CN112324589B - 针栓喷注器及具有其的液体火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针栓喷注器及具有其的液体火箭发动机。针栓喷注器，包括：针栓，所述针栓设有沿所述针栓的轴向延伸的内流通道，且所述针栓的其中一端为用于伸入至燃烧室的头部，所述头部为向所述针栓的内部凹陷的内凹结构，所述头部的最深处设有与所述内流通道连通的安装孔；以及旋流件，设置于所述安装孔内，所述旋流件设有与所述内流通道连通的导流通道，所述导流通道用于使所述内流通道内的推进剂在经过所述导流通道后贴附着所述头部的外壁流动。在上述的针栓喷注器以及液体火箭发动机中，内流通道内的推进剂能够在旋流件的作用下贴附着所述针栓的头部的外壁流动，将针栓头部与高温燃气隔绝开，实现针栓头部的热防护。

Description

针栓喷注器及具有其的液体火箭发动机

技术领域

本发明涉及喷注器技术领域，特别是涉及针栓喷注器及具有其的液体火箭发动机。

背景技术

液体火箭发动机通过燃烧将推进剂中的化学能转化为动能，是航天运输必不可少的动力装置。在液体火箭发动机中，液体推进剂通过喷注器进入燃烧室，随后液体氧化剂和燃料破碎成液滴，在高温条件下蒸发为气态进而发生化学反应产生高温燃气，高温燃气经由喷管喷出后产生推力。喷注器决定了推进剂进入燃烧室的速度、分布以及雾化性能，因此对发动机的性能有着重要影响。

目前，针栓喷注器因其具有低成本、结构可靠等优势在液体火箭发动机中得到了大量应用。由于针栓喷注器伸入到燃烧室内部，因此针栓喷注器一个显著的问题是针栓的头部会因受到高温燃气的侵蚀，极易损坏进而影响发动机正常工作。而现有的防止针栓头部被高温燃气侵蚀的方案中，会导致推进剂的燃烧的性能降低或稳定性变差，可靠性较低。

发明内容

基于此，有必要供一种可靠性高、效率高的针栓喷注器及具有其的液体火箭发动机。

一种针栓喷注器，包括：针栓，所述针栓设有沿所述针栓的轴向延伸的内流通道，且所述针栓的其中一端为用于伸入至燃烧室的头部，所述头部为向所述针栓的内部凹陷的内凹结构，所述头部的最深处设有与所述内流通道连通的安装孔；以及旋流件，设置于所述安装孔内，所述旋流件设有与所述内流通道连通的导流通道，所述导流通道用于使所述内流通道内的推进剂在经过所述导流通道后贴附着所述头部的外壁流动。

在其中一个实施例中，所述头部为向所述针栓的内部凹陷的锥形结构，所述锥形结构的顶角处设有所述安装孔。

在其中一个实施例中，所述锥形结构的轴线与所述针栓的轴线重合。

在其中一个实施例中，所述旋流件包括柱形主体，所述导流通道为螺旋设置在所述柱形主体外周侧的螺旋凹槽。

在其中一个实施例中，所述螺旋凹槽为多个，多个所述螺旋凹槽并列设置在所述柱形主体的外表面，且多个所述螺旋凹槽的出口沿所述导流通道的周向间隔设置，所述内流通道内的推进剂能够在多个所述螺旋凹槽的作用下以所述安装孔为中心贴附着所述头部的外壁向四周扩散。

在其中一个实施例中，所述旋流件包括柱形主体，所述导流通道为螺旋设置在所述柱形主体外周侧的螺旋凹槽；所述螺旋凹槽为多个，多个所述螺旋凹槽并列设置在所述柱形主体的外表面，且多个所述螺旋凹槽的出口沿所述导流通道的周向间隔设置；

所述柱形主体与所述针栓的轴线重合，所述螺旋凹槽与所述柱形主体的横截面的夹角，小于或等于所述锥形结构的母线与所述柱形主体的横截面的夹角。

在其中一个实施例中，所述旋流件包括柱形主体，所述导流通道包括贯穿所述柱形主体远离所述内流通道的一端的旋流室、以及贯穿所述柱形主体的圆周侧的切向通道，所述切向通道与所述内流通道连通。

在其中一个实施例中，所述旋流室的横截面为圆形，所述切向通道与所述旋流室的外周相切。

在其中一个实施例中，所述切向通道为多个，多个所述切向通道沿所述旋流室的周向间隔设置。

一种液体火箭发动机，包括如上所述的针栓喷注器。

在上述的针栓喷注器以及液体火箭发动机中，内流通道内的推进剂能够在旋流件的作用下贴附着所述针栓的头部的外壁流动，形成液膜，将针栓头部与高温燃气隔绝开，实现针栓头部的热防护。因此仅用少量推进剂就能实现更好的热防护。同时，冷却用推进剂沿针栓的头部外壁运动，最终能够参与到与另一种推进剂的混合燃烧过程，因此对燃烧性能影响小。进一步地，推进剂沿着针栓头部外壁运动，最终会流向针栓头部外围，对中心流场的影响小，不影响燃烧的稳定性，可靠性高。

附图说明

图1为传统技术中针栓喷注器及具有其的火箭发动机的结构示意图；

图2为传统技术中针栓喷注器的针栓的结构示意图；

图3为本发明一实施例中的针栓喷注器的针栓的结构示意图；

图4为本发明一实施例中的旋流件的结构示意图；

图5为本发明另一实施例中的针栓喷注器的针栓的结构示意图；

图6为本发明另一实施例中的旋流件的结构示意图；

图7为图6所示图形沿B-B截面的剖视结构示意图；

图8为图6所示图形沿A-A截面的剖视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如背景技术所述，现有的防止针栓头部被高温燃气侵蚀的方案中，会存在导致推进剂的燃烧性能降低或稳定性变差的问题，可靠性较低。具体原因如下：

如图1给出的结构，包含燃烧室400以及针栓喷注器100，所述针栓喷注器100包括面板120、盖体130以及针栓110，针栓110的头部伸入到燃烧室400内。其中一种推进剂从针栓110内部的内流通道111沿针栓110的轴向流入，最后由喷孔112喷出；另外一种推进剂则从由针栓110外侧壁和面板120组成的环形通道102喷出，并以液膜形式沿着针栓110外侧壁的壁面向下流动；最后两种推进剂在针栓110头部撞击，进而破碎雾化燃烧。

考虑针栓110头部容易被烧蚀，传统方案中通常会采取以下一些措施：

1、采用一些隔热或者烧蚀材料隔离针栓110头部和高温燃气。这种方式不利于发动机长时间工作，并且会导致发动机的可重复使用差。

2、如图2所示，在针栓110的头部沿轴向开孔113，通过该开孔113在针栓110向燃烧室400喷注推进剂阻止高温燃气向针栓110头部流动，进而实现针栓110头部的热防护。在这种方式中，由于射流的喷注速度高，单孔的影响范围小，通常需要较密集的开孔113才能覆盖针栓110头部。这样在针栓110头部下方就会耗费大量推进剂，降低中心推进剂与外围推进的混合，不利于燃烧的高性能。此外，由于针栓110头部下游存在对燃烧稳定性极为重要的大尺度回流区，针栓110头部开孔113喷注推进剂对中心回流区影响大，不利于燃烧的稳定。

针对以上不足，如图3所示，一实施例提供的一种针栓喷注器，包括针栓200、面板、盖板以及旋流件310。

可参照图1中的结构，面板为环形结构，与燃烧室通过焊接的方式连接，且面板设有与燃烧室同轴的第一内孔，针栓200穿设于第一内孔并伸入到燃烧室内，且针栓200与第一内孔的孔壁之间形成有环形通道。

所述盖体与所述面板连接，且所述盖体设有与所述第一内孔间隔相对的第二内孔，针栓200穿设于第二内孔中，并与第二内孔的孔壁密封配合。

具体地，盖体与面板通过焊接的方式连接，且盖体的第二内孔与面板的第一内孔同轴设置，第二内孔的孔径与针栓200外侧壁的直径相同。针栓200与盖体的第二内孔配合安装，且所述针栓200、所述盖体以及所述面板配合形成集合腔，集合腔位于燃烧室的外部。

进一步地，所述针栓200沿所述针栓200的轴向延伸的内流通道211，且所述针栓200的圆周侧设有与所述内流通道211连通的喷射部212，所述喷射部212位于所述集合腔外，且喷射部212用于连通燃烧室以及内流通道211。

可选地，所述喷射部212为沿所述针栓200的周向均匀间隔设置的多个喷孔；或所述喷射部212为与所述针栓200同轴的环缝。

具体地，所述针栓200的其中一端为用于伸入至燃烧室的头部210，且喷射部212设置于靠近所述针栓200的头部210的位置。

需要说明的是，所述的针栓200呈圆柱形，针栓200的圆周侧是指针栓200呈曲面的一侧。

进一步地，所述头部210为向所述针栓200的内部凹陷的内凹结构，所述头部210的最深处设有与所述内流通道211连通的安装孔。

具体地，针栓200的头部210为针栓200用于伸入至燃烧室内的端面，该端面为向所述针栓200的内部凹陷的内凹结构，所述的头部210的最深处即为所述头部210中凹陷的程度最大的区域。

旋流件310设置于所述安装孔内，所述旋流件310设有与所述内流通道211连通的导流通道，所述导流通道用于使所述内流通道211内的推进剂在经过所述导流通道后贴附着所述针栓200的头部210的外壁流动。

上述的针栓喷注器中，其中一种推进剂通过针栓200内部的内流通道211流向喷射部212，并经过喷射部212喷入燃烧室。另外一种推进剂则从由针栓200外侧壁和面板组成的环形通道喷出，并以液膜形式沿着针栓200外侧壁的壁面向下游流动；最后两种推进剂在针栓200头部210撞击，进而破碎雾化。

另外，在上述的针栓喷注器中，内流通道211内的推进剂还能够在旋流件310的作用下贴附着所述针栓200的头部210的外壁流动，形成液膜，将针栓200头部210与高温燃气隔绝开，实现针栓200头部210的热防护，因此仅用少量推进剂就能实现更好的热防护。同时，冷却用推进剂沿针栓200的头部210外壁运动，最终能够参与到与另一种推进剂的混合燃烧过程，因此对燃烧性能影响小。进一步地，推进剂沿着针栓200头部210外壁运动，最终会流向针栓200头部210外围，对中心流场的影响小，不影响燃烧的稳定性，可靠性高。

在其中一个实施例中，所述针栓200的头部210为向所述针栓200的内部凹陷的锥形结构，所述锥形结构的顶角处设有所述安装孔。针栓200的头部210为锥形结构，外表面平滑，有利于推进剂沿着针栓200头部210的外表面运动。

当然，在其他实施例中，针栓200的头部210也可以是波形或其他结构。

进一步地，所述锥形结构的轴线与所述针栓200的轴线重合。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述旋流件310包括与所述安装孔的孔壁抵持的柱形主体311，所述导流通道为螺旋设置在所述柱形主体311外周侧的螺旋凹槽312。螺旋凹槽312为螺旋状，当推进剂从内流通道211流至螺旋凹槽312内后，之后推进剂会沿着针栓200头部210的外表面运动。

具体地，螺旋凹槽312为多个，多个螺旋凹槽312并列设置在柱形主体的外表面，且多个螺旋凹槽312的出口沿所述导流通道的周向间隔设置，所述内流通道211内的推进剂能够在多个所述螺旋凹槽312的作用下产生旋流运动，最终以所述安装孔为中心贴附着所述头部210的外壁向四周扩散。

在一个优选的实施例中，多个螺旋凹槽312的出口沿所述导流通道的周向均匀间隔设置。如此，从多个螺旋凹槽312的出口出来的推进剂能够向针栓200的头部210的外壁均匀扩散。

当然，在其他实施例中，螺旋凹槽312的数量也可以为1个。

如图3、图4所示，进一步地，每个螺旋凹槽312的出口与安装孔远离所述内流通道211的一端平齐。如此，可以保证针栓200头部210的外壁被推进剂全面覆盖。

进一步地，所述柱形主体311与所述针栓200的轴线重合，所述螺旋凹槽312与所述柱形主体311的横截面的夹角，小于或等于所述锥形结构的母线与所述柱形主体311的横截面的夹角。如此，可以使得，从多个螺旋凹槽312的出口出来的推进剂贴附着所述针栓200的头部210的外壁流动。

需要说明的是，所述螺旋凹槽312与所述柱形主体311的横截面所在的平面的夹角为所述螺旋凹槽312与所述柱形主体311的横截面所在的平面所成的锐角，所述的所述锥形结构的母线与所述柱形主体311的横截面所在的平面的夹角为所述的所述锥形结构的母线与所述柱形主体311的横截面所在的平面所成的锐角。

图5-图8所示，在另一个实施例中，所述旋流件320包括柱形主体321，所述导流通道包括贯穿所述柱形主体321远离所述内流通道211的一端的旋流室322、以及贯穿所述柱形主体321的圆周侧的切向通道323，所述切向通道323的延伸方向与所述内流通道211连通。如此，内流通道211内的推进剂能够首先通过切向通道323后进入到旋流室322内，之后在旋流室322内形成旋流液膜，最后贴着头部210的外壁流动，用于冷却隔热。

进一步地，所述旋流室322的横截面为圆形，所述切向通道323为圆孔状，且切向通道323与所述旋流室322的外周相切。

更进一步地，所述切向通道323为多个，多个所述切向通道323沿所述旋流室322的周向间隔设置，所述内流通道211内的推进剂能够在多个所述切向通道323的作用下在旋流室322内形成旋流液膜。

具体到本实施例中，切向通道323为4个，相邻两个切向通道323的轴线垂直，且每个切向通道323的轴线均不穿过旋流室322的轴心。通过4个切向通道323进入到旋流室322内的推进剂的运动方向相同，如此，内流通道211内的推进剂能够在4个所述切向通道323的作用下在旋流室322内形成旋流液膜。

当然，所述的切向通道323的数量也可以为1个。

一实施例还涉及一种液体火箭发动机，包括如上所述的针栓喷注器。

如图3所示，上述的液体火箭发动机具有上述的针栓喷注器中，在上述的针栓喷注器中，其中一种推进剂通过针栓200内部的内流通道211流向喷射部212，并经过喷射部212喷入燃烧室。另外一种推进剂则从由针栓200外侧壁和面板组成的环形通道喷出，并以液膜形式沿着针栓200外侧壁的壁面向下游流动；最后两种推进剂在针栓200头部210撞击，进而破碎雾化。

另外，在上述的针栓喷注器中，内流通道211内的推进剂还能够在旋流件的作用下贴附着所述针栓200的头部210的外壁流动，形成液膜，将针栓200头部210与高温燃气隔绝开，实现针栓200头部210的热防护。因此仅用少量推进剂就能实现更好的热防护。同时，冷却用推进剂沿针栓200的头部210外壁运动，最终能够参与到与另一种推进剂的混合燃烧过程，因此对燃烧性能影响小。进一步地，推进剂沿着针栓200头部210外壁运动，最终会流向针栓200头部210外围，对中心流场的影响小，不影响燃烧的稳定性，可靠性高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种针栓喷注器，其特征在于，所述针栓喷注器包括：

针栓，所述针栓设有沿所述针栓的轴向延伸的内流通道，且所述针栓的其中一端为用于伸入至燃烧室的头部，所述头部为向所述针栓的内部凹陷的内凹结构，所述头部的最深处设有与所述内流通道连通的安装孔；以及旋流件，设置于所述安装孔内，所述旋流件设有与所述内流通道连通的导流通道，所述导流通道用于使所述内流通道内的推进剂在经过所述导流通道后贴附着所述头部的外壁流动。

2.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，所述头部为向所述针栓的内部凹陷的锥形结构，所述锥形结构的顶角处设有所述安装孔。

3.根据权利要求2所述的针栓喷注器，其特征在于，所述锥形结构的轴线与所述针栓的轴线重合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的针栓喷注器，其特征在于，所述旋流件包括柱形主体，所述导流通道为螺旋设置在所述柱形主体外周侧的螺旋凹槽。

5.根据权利要求4所述的针栓喷注器，其特征在于，所述螺旋凹槽为多个，多个所述螺旋凹槽并列设置在所述柱形主体的外表面，且多个所述螺旋凹槽的出口沿所述导流通道的周向间隔设置，所述内流通道内的推进剂能够在多个所述螺旋凹槽的作用下产生旋流运动，最终以所述安装孔为中心贴附着所述头部的外壁向四周扩散。

6.根据权利要求3所述的针栓喷注器，其特征在于，所述旋流件包括柱形主体，所述导流通道为螺旋设置在所述柱形主体外周侧的螺旋凹槽；所述螺旋凹槽为多个，多个所述螺旋凹槽并列设置在所述柱形主体的外表面，且多个所述螺旋凹槽的出口沿所述导流通道的周向间隔设置；

所述柱形主体与所述针栓的轴线重合，所述螺旋凹槽的切线与所述柱形主体的横截面的夹角，小于或等于所述锥形结构的母线与所述柱形主体的横截面的夹角；

其中，所述螺旋凹槽的切线与所述柱形主体的横截面的夹角为所述螺旋凹槽的切线与所述柱形主体的横截面所在的平面所成的锐角。

7.根据权利要求1-3任一项所述的针栓喷注器，其特征在于，所述旋流件包括柱形主体，所述导流通道包括贯穿所述柱形主体且远离所述内流通道的一端的旋流室、以及贯穿所述柱形主体的圆周侧的切向通道，所述切向通道与所述内流通道连通。

8.根据权利要求7所述的针栓喷注器，其特征在于，所述旋流室的横截面为圆形，所述切向通道与所述旋流室的外周相切。

9.根据权利要求8所述的针栓喷注器，其特征在于，所述切向通道为多个，多个所述切向通道沿所述旋流室的周向间隔设置。

10.一种液体火箭发动机，其特征在于，包括如上权利要求1-9任一项所述的针栓喷注器。

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