CN112610360B - 液体火箭发动机及其针栓喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机及其针栓喷注器。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通孔；以及液膜形成件，所述液膜形成件包括设置于所述内流通道外且与所述通孔相对的液膜形成部，所述液膜形成部与所述头部的外壁之间形成有导流通道，所述导流通道用于使液膜以所述通孔为中心在所述头部的外壁上扩散。上述的液体火箭发动机及其针栓喷注器具有可靠性高的特点。

Description

液体火箭发动机及其针栓喷注器

技术领域

本发明涉及喷注器技术领域，特别是涉及液体火箭发动机及其针栓喷注器。

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，热防护效率低且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，有必要供一种热防护性能高的液体火箭发动机及其针栓喷注器。

一种针栓喷注器，包括：针栓，所述针栓设有沿所述针栓内部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通孔；以及液膜形成件，所述液膜形成件包括设置于所述内流通道外且与所述通孔相对的液膜形成部，所述液膜形成部与所述头部的外壁之间形成有导流通道，所述导流通道用于使所述内流通道内的推进剂以贴壁液膜的形式在所述头部的外壁上扩散流动。

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通孔。

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，所述液膜形成部具有导向壁，所述导向壁包括与所述通孔相对设置的第一部分、以及与所述头部的外壁相对的第二部分，所述第二部分与所述头部的外壁形成所述导流通道。

在其中一个实施例中，所述第二部分从靠近所述第一部分的一侧至远离所述第一部分的一侧具有靠近所述头部的外壁的趋势。

在其中一个实施例中，所述液膜形成件还包括连接柱以及肋条，所述连接柱位于所述通孔内并与所述液膜形成部连接，且所述连接柱与所述通孔的孔壁之间形成有两端分别与所述内流通道以及所述导流通道连通的导通间隙，所述肋条的两端分别连接所述连接柱以及所述通孔的孔壁。

在其中一个实施例中，所述导流通道为多个导向孔，多个所述导向孔沿所述液膜形成部的周向间隔设置。

在其中一个实施例中，每个所述导向孔均与所述通孔的轴线垂直，且所述导向孔与所述头部的外壁靠近所述通孔的一侧相对。

在其中一个实施例中，所述液膜形成部的外侧为圆形，且所述液膜形成部与所述通孔同轴设置。

一种液体火箭发动机，包括如上所述的针栓喷注器。

上述的液体火箭发动机及其针栓喷注器中，内流通道内的推进剂在从导流通道喷出后会与外壁相撞，形成液膜，然后再以所述通孔为中心在所述头部的外壁上扩散，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为传统的具有针栓喷注器的火箭发动机推力室结构示意图；

图2为传统的针栓喷注器中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中的针栓的结构示意图；

图4为本发明一实施例中的针栓喷注器中的针栓的局部结构示意图一；

图5为本发明一实施例中的针栓喷注器中的针栓的局部结构示意图二；

图6为图5所示图形沿A-A截面的剖视结构示意图；

图7为图5所示图形沿B-B截面的剖视结构示意图；

图8为本发明另一实施例中的针栓喷注器中的针栓的局部结构示意图；

图9为图8所示图形沿C-C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。

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的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。

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1、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120、盖体130以及液膜形成件300。

可参照图1中的结构，面板120为环形结构，与燃烧室通过焊接的方式连接，且面板120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130与所述面板120连接，且所述盖体130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130与面板120通过焊接的方式连接，且盖体130的第二内孔与面板120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130以及所述面板120配合形成集合腔，集合腔位于燃烧室的外部。

如图3所示，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201，且所述针栓200的圆周侧设有与所述内流通道201连通的喷射部202，所述喷射部202位于所述集合腔外，且喷射部202用于连通燃烧室以及内流通道201。

可选地，所述喷射部202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202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202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201连通的通孔203。

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。

所述液膜形成件300包括设置于所述内流通道201外且与所述通孔203相对的液膜形成部310，所述液膜形成部310与所述头部210的外壁之间形成有导流通道301，所述导流通道301用于使液膜以所述通孔203为中心在所述头部210的外壁上扩散。

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201流向喷射部202，并经过喷射部202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201内的推进剂在从通孔203喷出后会与液膜形成部310相撞，形成液膜，然后再以所述通孔203为中心在所述头部210的外壁上扩散，将针栓200头部210与高温燃气隔绝开，实现针栓200的头部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通孔。针栓200的头部210为锥形结构，外表面平滑，有利于推进剂液膜沿着针栓200头部210的外表面运动。

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-图7所示，在其中一个实施例中，所述液膜形成件300还包括连接柱320以及肋条330，所述连接柱320位于所述通孔203内并与所述液膜形成部310连接，且所述连接柱320与所述通孔203的孔壁之间形成有两端分别与所述内流通道201以及所述导流通道301连通的导通间隙，所述肋条330的两端分别连接所述连接柱320以及所述通孔203的孔壁。

可选地，连接柱320、肋条330、液膜形成部310以及针栓200头部210可以是一体成型结构，也可以通过焊接的方式相互固定连接。

进一步地，所述液膜形成部310的外侧为圆形，且所述液膜形成部310与所述通孔203同轴设置。如此，液膜形成部310能够使液膜以所述通孔203为中心在所述头部210的外壁上扩散。

如图5所示，具体地，所述液膜形成部310具有导向壁311，所述导向壁311包括与所述通孔203相对设置的第一部分3111、以及与所述头部210的外壁相对的第二部分3112，所述第二部分3112与所述针栓200的头部210的外壁形成所述导流通道301。

进一步地，所述第二部分3112从靠近所述第一部分3111的一侧至远离所述第一部分3111的一侧具有靠近所述头部210的外壁的趋势。如此，在第二部分3112的作用下，液膜具有贴向针栓200头部210的外壁移动的趋势，方便液膜在针栓200头部210的外壁扩散。

具体地，液膜形成部310为圆台状，液膜形成部310与通孔203同轴设置。

如图8-9所示，在另一个实施例中，液膜形成件300与针栓200的头部210为一体成型结构，且所述导流通道301为多个导向孔，多个所述导向孔沿所述通孔203的周向间隔设置。当推进剂从通孔203出来并撞击在液膜形成部310上形成液膜后，液膜能够沿着多个导向孔流动至针栓200头部210的外壁上。

具体地，每个所述导向孔均与所述通孔203的轴线垂直，且所述导向孔与所述头部210的外壁靠近所述通孔203的一侧相对。

一实施例还设计一种液体火箭发动机，包括如上所述的针栓喷注器。

上述的液体火箭发动机中，其中一种推进剂通过针栓200内部的内流通道201流向喷射部202，并经过喷射部202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，在上述的液体火箭发动机中，内流通道201内的推进剂在从通孔203喷出后会与液膜形成部310相撞，形成液膜，然后再以所述通孔203为中心在所述头部210的外壁上扩散，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 (6)

1.一种针栓喷注器，其特征在于，所述针栓喷注器包括：

针栓，所述针栓内部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通孔；以及

液膜形成件，所述液膜形成件包括设置于所述内流通道外且与所述通孔相对的液膜形成部，所述液膜形成部与所述头部的外壁之间形成有导流通道，所述导流通道用于使所述内流通道内的推进剂以贴壁液膜的形式在所述头部的外壁上扩散流动；

所述液膜形成件还包括连接柱以及肋条，所述连接柱位于所述通孔内并与所述液膜形成部连接，且所述连接柱与所述通孔的孔壁之间形成有两端分别与所述内流通道以及所述导流通道连通的导通间隙，所述肋条的两端分别连接所述连接柱以及所述通孔的孔壁。

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通孔。

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，所述液膜形成部具有导向壁，所述导向壁包括与所述通孔相对设置的第一部分、以及与所述头部的外壁相对的第二部分，所述第二部分与所述头部的外壁形成所述导流通道。

5.根据权利要求4所述的针栓喷注器，其特征在于，所述第二部分从靠近所述第一部分的一侧至远离所述第一部分的一侧具有靠近所述头部的外壁的趋势。

6.一种液体火箭发动机，其特征在于，包括如上权利要求1-5任一项所述的针栓喷注器。

Images