均匀并从针栓喷头(1)的侧壁喷出，形成第一次雾化；
外部气体推进剂从n个气体推进剂接头(10)进入，依次经喷注器壳体(7)内中空腔体、外环盖板(6)上端，从针栓喷头(1)外壁与外环盖板(6)形成的环状喷嘴(12)喷出；外部气体推进剂与第一次雾化后的液体推进剂再次撞击实现第二次雾化。
4.根据权利要求3所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：所述针栓喷头(1)轴向底端的侧壁沿周向均匀设置m个气液喷注孔(11)，m为正整数，且2≤m≤16；气液喷注孔(11)的直径为1.5-5mm。
5.根据权利要求4所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：外部液体推进剂和外部雾化气在针栓喷头(1)内部混合均匀后，从m个气液喷注孔(11)喷出。
6.根据权利要求5所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：针栓喷头(1)的液体推进剂流量范围为100～1000g/s；针栓喷头(1)的雾化气流量范围为1～30g/s。
7.根据权利要求6所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：所述环状喷嘴(12)的环缝宽度为1-10mm；环状喷嘴(12)的气体推进剂流量范围为100-1000g/s。
8.根据权利要求7所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：外部液体推进剂的粘度为1-1400mPa.s；第一次雾化实现将外部液体推进剂的雾化粒径减小至小于250μm；第一次雾化实现将外部液体推进剂的雾化粒径减小至小于100μm。
9.根据权利要求8所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：所述的中心杆内管(4)内壁直径为4-6mm；中心杆内管(4)外壁与中心杆外管(5)内壁之间间距为3mm-8mm。
10.根据权利要求9所述的适用于高粘液体的两级雾化针栓喷注器，其特征在于：所述气体推进剂接头(10)为DN20焊接直通；液体推进剂接头(8)为DN8～DN15焊接直通，雾化气接头(9)为DN4～DN6焊接直通。
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