CN112502857B - 针栓喷注器及液体火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针栓喷注器及液体火箭发动机。针栓喷注器，包括：面板，面板设有第一内孔；盖体，盖体与面板连接，且盖体设有与第一内孔间隔相对的第二内孔；以及针栓，针栓穿设于第一内孔以及第二内孔，且针栓与第一内孔的孔壁以及第二内孔的孔壁密封配合，针栓、盖体以及面板配合形成集合腔；其中，针栓设有内流通道，且针栓的圆周侧设有与内流通道连通的喷射部，喷射部位于集合腔外，集合腔靠近喷射部的一侧壁设有多个第一喷孔，多个第一喷孔环针栓的轴线均匀间隔设置；针栓包括第一段以及与第一段连接的第二段，第一段与面板以及盖体配合形成集合腔，第二段的圆周侧设有喷射部，第一喷孔与第二段的外侧壁相对。

Description

针栓喷注器及液体火箭发动机

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，特别是涉及针栓喷注器及液体火箭发动机。

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。但是传统的针栓喷注器对加工和装备精度要求十分高，很容易因加工或装配误差导致推进剂分布不均匀，从而导致发动机燃烧效率不高，以及燃烧室壁面局部热载荷过高的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统的针栓喷注器对加工和装备精度要求很高的问题，提供一种针栓喷注器及液体火箭发动机。

一种针栓喷注器，包括：面板，所述面板设有第一内孔；盖体，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；以及针栓，所述针栓穿设于所述第一内孔以及所述第二内孔，且所述针栓与所述第一内孔的孔壁以及第二内孔的孔壁密封配合，所述针栓、所述盖体以及所述面板配合形成集合腔；其中，所述针栓设有内流通道，且所述针栓的圆周侧设有与所述内流通道连通的喷射部，所述喷射部位于所述集合腔外，所述集合腔靠近所述喷射部的一侧壁设有多个第一喷孔，多个所述第一喷孔环所述针栓的轴线均匀间隔设置；所述针栓包括第一段以及与所述第一段连接的第二段，所述第一段与所述面板以及所述盖体配合形成所述集合腔，所述第二段的圆周侧设有所述喷射部，所述第一喷孔与所述第二段的外侧壁相对。

在其中一个实施例中，所述第一喷孔的轴线与所述第二段的外侧壁相交。

在其中一个实施例中，所述第一喷孔的轴线与所述第二段的轴线的夹角小于10°。

在其中一个实施例中，所述第一喷孔开设于所述面板上。

在其中一个实施例中，所述喷射部为沿所述针栓的周向均匀间隔设置的多个第二喷孔；或所述喷射部为与所述针栓同轴的环缝。

在其中一个实施例中，所述面板与所述针栓的外侧壁之间设置有密封圈。

在其中一个实施例中，所述面板与所述针栓的外侧壁焊接。

在其中一个实施例中，每个所述第一喷孔的中心与所述针栓的轴线的距离一致。

一种液体火箭发动机，包括如上所述的针栓喷注器。

上述的针栓喷注器及液体火箭发动机中，其中一种推进剂通过针栓内部的内流通道流向喷射部，并经过喷射部喷入燃烧室。另一种推进剂从集合腔内通过多个第一喷孔与针栓的外侧壁撞击后变形并最终形成液膜，沿着针栓的外侧面向下游流动，与从喷射部喷出的推进剂撞击雾化。并且，从第一喷孔喷注的推进剂在针栓的周向分布均匀，有利于充分利用燃烧室空间提高燃烧效率并降低局部高热载荷。

另外，上述的针栓喷注器采用多个第一喷孔取代环形通道，可以有效降低由于加工和装配带来的推进剂在针栓的周向的不均匀性，加工装配精度要求更低，加工和维护成本更低，有利于提高可靠性和可重复使用性能。

附图说明

图1为传统技术中针栓喷注器及具有其的液体火箭发动机的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的针栓喷注器的结构示意图；

图3为图2所示图形A方向视角的局部结构示意图。

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。

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。

如图1给出的结构，包含燃烧室300以及针栓喷注器100，所述针栓喷注器包括面板120、盖体130以及针栓110。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外侧壁的壁面向下游流动；最后两种推进剂在针栓110头部撞击，进而破碎雾化。

图1中的结构采用环形通道102，对于小推力发动机，环形通道102的尺寸通常在百微米量级，因此需要很高的加工和装配精度才能保证环形通道102在周向上的均匀性。此外，因为燃烧室内燃烧温度超过3000K，面板120容易产生变形，最终也容易导致环形通道102变得不均匀。过高的加工装配精度会提高加工成本，对于发动机维护也不利，不符合低成本和可重复使用的要求。

针对以上不足，如图2所示，一实施例提供一种液体火箭发动机，包括针栓喷注器200以及燃烧室。

所述针栓喷注器200包括面板220、盖体230以及针栓210。

面板220为环形结构，与燃烧室通过焊接的方式连接，且面板220设有与燃烧室同轴的第一内孔，针栓210穿设于第一内孔并伸入到燃烧室内，且针栓210与第一内孔的孔壁密封连接。

可选地，针栓210与第一内孔的孔壁之间通过设置密封圈的方式进行密封；或针栓210与第一内孔的孔壁通过焊接的方式进行密封。

所述盖体230与所述面板220连接，且所述盖体230设有与所述第一内孔间隔相对的第二内孔，针栓210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230与面板220通过焊接的方式连接，且盖体230的第二内孔与面板220的第一内孔同轴设置，第二内孔的孔径与针栓210外侧壁的直径相同。针栓210与盖体230的第二内孔配合安装，且所述针栓210、所述盖体230以及所述面板220配合形成集合腔201，集合腔201位于燃烧室的外部。

如图2-3所示，进一步地，所述针栓210设有内流通道211，且所述针栓210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201外，且喷射部212用于连通燃烧室以及内流通道211，所述集合腔201靠近所述喷射部212的一侧壁设有多个第一喷孔221，多个所述第一喷孔221环所述针栓210的轴线均匀间隔设置。

具体地，所述的针栓210呈圆柱形，针栓210的圆周侧是指针栓210呈曲面的一侧。

可选地，所述喷射部212为沿所述针栓210的周向均匀间隔设置的多个第二喷孔；或所述喷射部212为与所述针栓210同轴的环缝。

在其中一个实施例中，所述第一喷孔221开设于所述面板220上。在另一个实施例中，针栓210的外侧壁设有凸起，该凸起与面板220密封连接，第一喷孔221开设于该凸起上。

更进一步地，所述针栓210包括第一段213以及与所述第一段213连接的第二段214，所述第一段213与所述面板220以及所述盖体230配合形成所述集合腔201，第二段214伸入至燃烧室内，且第二段214的圆周侧设有所述喷射部212，所述第一喷孔221与所述第二段214的外侧壁相对。如此，可以使得从第一喷孔221喷出的推进剂与针栓210的外侧壁撞击，以顺着针栓210的外侧壁流动而与从喷射部212喷出的推进剂撞击而雾化。

具体地，所述第一喷孔221的轴线与所述第二段214的外侧壁相交。

更具体地，所述第一喷孔221的轴线与所述第二段214的轴线的夹角小于10°。且所述第一喷孔221的轴线与所述第二段214的轴线的夹角小于10°还可以保证从第一喷孔221喷出的推进剂的能量损失较少，以能够以较快的速度与从喷射部212喷出的推进剂撞击而雾化。

上述的针栓喷注器200中，其中一种推进剂通过针栓210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。另一种推进剂从集合腔201内通过多个第一喷孔221与针栓210的外侧壁撞击后变形并最终形成液膜，沿着针栓210的外侧面向下游流动，与从喷射部212喷出的推进剂撞击雾化。并且，从第一喷孔221喷注的推进剂在针栓210的外侧壁上周向分布均匀，有利于充分利用燃烧室空间提高燃烧效率并降低局部高热载荷。

另外，上述的针栓喷注器200采用多个第一喷孔221取代环传统针栓喷注器的形通道，可以有效降低由于加工和装配带来的推进剂在针栓210的外侧壁上周向分布的不均匀性，加工装配精度要求更低，加工和维护成本更低，有利于提高可靠性和可重复使用性能。具体表现在：在采用环形通道的方案中，若是环形通道的宽度为1mm，由于加工或装配误差，针栓210发生偏移，则很容易使得环形通道的其中一侧的宽度为1.2mm，另一侧的宽度为0.8mm，致使误差达到百分之二十，极大影响了推进剂在针栓210的周向的均匀性。而通过在集合腔201的侧壁上开设第一喷孔221，对于孔的加工，目前已有相当成熟的工艺，使得孔的孔径误差在0.05mm以内，无需担心精度的问题。

在其中一个实施例中，每个所述第一喷孔221的中心与所述针栓210的轴线的距离一致。如此，能够进一步保持推进剂在针栓210的周向的均匀性。

可以理解的是，不同第一喷孔221的中心与所述针栓210的轴线的距离在误差允许范围内也可以存在一定的差别，这是因为，从每个第一喷孔221喷出的推进剂都会先撞击在针栓210的外侧壁，然后沿着针栓210的外侧面向下游流动；即使不同的第一喷孔221的中心与所述针栓210的轴线的距离存在一定的差别，也不会过大的影响推进剂在针栓210的周向的均匀性。

一实施例涉及的一种液体火箭发动机，包括如上所述的针栓喷注器200。

上述的液体火箭发动机具备上述的针栓喷注器200，在上述的液体火箭发动机中，其中一种推进剂通过针栓210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。另一种推进剂从集合腔201内通过多个第一喷孔221与针栓210的外侧壁撞击后变形并最终形成液膜，沿着针栓210的外侧面向下游流动，与从喷射部212喷出的推进剂撞击雾化。并且，从第一喷孔221喷注的推进剂在针栓210的周向分布均匀，有利于充分利用燃烧室空间提高燃烧效率并降低局部高热载荷。

另外，上述的针栓喷注器200采用多个第一喷孔221取代环形通道，可以有效降低由于加工和装配带来的推进剂在针栓210的周向的不均匀性，加工装配精度要求更低，加工和维护成本更低，有利于提高可靠性和可重复使用性能。具体表现在：在采用环形通道的方案中，若是环形通道的宽度为1mm，由于加工或装配误差，针栓210发生偏移，则很容易使得环形通道的其中一侧的宽度为1.2mm，另一侧的宽度为0.8mm，致使误差达到百分之二十，极大影响了推进剂在针栓210的周向的均匀性。而通过在集合腔201的侧壁上开设第一喷孔221，对于孔的加工，目前已有相当成熟的工艺，使得孔的孔径误差在0.05mm以内，无需担心精度的问题。

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 (8)

1.一种针栓喷注器，其特征在于，所述针栓喷注器包括：

面板，所述面板设有第一内孔；

盖体，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；以及

针栓，所述针栓穿设于所述第一内孔以及所述第二内孔，且所述针栓与所述第一内孔的孔壁以及第二内孔的孔壁密封配合，所述针栓、所述盖体以及所述面板配合形成集合腔；

其中，所述针栓设有内流通道，且所述针栓的圆周侧设有与所述内流通道连通的喷射部，所述喷射部位于所述集合腔外，所述集合腔靠近所述喷射部的一侧壁设有多个第一喷孔，多个所述第一喷孔环所述针栓的轴线均匀间隔设置；

所述针栓包括第一段以及与所述第一段连接的第二段，所述第一段与所述面板以及所述盖体配合形成所述集合腔，所述第二段的圆周侧设有所述喷射部，所述第一喷孔与所述第二段的外侧壁相对；

所述第一喷孔的轴线与所述第二段的外侧壁相交。

2.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，所述第一喷孔的轴线与所述第二段的轴线的夹角小于10°。

3.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，所述第一喷孔开设于所述面板上。

4.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，所述喷射部为沿所述针栓的周向均匀间隔设置的多个第二喷孔；或所述喷射部为与所述针栓同轴的环缝。

5.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，所述面板与所述针栓的外侧壁之间设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，所述面板与所述针栓的外侧壁焊接。

7.根据权利要求1所述的针栓喷注器，其特征在于，每个所述第一喷孔的中心与所述针栓的轴线的距离一致。

8.一种液体火箭发动机，其特征在于，包括如上权利要求1-7任一项所述的针栓喷注器。

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