CN111895449B - 用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，包括喷嘴盘、基座、涡流器、气液汇流管、液体推进剂接头、辅助雾化气接头和气体推进剂接头；喷嘴盘安装在基座下端面；涡流器同轴固定在基座的中心体下方整流腔内；气液汇流管同轴置于基座的中心体上方辅助雾化气通道内，且顶端通过法兰盖与喷注器基座相固连；液体推进剂接头同轴固定安装在位于气液汇流管上部的法兰盖中心孔内；辅助雾化气接头固定安装在基座的侧壁处；各气体推进剂接头沿周向均匀分布在基座侧壁处；本发明可实现高粘度液体推进剂的雾化燃烧。

Description

用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器

技术领域

本发明属于高粘度液体推进剂雾化设计领域，特别是一种用于高粘度液体推进剂的压力旋流式气泡雾化喷注器。

背景技术

在液体火箭发动机燃烧室中，喷注器作为其核心部件，直接关系到推进剂的喷注、雾化及混合，从而影响发动机的燃烧效率及燃烧稳定性，影响发动机比冲性能。

现今，火星探测器发动机大多采用自燃推进剂组合，没有充分利用火星资源，且具有污染性。二氧化碳在火星大气中占比最高，由于大气稀薄，昼夜温差大，环境条件恶劣，对推进系统提出了严峻挑战；并且火星拥有较大的重力，常规液体火箭发动机需要携带大量的推进剂来为探测器减速，对花费了巨大成本发射的远距离星际航行飞船来说，降低了用于火星探测的有效载荷，迫切需要开发可以利用火星二氧化碳资源的发动机。

离心式喷注器作为传统的喷注方式，在航空、航天动力装置中均有广泛的应用；相比直流式喷嘴，离心式喷注器能在较大的流量调节范围内保证雾化效果，使燃料与氧化剂快速掺混燃烧，提高燃烧效率及火焰稳定性。但是对于高粘度的推进剂雾化效果会显著降低，使发动机燃烧效率过低，无法满足应用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高粘度液体推进剂的压力旋流式气泡雾化喷注器，以提高了对高粘度液体的雾化效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，包括喷嘴盘、基座、涡流器、气液汇流管、液体推进剂接头、辅助雾化气接头和n个气体推进剂接头；

所述液体推进剂接头同轴的与气液汇流管固定，与气液汇流管相连通；所述基座从上向下依次设有辅助气路通道和整流腔；所述整流腔外部设有环形的外环通道；外环通道与整流腔同轴；整流腔顶端设有中心体，所述中心体沿轴向设有通孔；外壁设有环形槽；所述气液汇流管设置在中心体上方的辅助气路通道内，且顶端通过法兰盖与基座固连；所述气液汇流管从上向下依次设有中心管路和气泡预混室；气泡预混室顶部设有注气孔；涡流器置于中心体下方的整流腔内，与中心体固连；所述涡流器外壁设有螺旋通道；所述喷嘴盘与基座底端连接；述涡流器与喷嘴盘之间的空腔作为旋流室；所述喷嘴盘中心设有液体推进剂喷孔，液体推进剂喷孔与旋流室相连通；所述喷嘴盘上设有多个气体推进剂喷孔，多个气体推进剂喷孔沿液体推进剂喷孔周向均布，且喷口朝向液体推进剂喷孔；气体推进剂喷孔与外环通道相连通；所述辅助雾化气接头固定安装在基座的侧壁处，通过基座的径向通孔与辅助气路通道相连通；其中n为正数。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明设计的用于高粘度液体推进剂的离心式气泡雾化喷注器，与传统离心式喷注器相比，其雾化原理主要是通过克服液体的表面张力而非克服液体的粘性来达到雾化目的，雾化颗粒能够与助燃气体形成混合充分又均匀的液雾，雾化效果显著改善。

(2)本发明对同轴离心式喷注器和气泡雾化喷注器进行了组合，采用模块化设计思路，气液汇流管、旋流器、喷嘴盘均为整体可更换部件，减少了零部件数量，可以兼具改变喷注流量、雾化张角、内混程度等多种调节方案，为地面冷态实验提供便利。

(3)本发明设计的用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，由于应用了气泡雾化原理，与其它喷嘴相比气泡雾化喷嘴对粘度不敏感，不同的液体燃料粘度相差极大，但表面张力处于同一量级，因而也可适用于其他较低或更高粘度液体推进剂的雾化燃烧，适用范围广。

附图说明

图1为本发明离心式气泡雾化喷注器装配剖视图。

图2为本发明离心式气泡雾化喷注器俯视图。

图3为基座剖视图。

图4为基座仰视图。

图5为气液汇流管剖视图。

图6为喷嘴盘剖视图。

图7为涡流器正视图。

图8为涡流器左视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，包括喷嘴盘1、基座2、涡流器3、气液汇流管4、液体推进剂接头5、辅助雾化气接头6和n个气体推进剂接头7；

所述液体推进剂接头5同轴固定在位于气液汇流管4上部法兰盖的中心孔内，与气液汇流管4相连通；所述基座2为回转体结构，沿轴向从上向下依次设有辅助气路通道2-1和整流腔2-5；所述整流腔2-5外部设有环形的外环通道2-6；外环通道2-6与整流腔2-5同轴；整流腔2-5顶端设有中心体2-2，所述中心体2-2沿轴向设有通孔2-3；外壁设有环形槽2-4；所述气液汇流管4同轴安装在位于基座2中心体2-2上方的辅助气路通道2-1内，且顶端通过法兰盖与基座2相固连；所述气液汇流管4沿轴向从上向下依次设有中心管路4-3和气泡预混室4-2；气泡预混室4-2顶部设有注气孔4-1；涡流器3置于基座2中心体2-2下方的整流腔2-5内，并通过螺栓与中心体2-2的通孔2-3固连；所述涡流器3外壁设有螺旋通道3-1；所述喷嘴盘1与基座2底端采用法兰连接；所述涡流器3与喷嘴盘1之间的空腔作为旋流室2-9；所述喷嘴盘1中心设有液体推进剂喷孔1-1，液体推进剂喷孔1-1与旋流室2-9相连通；所述喷嘴盘1上设有多个气体推进剂喷孔1-2，多个气体推进剂喷孔1-2沿液体推进剂喷孔1-1周向均布，且喷口朝向液体推进剂喷孔1-1；气体推进剂喷孔1-2与外环通道2-6相连通；所述辅助雾化气接头6固定安装在基座2的侧壁处，通过基座2的径向通孔与辅助气路通道2-1相连通。其中n为正数，且1≤n≤4。

所述液体推进剂接头5和辅助雾化气接头6均为DN6焊接直通，气体推进剂接头7为DN10焊接直通。

所述离心式气泡雾化喷注器的工作过程为：

外部液体推进剂从液体推进剂接头5进入，依次经过气液汇流管4的中心管路4-3和气泡预混室4-2；外部雾化气从辅助雾化气接头6进入，流过由基座2中心体上方辅助雾化气通道2-1、从位于气液汇流管4下方的注气孔4-1注入气泡预混室4-2、与液体推进剂混合形成泡状流；泡状流流过位于基座2中心体2-2的环形槽2-4、进入由涡流器3外壁平面与中心体2-2下方整流腔2-5之间形成的整流通道、流入涡流器3螺旋通道3-1、进入旋流室2-9、在压力旋流作用下沿旋流室内壁高速旋转并从喷嘴盘1中心液体推进剂喷孔1-1内喷出；

外部气体推进剂从n个气体推进剂接头7进入，依次经过沿基座2周向分布的n个主气路通道2-11、进入基座2外环通道2-6，从喷嘴盘1的气体推进剂喷孔1-2喷出；

液体推进剂喷出后在周围高速气流的剪切作用下实现一次雾化，出口下游液体颗粒所包裹的气泡“爆炸”造成二次雾化；

结合图5，所述气液汇流管4下方的气泡预混室顶部沿周向均匀设置有m个注气孔4-1，m为正，且2≤m≤4；注气孔的直径为Φ1mm-1.5mm，与轴线的夹角为0-60°；所述喷嘴盘1中心为收敛通道1-3及液体推进剂喷孔1-1，收敛通道1-3收敛锥角为90-180°，液体推进剂喷注孔1-1直径为Φ1mm-2mm，长度为1mm-1.5mm；结合图6，所述喷嘴盘1沿中心周向均匀分布有p个气体推进剂喷注孔1-2，p为正数，且10≤p≤30，气体推进剂喷注孔1-2的直径为Φ1mm-3mm，与轴线夹角为0-45°。

所述辅助雾化气经m个注气孔4-1和外部液体推进剂在气泡预混室4-2内部混合均匀后，沿涡流器3螺旋通道3-1进入旋流室2-9，从喷嘴盘1中心液体推进剂喷孔1-1内喷出；外部气体推进剂从n个气体推进剂接头7进入，从喷嘴盘1的p个气体推进剂喷孔1-2内喷出。所述气液汇流管4中的液体推进剂，粘度为1-1400mPa.s，流量范围为5-1000g/s；m个注气孔4-1的辅助雾化气总流量范围为为1-20g/s；p个气体推进剂喷注孔1-2的总流量范围为5-1000g/s。

结合图1、图3、图4，所述的喷嘴盘1与基座2中心体下方整流腔2-5之间设有第一密封结构2-8，限制液体推进剂从基座2中心体下方整流腔2-5内泄露；喷嘴盘1与基座2主气路通道2-6之间设有第二密封结构2-7，以限制气体推进剂从主气路通道2-6泄露；气液汇流管4顶端的法兰盖与喷注器基座2上端面之间设有第三密封结构2-10，以限制辅助雾化气通道2-1内气体泄漏；位于气液汇流管4下端的气泡预混室4-2与喷注器基座2的中心体2-2之间设有第四密封结构8，以限制辅助雾化气向气泡预混室4-2内泄露。

Claims (6)

1.一种用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，其特征在于，包括喷嘴盘（1）、基座（2）、涡流器（3）、气液汇流管（4）、液体推进剂接头（5）、辅助雾化气接头（6）和n个气体推进剂接头（7）；其中n为正数；

所述液体推进剂接头（5）同轴的与气液汇流管（4）固定，与气液汇流管（4）相连通；所述基座（2）从上向下依次设有辅助气路通道（2-1）和整流腔（2-5）；所述整流腔（2-5）外部设有环形的外环通道（2-6）；外环通道（2-6）与整流腔（2-5）同轴；整流腔（2-5）顶端设有中心体（2-2），所述中心体（2-2）沿轴向设有通孔（2-3）；所述中心体（2-2）外壁设有环形槽（2-4）；所述气液汇流管（4）设置在中心体（2-2）上方的辅助气路通道（2-1）内，且顶端通过法兰盖与基座（2）固连；所述气液汇流管（4）从上向下依次设有中心管路（4-3）和气泡预混室（4-2）；外部液体推进剂从液体推进剂接头（5）进入，依次经过气液汇流管（4）的中心管和气泡预混室（4-2）；气泡预混室（4-2）顶部设有注气孔（4-1）；

所述辅助雾化气接头（6）固定安装在基座（2）的侧壁处，通过基座（2）的径向通孔与辅助气路通道（2-1）相连通；外部雾化气从辅助雾化气接头（6）进入、流过由基座（2）中心体上方辅助气路通道（2-1）、从位于气液汇流管（4）下方的注气孔（4-1）注入气泡预混室（4-2）、与液体推进剂混合形成泡状流；所述注气孔（4-1）个数为m个，满足2≤m≤4；涡流器（3）置于中心体（2-2）下方的整流腔（2-5）内，与中心体（2-2）固连；所述涡流器（3）外壁设有螺旋通道（3-1）；所述喷嘴盘（1）与基座（2）底端连接；所述涡流器（3）与喷嘴盘（1）之间的空腔作为旋流室（2-9）；所述喷嘴盘（1）中心设有液体推进剂喷孔（1-1），液体推进剂喷孔（1-1）与旋流室（2-9）相连通；

所述喷嘴盘（1）上设有多个气体推进剂喷孔（1-2），多个气体推进剂喷孔（1-2）沿中心周向均布，且喷口朝向液体推进剂喷孔（1-1）；所述气体推进剂喷注孔（1-2）个数为p个，满足10≤p≤30；所述气体推进剂喷注孔（1-2）与液体推进剂喷孔（1-1）轴线的夹角为0-60°；气体推进剂喷孔（1-2）与外环通道（2-6）相连通；泡状流流过位于基座(2)中心体（2-2）的环形槽（2-4）、进入由涡流器(3)外壁平面与中心体（2-2）下方整流腔（2-5）之间形成的整流通道、流入涡流器(3)螺旋通道、进入旋流室（2-9）、在压力旋流作用下沿旋流室内壁高速旋转并从喷嘴盘(1)中心液体推进剂喷注孔（1-1）内喷出；外部气体推进剂从气体推进剂接头（7）进入，依次经过沿基座（2）周向分布的主气路通道（2-11）、进入基座（2）外环通道（2-6），从喷嘴盘（1）气体推进剂喷注孔（1-2）喷出。

2.根据权利要求1所述的用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，其特征在于，所述气体推进剂接头(7)的个数满足1≤n≤4。

3.根据权利要求1所述的用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，其特征在于，所述液体推进剂接头（5）和辅助雾化气接头（6）均为DN6焊接直通，气体推进剂接头（7）为DN10焊接直通。

4.根据权利要求1所述的用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，其特征在于，所述的喷嘴盘（1）与基座（2）中心体下方整流腔（2-5）之间设有第一密封结构（2-8）；喷嘴盘（1）与基座（2）主气路通道（2-6）之间设有第二密封结构（2-7）；气液汇流管（4）顶端的法兰盖与喷注器基座（2）上端面之间设有第三密封结构（2-10）；位于气液汇流管（4）下端的气泡预混室（4-2）与喷注器基座（2）的中心体（2-2）之间设有第四密封结构（8）。

5.根据权利要求1所述的用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，其特征在于，所述喷嘴盘（1）中心设有与液体推进剂喷孔（1-1）相连的收敛通道1-3。

6.根据权利要求1所述的用于高粘度液体的离心式气泡雾化喷注器，其特征在于，所述气液汇流管(4)中的液体推进剂，流量范围为5-1000g/s；注气孔（4-1）的辅助雾化气总流量范围为1-20g/s；气体推进剂喷注孔（1-2）总流量范围为5-1000g/s。

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