CN112855382B - 液氧煤油针栓喷注器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及空间推进技术领域，尤其是涉及一种液氧煤油针栓喷注器。液氧煤油针栓喷注器包括壳体、调节筒和中心杆；调节筒套设于中心杆外，调节筒与中心杆之间形成第一喷液出口，煤油流经第一喷液出口进入燃烧室；壳体套设于调节筒外，壳体与调节筒之间形成第二喷液出口，液氧流经第二喷液出口进入燃烧室；中心杆与壳体连接，调节筒能够相对于中心杆及壳体沿轴向运动，以使第一喷液出口和第二喷液出口的截面积同步改变。本申请提供的液氧煤油针栓喷注器，在调节筒运动时，第一喷液出口和第二喷液出口的截面积同步改变，喷出的煤油和液氧的动量可同步改变，从而可使动量比在变推力的期间始终保持在最佳状态，从而提高喷注性能。

Description

液氧煤油针栓喷注器

技术领域

本申请涉及空间推进技术领域，尤其是涉及一种液氧煤油针栓喷注器。

背景技术

喷注器作为火箭发动机的组成部分，是影响发动机性能的一个重要因素。针栓喷注器是一种可以调节喷注面积的可动式喷注器，针栓喷注器分为两个通道，一般中心推进剂沿径向喷出，外围推进剂沿轴向喷出，两者在喷注器的头部撞击，使推进剂完成雾化掺混。

现有的针栓喷注器调节喷注面积的方式比较单一，都是通过移动中心的针栓体来改变中心路的喷注面积，而外围的通道的喷注面积一般不能改变。液体火箭发动机在大范围变推力的时候需要调节喷注面积，从而控制推进剂的流速，当喷注器的两个通道的喷注面积不能协同变化时，会使发动机在变推力的时候内外的推进剂的动量比产生变化，从而影响雾掺混效果，使发动机的燃烧效率受到影响。

发明内容

本申请的目的在于提供一种液氧煤油针栓喷注器，用于向燃烧室内喷入两路推进剂，且能够同时改变两路通道的喷注面积。

本申请提供了一种液氧煤油针栓喷注器，包括壳体、调节筒和中心杆；

所述调节筒套设于所述中心杆外，所述调节筒与所述中心杆之间形成第一喷液出口，煤油流经所述第一喷液出口进入燃烧室；

所述壳体套设于所述调节筒外，所述壳体与所述调节筒之间形成第二喷液出口，液氧流经所述第二喷液出口进入所述燃烧室；

所述中心杆与所述壳体连接，所述调节筒能够相对于所述中心杆及所述壳体沿轴向运动，以使所述第一喷液出口和所述第二喷液出口的截面积同步改变。

在上述技术方案中，进一步地，所述第一喷液出口位于所述第二喷液出口靠近所述燃烧室的一侧；

所述中心杆的端部形成有止挡部，所述止挡部与所述调节筒的端面形成环状的所述第一喷液出口，所述第一喷液出口与所述中心杆的轴线垂直；

所述调节筒的外侧形成有第一锥面和柱面，所述第一锥面的收缩端朝向所述燃烧室且与所述柱面的端部连接；所述壳体的内侧对应形成有与所述第一锥面平行的第二锥面，所述第一锥面与所述第二锥面之间形成有所述第二喷液出口。

在上述技术方案中，进一步地，所述止挡部与所述调节筒的端面的间距为H，所述第一锥面与所述第二锥面的间距为L，所述第一锥面对应的圆锥半角为α，且α的度数为30至60度之间，H和L具有如下关系：L＝Hsinα。

在上述技术方案中，进一步地，当液氧和煤油的混合比为1时，α为30°。

在上述技术方案中，进一步地，所述壳体开设有贯穿孔，所述调节筒远离所述燃烧室的一端设置有连接件，所述连接件能够穿出所述贯穿孔以和驱动机构连接。

在上述技术方案中，进一步地，所述壳体包括沿所述中心杆的轴向依次连接的顶盖、隔热件和底盖；

所述顶盖位于所述调节筒及所述中心杆远离所述燃烧室的一端，所述顶盖开设有螺纹孔，所述中心杆的端部与所述顶盖螺纹连接，且所述螺纹孔内可拆卸安装有抵接件，用于限定所述中心杆旋入所述螺纹孔的深度；所述顶盖开设有煤油供给孔，所述调节筒开设有连通孔以连通所述煤油供给孔和所述第一喷液出口；

所述底盖用于与所述燃烧室连接，且所述调节筒及所述中心杆伸出所述底盖；所述底盖开设有液氧供给孔，所述液氧供给孔与所述第二喷液出口连通；

所述隔热件由高硅氧玻璃纤维形成。

在上述技术方案中，进一步地，所述顶盖开设有与所述煤油供给孔连通的第一环槽，所述第一环槽与所述调节筒之间形成煤油供给腔，所述调节筒的侧壁上开设有多个间隔排布的矩形的连通孔以和所述煤油供给腔连通；

所述底盖开设有与所述液氧供给孔连通的第二环槽，所述第二环槽与所述调节筒之间形成液氧供给腔，所述液氧供给腔与所述第二喷液出口连通。

在上述技术方案中，进一步地，沿所述中心杆的轴向，所述顶盖开设有位于所述煤油供给腔两侧的第一密封槽，且所述第一密封槽内安装有套设于所述调节筒外的第一密封圈；

所述底盖开设有阶梯孔，所述阶梯孔位于所述第二环槽的远离所述燃烧室的一侧；所述阶梯孔的小径孔套设于所述调节筒，所述阶梯孔的大径孔内安装有套设于所述调节筒外的耐低温密封件。

在上述技术方案中，进一步地，所述中心杆的主体与所述调节筒之间形成有煤油喷注通道，所述煤油喷注通道的一端与所述连通孔连通，所述煤油喷注通道的另一端与所述第一喷液出口连通；

所述中心杆的主体外侧形成有螺旋槽，所述螺旋槽的槽口与所述调节筒的内壁贴合。

在上述技术方案中，进一步地，所述中心杆开设有第二密封槽；

所述第二密封槽位于所述连通孔的远离所述燃烧室的一侧，所述第二密封槽和所述调节筒之间安装有第二密封圈。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的液氧煤油针栓喷注器包括壳体、调节筒和中心杆；调节筒套设于中心杆外，调节筒与中心杆之间形成第一喷液出口，煤油流经第一喷液出口进入燃烧室；壳体套设于调节筒外，壳体与调节筒之间形成第二喷液出口，液氧流经第二喷液出口进入燃烧室；从第一喷液出口喷出的煤油和从第二喷液出口喷出的液氧在位于燃烧室内的喷注器的端部撞击雾化，从而完成雾化掺混。

中心杆与壳体连接，以使二者相对位置固定；调节筒为活动的部件，即调节筒能够相对于中心杆及壳体沿轴向运动；在调节筒运动时，调节筒与中心杆及壳体的相对位置均有改变，所以可同时改变第一喷液出口和第二喷液出口的开度，即使得第一喷液出口和第二喷液出口的截面积同步改变。

由于雾化的效果与分别从两路通道喷出的煤油和液氧的动量比有较大的关联，一般来说，动量比为1时雾化效果最好。调节筒运动时，第一喷液出口和第二喷液出口的截面积同步改变，即喷出的煤油和液氧的动量也同步改变，从而可使动量比在变推力的期间始终保持在最佳状态，从而提高喷注性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的液氧煤油针栓喷注器的剖视结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为本申请提供的调节筒的剖视结构示意图；

图4为本申请提供的中心杆的剖视结构示意图；

图5为本申请提供的顶盖的剖视结构示意图；

图6为本申请提供的底盖的剖视结构示意图。

图中：101-壳体；102-调节筒；103-中心杆；104-第一喷液出口；105-燃烧室；106-第二喷液出口；107-止挡部；108-第一锥面；109-柱面；110-第二锥面；111-连接件；112-连接孔；113-顶盖；114-隔热件；115-底盖；116-螺纹孔；117-煤油供给孔；118-连通孔；119-煤油喷注通道；120-液氧供给孔；121-第一环槽；122-煤油供给腔；123-第二环槽；124-液氧供给腔；125-第一密封槽；126-第一密封圈；127-阶梯孔；128-小径孔；129-大径孔；130-泛塞密封圈；131-螺旋槽；132-第二密封槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一

本申请提供的液氧煤油针栓喷注器不仅适用于煤油液氧推进剂，还适用于其他液液双组元推进剂的液体火箭发动机。

参见图1至图6所示，液氧煤油针栓喷注器包括壳体101、调节筒102和中心杆103；调节筒102套设于中心杆103外，调节筒102与中心杆103之间形成第一喷液出口104，煤油流经第一喷液出口104进入燃烧室105；壳体101套设于调节筒102外，壳体101与调节筒102之间形成第二喷液出口106，液氧流经第二喷液出口106进入燃烧室105；从第一喷液出口104喷出的煤油和从第二喷液出口106喷出的液氧在位于燃烧室105内的喷注器的端部撞击雾化，从而完成雾化掺混。

中心杆103与壳体101连接，以使二者相对位置固定；调节筒102为活动的部件，即调节筒102能够相对于中心杆103及壳体101沿轴向运动；在调节筒102运动时，调节筒102与中心杆103及壳体101的相对位置均有改变，所以可同时改变第一喷液出口104和第二喷液出口106的开度，即使得第一喷液出口104和第二喷液出口106的截面积同步改变。

由于雾化的效果与分别从两路通道喷出的煤油和液氧的动量比有较大的关联，一般来说，动量比为1时雾化效果最好。调节筒102运动时，第一喷液出口104和第二喷液出口106的截面积同步改变，即喷出的煤油和液氧的动量也同步改变，从而可使动量比在变推力的期间始终保持在最佳状态，从而提高喷注性能。

该实施例可选的方案中，第一喷液出口104位于第二喷液出口106靠近燃烧室105的一侧，即第一喷液出口104位于第二喷液出口106的前端，第一喷液出口104喷出的煤油沿中心杆103的端部周向放射喷出，第二喷液出口106喷出的液氧可向前端喷出，与煤油雾化掺混。

具体参见图1和图2所示，调节筒102套设于中心杆103的主体外，中心杆103的主体与调节筒102之间形成有煤油喷注通道119，中心杆103的端部形成有止挡部107，止挡部107与调节筒102的端面形成与煤油喷注通道119连通的环状的第一喷液出口104，第一喷液出口104与中心杆103的轴线垂直，煤油喷注通道119中的煤油可从第一喷液出口104沿周向放射喷出。

调节筒102的外侧形成有第一锥面108和柱面109，第一锥面108的收缩端朝向燃烧室105且与柱面109的端部连接，优选地，第一锥面108的收缩端和柱面109的端部圆弧过渡；壳体101的内侧对应形成有与第一锥面108平行的第二锥面110，第一锥面108与第二锥面110之间形成有第二喷液出口106。

液氧经过第一锥面108和第二锥面110的导向后沿柱面109向前端流动，在运动至调节筒102端部的第一喷液出口104时，液氧即能够与第一喷液出口104喷出的煤油雾化掺混。

该实施例可选的方案中，参见图2所示，止挡部107与调节筒102的端面的间距为H，第一锥面108与第二锥面110的间距为L，第一锥面108对应的圆锥半角为α，且α的度数为30至60度之间，在调节筒102实时运动的过程中，H和L等比例变化，具体地，H和L具有如下关系：L＝Hsinα。在选择不同的液氧和煤油的混合比时，可以通过选择不同的α值，从而选择合适的动量比。

可选地，当液氧和煤油的混合比为1时，α设置为30°，此时煤油和液氧的动量比为1。

该实施例可选的方案中，壳体101开设有贯穿孔，调节筒102远离燃烧室105的一端设置有连接件111，连接件111能够穿出贯穿孔以和驱动机构连接。具体地，连接件111可开设有连接孔112以连接驱动机构，在驱动机构的驱动下，调节筒102可沿轴向运动，从而同步改变第一喷液出口104及第二喷液出口106的开度。

实施例二

该实施例二中的液氧煤油针栓喷注器是在上述实施例基础上的改进，上述实施例中公开的技术内容不重复描述，上述实施例中公开的内容也属于该实施例二公开的内容。

参见图1所示，该实施例可选的方案中，壳体101包括沿中心杆103的轴向依次连接的顶盖113、隔热件114和底盖115，具体可利用多个均布的沉头螺钉连接顶盖113、隔热件114和底盖115。隔热件114的两侧可开设凹陷部，顶盖113和底盖115的凸出部嵌入凹陷部，以使三者连接可靠。

顶盖113位于调节筒102及中心杆103远离燃烧室105的一端，顶盖113开设有螺纹孔116用于固定中心杆103，且螺纹孔116内安装有抵接件，当中心杆103旋入螺纹孔116中并抵接至抵接件表面时，说明中心杆103安装到位。通过更换不同尺寸的抵接件，可以使中心杆103旋入螺纹孔116不同深度，从而可以调整第一喷液出口104和第二喷液出口106的最大开度值。

顶盖113开设有煤油供给孔117，调节筒102开设有连通孔118以连通煤油供给孔117和第一喷液出口104。如图1所示，中心杆103的主体与调节筒102之间形成煤油喷注通道119，煤油喷注通道119的一端与连通孔118连通，煤油喷注通道119的另一端与第一喷液出口104连通；底盖115位于调节筒102及中心杆103靠近燃烧室105的一端并与燃烧室105连接，且调节筒102及中心杆103伸出底盖115伸入燃烧室105内；底盖115开设有液氧供给孔120，液氧供给孔120与第二喷液出口106连通。

由于液氧的温度较低，为避免低温影响煤油的流动情况，在该实施例中，通过设置隔热件114将流通有煤油的顶盖113和流通有液氧的底盖115隔开。具体地，隔热件114可采用耐压、隔热效果好的高硅氧玻璃纤维制成。煤油从煤油供给孔117、连通孔118进入煤油喷注通道119后从中心杆103端部的第一喷液出口104喷出，即煤油有更长的流通路径；而开设有液氧供给孔120的底盖115更靠近燃烧室105，低温的液氧流通时对煤油的流通影响范围更小。

该实施例可选的方案中，参见图1和图5所示，顶盖113开设有与煤油供给孔117连通的第一环槽121，第一环槽121与调节筒102之间形成煤油供给腔122，调节筒102的侧壁上开设有多个间隔排布的矩形的连通孔118以和煤油供给腔122连通。也就是说，煤油供给腔122环绕于调节筒102的周向，具有汇集煤油的作用，且煤油供给腔122中的煤油可从各个方向上的连通孔118进入煤油喷注通道119；调节筒102为圆筒结构，多个矩形的连通孔118沿调节筒102的周向排布，可提供更大的流通面积。

参见图1和图6所示，底盖115开设有与液氧供给孔120连通的第二环槽123，第二环槽123与调节筒102之间形成液氧供给腔124，用于汇集液氧供给孔120提供的液氧，以使液氧环绕于调节筒102的周向；液氧供给腔124与第二喷液出口106连通，液氧即可从形成于调节筒102周向的第二喷液出口106喷出。

该实施例可选的方案中，沿中心杆103的轴向，顶盖113开设有位于煤油供给腔122两侧的第一密封槽125，且第一密封槽125内安装有套设于调节筒102外的第一密封圈126，具体可选用氟橡胶材料的第一密封圈126。第一密封圈126在轴向上对煤油供给腔122的两侧密封，避免煤油向调节筒102外侧泄漏，以使煤油只能从连通孔118进入煤油喷注通道119内，并从第一喷液出口104喷出。

底盖115套设于调节筒102外，且液氧从调节筒102外侧向燃烧室105喷出，底盖115只需要避免液氧向远离燃烧室105一侧泄漏即可。具体地，在底盖115开设有阶梯孔127，阶梯孔127位于第二环槽123的远离燃烧室105的一侧；阶梯孔127的小径孔128套设于调节筒102，阶梯孔127的大径孔129内安装有套设于调节筒102外的耐低温密封件，密封件可由大径孔129的开口向大径孔129内安装，操作更加方便。耐低温密封件可为泛塞密封圈130，可叠加多个泛塞密封圈130增加密封效果(图1中示出了两个)，泛塞密封圈130在密封液氧的同时，能够克服低温的影响，提高喷注器的可靠性。

该实施例可选的方案中，中心杆103的主体外侧形成有螺旋槽131，煤油在煤油喷注通道119中流动时，螺旋槽131可对煤油产生一定的旋流作用，使煤油具有切向的速度分量，有助于提高液膜速度，强化喷注器的雾化效果；螺旋槽131的槽口与调节筒102的内壁贴合，可以使中心杆103在径向上不能移动，保证中心杆103和调节筒102的同轴度。

进一步地，在煤油通过连通孔118进入煤油喷注通道119后，为避免煤油向尾端(前端的反方向)方向泄漏，该实施例可选的方案中，中心杆103开设有第二密封槽132；第二密封槽132位于连通孔118的远离燃烧室105的一侧，第二密封槽132和调节筒102之间安装有第二密封圈，在不影响煤油供给的同时，能够对中心杆103和调节筒102的尾端处密封。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。

Claims (9)

1.一种液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，包括壳体、调节筒和中心杆；

所述调节筒套设于所述中心杆外，所述调节筒与所述中心杆之间形成第一喷液出口，煤油流经所述第一喷液出口进入燃烧室；

所述壳体套设于所述调节筒外，所述壳体与所述调节筒之间形成第二喷液出口，液氧流经所述第二喷液出口进入所述燃烧室；

所述中心杆与所述壳体连接，所述调节筒能够相对于所述中心杆及所述壳体沿轴向运动，以使所述第一喷液出口和所述第二喷液出口的截面积同步改变；

所述壳体包括沿所述中心杆的轴向依次连接的顶盖、隔热件和底盖；

所述顶盖位于所述调节筒及所述中心杆远离所述燃烧室的一端，所述顶盖开设有螺纹孔，所述中心杆的端部与所述顶盖螺纹连接，且所述螺纹孔内可拆卸安装有抵接件，用于限定所述中心杆旋入所述螺纹孔的深度；所述顶盖开设有煤油供给孔，所述调节筒开设有连通孔以连通所述煤油供给孔和所述第一喷液出口；

所述底盖用于与所述燃烧室连接，且所述调节筒及所述中心杆伸出所述底盖；所述底盖开设有液氧供给孔，所述液氧供给孔与所述第二喷液出口连通；

所述中心杆的主体与所述调节筒之间形成有煤油喷注通道，所述煤油喷注通道的一端与所述连通孔连通，所述煤油喷注通道的另一端与所述第一喷液出口连通；

所述中心杆的主体外侧形成有螺旋槽，所述螺旋槽的槽口与所述调节筒的内壁贴合。

2.根据权利要求1所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，所述第一喷液出口位于所述第二喷液出口靠近所述燃烧室的一侧；

所述中心杆的端部形成有止挡部，所述止挡部与所述调节筒的端面形成环状的所述第一喷液出口，所述第一喷液出口与所述中心杆的轴线垂直；

所述调节筒的外侧形成有第一锥面和柱面，所述第一锥面的收缩端朝向所述燃烧室且与所述柱面的端部连接；所述壳体的内侧对应形成有与所述第一锥面平行的第二锥面，所述第一锥面与所述第二锥面之间形成有所述第二喷液出口。

3.根据权利要求2所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，所述止挡部与所述调节筒的端面的间距为H，所述第一锥面与所述第二锥面的间距为L，所述第一锥面对应的圆锥半角为α，且α的度数为30至60度之间，H和L具有如下关系：L＝Hsinα。

4.根据权利要求3所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，当液氧和煤油的混合比为1时，α为30°。

5.根据权利要求1所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，所述壳体开设有贯穿孔，所述调节筒远离所述燃烧室的一端设置有连接件，所述连接件能够穿出所述贯穿孔以和驱动机构连接。

6.根据权利要求1所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，所述隔热件由高硅氧玻璃纤维形成。

7.根据权利要求6所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，所述顶盖开设有与所述煤油供给孔连通的第一环槽，所述第一环槽与所述调节筒之间形成煤油供给腔，所述调节筒的侧壁上开设有多个间隔排布的矩形的连通孔以和所述煤油供给腔连通；

所述底盖开设有与所述液氧供给孔连通的第二环槽，所述第二环槽与所述调节筒之间形成液氧供给腔，所述液氧供给腔与所述第二喷液出口连通。

8.根据权利要求7所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，沿所述中心杆的轴向，所述顶盖开设有位于所述煤油供给腔两侧的第一密封槽，且所述第一密封槽内安装有套设于所述调节筒外的第一密封圈；

所述底盖开设有阶梯孔，所述阶梯孔位于所述第二环槽的远离所述燃烧室的一侧；所述阶梯孔的小径孔套设于所述调节筒，所述阶梯孔的大径孔内安装有套设于所述调节筒外的耐低温密封件。

9.根据权利要求1所述的液氧煤油针栓喷注器，其特征在于，所述中心杆开设有第二密封槽；

所述第二密封槽位于所述连通孔的远离所述燃烧室的一侧，所述第二密封槽和所述调节筒之间安装有第二密封圈。

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