CN113027635B - 一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，解决现有针栓式喷注器冷却方式存在加工复杂、冷却成本高以及只能单次使用的问题。该针栓喷注器包括燃烧室、针阀和中心筒；针阀设置在燃烧室的中心通道内，包括针阀上端盖和针阀下筒体，针阀上端盖设置在燃烧上端盖上方，针阀下筒体包括第一筒体和第二筒体，第二筒体的外壁面与燃烧室中心通道内壁面之间设置有环形的推进剂流道，推进剂流道与燃烧室的进液口连通；中心筒设置在针阀的内腔内，其上端设有敞开的内腔进液口，下端设置有内端盖；内端盖上设置有与中心筒内腔连通，且具有相同长径比的多个撞击孔；中心筒的下端沿其周向设置有多个喷注口。

Description

一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器

技术领域

本发明属于液体火箭发动机推进剂技术领域，具体涉及一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器。

背景技术

针栓式喷注器是液体火箭发动机的重要组成部分，针栓式喷注器与传统的双组元撞击式或同轴式喷嘴比较，针栓式喷注器能够产生很高的燃烧效率，并具有如下工作特性：较强的调节能力、面关机特性、成本较低、可靠性较高等。

现有的针栓喷注器通过主动冷却方式(如发汗冷却)或被动涂覆防烧蚀涂层实现冷却，但是，发汗冷却方式存在加工复杂的缺陷，且冷却成本较高；被动涂覆防烧蚀涂层的冷却方式不能对针栓喷注器进行充分冷却，防烧蚀涂层烧蚀之后需进行更换，使得针栓喷注器一般只能单次使用，使得其使用寿命较低，使用成本较高。

发明内容

本发明的目的是解决现有针栓式喷注器冷却方式存在加工复杂、冷却成本高以及只能单次使用的问题，提供一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器。本发明针栓喷注器将中心筒内腔中小部分推进剂从若干撞击孔引出，从若干撞击孔形成的射流在离针栓喷注器头部一定距离处撞击于一点，在撞击点处形成锥形液膜，射流和液膜使针栓头部与燃烧室中的回流高温燃气产生一定的隔绝作用，同时液膜破碎后蒸发吸热，使得针栓头部附近温度降低，保护针栓头部不被烧蚀，完全能满足针栓喷注器工作过程中的针栓喷注器头部的冷却要求。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，包括燃烧室、针阀和中心筒；所述燃烧室的上端设置有燃烧上端盖，内部设置有中心通道和燃烧室头腔；所述针阀设置在燃烧室的中心通道内，且末端延伸至燃烧室头腔内，所述针阀包括针阀上端盖和针阀下筒体，所述针阀上端盖设置在燃烧上端盖上方，所述针阀下筒体包括第一筒体和第二筒体，所述第二筒体的直径小于第一筒体的直径，且第二筒体的外壁面与燃烧室中心通道内壁面之间设置有环形的推进剂流道，所述推进剂流道与燃烧室的进液口连通，且进液口总面积大于推进剂流道的最小节流面积；所述中心筒设置在针阀的内腔内，其上端设有敞开的内腔进液口，下端设置有内端盖；所述内端盖上设置有与中心筒内腔连通，且具有相同长径比的多个撞击孔，多个撞击孔以中心筒的中轴线为圆心，均布在直径为D的圆上，D小于中心筒的内径，且撞击孔的中心线与中心筒的中轴线呈一定射流角；同时，所述撞击孔在内端盖上的轮廓线与中心筒内壁面具有一定距离，避免加工撞击孔时破坏中心筒内壁面；所述撞击孔形成的射流在中心筒末端一定距离处撞击于一点，在撞击点处形成锥形液膜，不同的射流角度能够形成离中心筒末端不同距离的锥形液膜，锥形液膜在中心筒末端铺展，保护中心筒头部不被烧蚀；所述中心筒的下端沿其周向设置有多个喷注口，所述内腔进液口的流通总面积大于多个喷注口的流通总面积，所述喷注口最低点位于内端盖上方，所述第二筒体的最低点高于喷注口的最高点，使得喷注口的初始喷注面积最大。

进一步地，所述第一筒体内侧壁与中心筒外侧壁之间设置有泛塞圈，所述泛塞圈用于阻隔推进剂在中心筒与针阀之间的缝隙泄出。

进一步地，所述中心筒外侧壁上设置有环形限位凸台，所述泛塞圈设置在环形限位凸台上方，所述环形限位凸台用于对泛塞圈进行限位。

进一步地，所述针阀上端盖与燃烧上端盖之间设有金属垫进行密封。

进一步地，所述撞击孔中心线与中心筒中轴线之间的射流角为30°～45°。

进一步地，所述撞击孔的数量为偶数。

进一步地，所述撞击孔的长径比为2～6。

进一步地，所述中心筒的上端还设置有中心筒端盖，所述中心筒端盖设置在针阀上端盖上方。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1.本发明针栓喷注器通过射流自击式膜实现头部冷却，相对现有主动冷却方式(如发汗冷却)，该种冷却方式只需在内端盖上加工撞击孔即可实现，撞击孔采用传统加工方法即可实现，加工简单可行，加工成本低。

2.本发明针栓喷注器通过射流自击式膜实现头部冷却，相对传统被动烧蚀冷却来说，可重复使用性高；传统烧蚀涂层烧蚀掉之后需进行更换，导致针栓喷注器一般只能单次使用，本发明采用主动的射流撞击式膜冷却，只要存在射流工作，可以有效保护针栓喷注器头部不被烧蚀(该方法已经经过燃烧试验验证，在20s燃烧试验中保持完好)，针栓喷注器可多次重复使用，降低设计加工成本。

3.本发明针栓喷注器通过射流撞击式形成液膜保护针栓喷注器头部的同时，液膜还能继续沿燃烧室轴向方向发展，逐渐破碎、雾化、蒸发，参与燃烧反应，使得发动机性能不会降低；同时针栓喷注器在低工况工作时，针栓喷注器推进剂雾化较差，但通过射流撞击式的射流撞击雾化效果良好，可以小幅度提高针栓喷注器低工况工作时的雾化混合情况。

4.本发明针栓喷注器所采用的冷却方式不仅能适用于液体火箭发动机领域，还能扩展适用到其他领域的冷却保护。

附图说明

图1为本发明通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明内端面撞击孔布局视示意图；

图4为本发明撞击孔形成的三维锥形液膜示意图。

附图标记：1-燃烧室，2-针阀，3-中心筒，4-泛塞圈，5-金属垫，11-燃烧上端盖，12-燃烧室头腔，13-推进剂流道，14-进液口，21-针阀上端盖，22-第一筒体，23-第二筒体，31-内腔进液口，32-内端盖，33-撞击孔，34-喷注口，35-环形限位凸台，36-中心筒端盖。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，该针栓喷注器将撞击式喷注器的液膜破碎特点与针栓头部冷却相结合，提供一种实现针栓喷注器头部冷却的可靠途径。本发明针栓喷注器的冷却结构主要由中心筒以及与中心筒内腔道连通的若干撞击孔组合形成，其原理是将中心筒内腔中小部分推进剂从若干撞击孔引出，从若干撞击孔形成的射流在离针栓喷注器头部一定距离处撞击于一点，在撞击点处形成锥形液膜，射流和液膜能使针栓头部与燃烧室中的回流高温燃气产生一定的隔绝作用，同时液膜破碎后蒸发吸热使针栓头部附近温度降低，保护针栓头部不被烧蚀，从而实现针栓喷注器头部的可靠冷却。

如图1所示，本发明通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器包括针阀2、中心筒3和燃烧室1；燃烧室1的上端设置有燃烧上端盖11，内部设置有中心通道和燃烧室头腔12；针阀2设置在燃烧室1的中心通道内，且末端延伸至燃烧室头腔12内，针阀2具体包括针阀上端盖21和针阀下筒体，针阀上端盖21设置在燃烧上端盖11上方，针阀下筒体具体可包括第一筒体22和第二筒体23，第二筒体23的直径小于第一筒体22直径，且第二筒体23的外壁面与燃烧室1中心通道内壁面之间设置有环形的推进剂流道13，推进剂流道13与燃烧室1的进液口14连通，且进液口14总面积大于推进剂流道13的最小节流面积；也就是说，针阀下筒体外壁面的壁厚存在缩小的过渡段，下筒体外壁面过渡段下方的外壁面与燃烧室1中心通道内壁面之间形成环形的推进剂流道13，推进剂流道13通过设置在燃烧室1侧壁上的流道与燃烧室1的进液口14连通。

本发明中心筒3设置在针阀2的内腔内，针阀2内腔的直径大于中心筒3外筒壁的直径。中心筒3的上端设有敞开的内腔进液口31，下端设置有内端盖32；中心筒3的下端沿其周向设置有多个喷注口34，内腔进液口31的流通总面积大于多个喷注口34的流通总面积，喷注口34最低点位于内端盖32上方，针阀下筒体最低点高于喷注口34最高点，使中心筒3壁上喷注口34初始喷注面积最大。

本发明喷注口34具体可设置为孔或槽，孔或槽形状满足流动面积要求即可，孔或槽形状多变，实例有圆孔、矩形孔等，只要满足孔或槽最低端位置高于中心筒3内腔底端即可。

如图2至图4所示，本发明中心筒3的内端盖32上设置有与中心筒3内腔连通，且具有相同长径比的多个撞击孔33，多个撞击孔33以中心筒3的中轴线为圆心，均布在直径为D的圆上，D小于中心筒3的内径，且撞击孔33的中心线与中心筒3的中轴线呈一定射流角。也就是说，撞击孔33中心线与中心筒3内端面的交点分布在中心筒3内端面的同一个圆上，圆的直径为D，D应小于中心筒3的内径，且撞击孔33在内端面中的轮廓线不能与中心筒3内壁面相交，避免加工撞击孔33时破坏中心筒3内壁面。

撞击孔33形成的射流在离针栓喷注器头部端面一定距离处撞击于一点，在撞击点处形成锥形液膜，不同的射流角度能够形成离针栓喷注器头部端面不同距离的锥形液膜，锥形液膜在针栓喷注器头部附近铺展，液膜使得针栓头部与燃烧室1中的回流的高温燃气产生一定的隔绝作用，同时液膜蒸发吸热使针栓头部附近温度降低，保护针栓喷注器头部不被烧蚀。此外，锥形液膜在撞击点处开始形成，随着液膜向燃烧室1轴向方向发展，液膜逐渐破碎雾化，继续参与燃烧室1燃烧反应。

上述撞击孔33的个数不限(个数为偶数便于撞击孔33的排布与加工)，所有的撞击孔33具有相同长径比(长径比的取值范围在2～6之内)，同时，所有的撞击孔33直径一样，撞击孔33中心线与中心筒3中轴线呈一定射流角度，所有射流撞击孔33射流角度保持一致，优选角度为30°～45°。

本发明针栓喷注器中，针阀上端盖21与燃烧上端盖11之间设有金属垫5进行密封。同时，第一筒体22内侧壁与中心筒3外侧壁之间设置有泛塞圈4，泛塞圈4可以阻隔进入燃烧室1的推进剂通过中心筒3筒壁与针阀2内腔壁的缝隙泄出，起到密封作用。此外，本发明中心筒3外侧壁上设置有环形限位凸台35，泛塞圈4设置在环形限位凸台35上方，限位凸台用于对泛塞圈4进行限位，可以防止泛塞圈4掉落至针阀2圆筒壁底端。

Claims (8)

1.一种通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，包括燃烧室(1)、针阀(2)和中心筒(3)；其特征在于：

所述燃烧室(1)的上端设置有燃烧上端盖(11)，内部设置有中心通道和燃烧室头腔(12)；

所述针阀(2)设置在燃烧室(1)的中心通道内，且末端延伸至燃烧室头腔(12)内，所述针阀(2)包括针阀上端盖(21)和针阀下筒体，所述针阀上端盖(21)设置在燃烧上端盖(11)上方，所述针阀下筒体包括第一筒体(22)和第二筒体(23)，所述第二筒体(23)的直径小于第一筒体(22)的直径，且第二筒体(23)的外壁面与燃烧室(1)中心通道内壁面之间设置有环形的推进剂流道(13)，所述推进剂流道(13)与燃烧室(1)的进液口(14)连通，且进液口(14)总面积大于推进剂流道(13)的最小节流面积；

所述中心筒(3)设置在针阀(2)的内腔内，其上端设有敞开的内腔进液口(31)，下端设置有内端盖(32)；所述内端盖(32)上设置有与中心筒(3)内腔连通，且具有相同长径比的多个撞击孔(33)，多个撞击孔(33)的中心线与中心筒(3)内端盖 的交点以中心筒(3)的中轴线为圆心，均布在直径为D的圆上，D小于中心筒(3)的内径，且撞击孔(33)的中心线与中心筒(3)的中轴线呈一定射流角；同时，所述撞击孔(33)在内端盖(32)上的轮廓线与中心筒(3)内壁面具有一定距离，避免加工撞击孔(33)时破坏中心筒(3)内壁面；所述撞击孔(33)形成的射流在中心筒(3)末端一定距离处撞击于一点，在撞击点处形成锥形液膜，不同的射流角度能够形成离中心筒(3)末端不同距离的锥形液膜，锥形液膜在中心筒(3)末端铺展，保护中心筒(3)头部不被烧蚀；

所述中心筒(3)的下端沿其周向设置有多个喷注口(34)，所述内腔进液口(31)的流通总面积大于多个喷注口(34)的流通总面积，所述喷注口(34)最低点位于内端盖(32)上方，所述第二筒体(23)的最低点高于喷注口(34)的最高点，使得喷注口(34)的初始喷注面积最大。

2.根据权利要求1所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述第一筒体(22)内侧壁与中心筒(3)外侧壁之间设置有泛塞圈(4)，所述泛塞圈(4)用于阻隔推进剂在中心筒(3)与针阀(2)之间的缝隙泄出。

3.根据权利要求2所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述中心筒(3)外侧壁上设置有环形限位凸台(35)，所述泛塞圈(4)设置在环形限位凸台(35)上方，所述环形限位凸台(35)用于对泛塞圈(4)进行限位。

4.根据权利要求1或2或3所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述针阀上端盖(21)与燃烧上端盖(11)之间设有金属垫(5)进行密封。

5.根据权利要求4所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述撞击孔(33)中心线与中心筒(3)中轴线之间的射流角为30°～45°。

6.根据权利要求5所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述撞击孔(33)的数量为偶数。

7.根据权利要求6所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述撞击孔(33)的长径比为2～6。

8.根据权利要求7所述的通过射流自击式膜实现头部冷却的针栓喷注器，其特征在于：所述中心筒(3)的上端还设置有中心筒端盖(36)，所述中心筒端盖(36)设置在针阀上端盖(21)上方。

Images