CN113279881B - 一种多针栓喷注器单元燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种多针栓喷注器单元燃烧室。所述多针栓喷注器单元燃烧室包括：针栓喷注器，适于对两种组元的推进剂进行雾化和混合；燃烧室本体，依次划分为：预燃区，所述预燃区的预燃区入口与所述针栓喷注器的喷注器出口连通，适于容纳雾化和混合后的推进剂并进行预燃烧；充分燃烧区，适于预燃烧后的推进剂进行充分燃烧；以及膨胀加速区，适于对充分燃烧后的推进剂进行膨胀加速。本发明提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置分区域燃烧的形式有效提高了推进剂的燃烧效率，克服了现有技术中大推力液体火箭发动机用喷注器的燃烧效率差的缺陷，提供了一种燃烧效率高的多针栓喷注器单元燃烧室。

Description

一种多针栓喷注器单元燃烧室

技术领域

本发明涉及液体火箭发动机技术领域，具体涉及一种多针栓喷注器单元燃烧室。

背景技术

在液体火箭发动机中，喷注器是组织推进剂雾化和混合的装置，推进剂经过高效的雾化和混合之后，在燃烧室内产生高效、稳定的燃烧，然后在喷管内进行膨胀加速，而后在喷管出口以高速射流喷出，形成推动火箭飞行的动力，因此，喷注器的结构直接影响发动机的性能。目前，对于大推力液体火箭发动机喷注器，一般是由成百上千个喷嘴单元组成，有离心式喷嘴、直流式喷嘴及互击式喷嘴等，这些喷注器往往存在结构复杂、重量大、生产成本高及制造周期长等缺点；另一种针栓式喷注器，具有结构简单、可靠性高、深度变推力且无不稳定燃烧现象等特点，其生产成本低、制造周期短，解决了上述缺点，然而，应用针栓式喷注器的火箭发动机一般采用一个喷注单元，较难有效保证大推力发动机的推进剂组元实现充分的混合及高效燃烧，而导致发动机性能受到影响。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中大推力液体火箭发动机用喷注器的燃烧效率差的缺陷，从而提供一种燃烧效率高的多针栓喷注器单元燃烧室。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种多针栓喷注器单元燃烧室，包括：

针栓喷注器，适于对两种组元的推进剂进行雾化和混合；

燃烧室本体，依次划分为：预燃区，所述预燃区的预燃区入口与所述针栓喷注器的喷注器出口连通，适于容纳雾化和混合后的推进剂并进行预燃烧；充分燃烧区，适于预燃烧后的推进剂进行充分燃烧；以及膨胀加速区，适于对充分燃烧后的推进剂进行膨胀加速。

可选的，所述针栓喷注器的数量为两个或多个，每个所述针栓喷注器具有独立的点火器接嘴及独立的推进剂供给系统，每个所述针栓喷注器适于独立开启或关闭。

可选的，每个所述针栓喷注器对应一个独立的预燃区。

可选的，两个或多个所述预燃区同时与一个所述充分燃烧区连通，一个所述充分燃烧区与一个所述膨胀加速区连通。

可选的，两个或多个所述针栓喷注器环绕所述燃烧室本体的轴心均匀分布。

可选的，所述针栓喷注器包括：

壳体；

针栓体，构造为中空管状结构，所述针栓体设置于所述壳体内，并适于将所述壳体划分为第一集液腔和第二集液腔，所述第一集液腔与所述第二集液腔相互独立，适于分别容纳第一推进剂和第二推进剂。

可选的，所述针栓体的第一端敞开并适于通入第一推进剂，所述针栓体的第二端的周向侧壁环绕形成有若干径向孔；所述针栓体的第二端贯穿所述壳体的底壁，并使所述径向孔位于所述预燃区内。

可选的，所述针栓喷注器还包括：

挡板，构造为多孔板状结构，所述挡板与所述针栓体的轴线方向相垂直，并同时与所述针栓体的外周壁和所述壳体的内周壁相抵接，适于将所述第二集液腔分割成左右两个腔室，并适于固定所述针栓体。

可选的，所述多针栓喷注器单元燃烧室还包括：第一接管嘴，与第一集液腔连通，适于将第一推进剂导入所述第一集液腔内；

第二接管嘴，与所述第二集液腔连通，适于将第二推进剂导入所述第二集液腔内。

可选的，所述多针栓喷注器单元燃烧室还包括：节流环缝，形成于所述针栓体的外周壁与所述壳体的底壁之间，适于将所述第二集液腔内的第二推进剂导出至预燃区；

所述节流环缝的出口方向与所述径向孔的出口方向相垂直。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置燃烧室本体依次划分为预燃区、充分燃烧区以及膨胀加速区，使得推进剂的燃烧分为三个区域，推进剂首先在预燃区进行预燃烧，然后进入充分燃烧区进行充分燃烧，随后经过膨胀加速区加速后，以高速射流的形式喷出燃烧室本体，分区域燃烧的形式有效提高了推进剂的燃烧效率。

2.本发明提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置针栓喷注器的数量为两个或多个，且每个所述针栓喷注器设置有独立的点火器接嘴及独立的推进剂供给系统，使得每个所述针栓喷注器可以独立开启或关闭，从而通过控制针栓喷注器的开闭数量实现发动机推力的调节，满足不同工况的需求，实现变工况调节，操作简便且灵活。

3.本发明提供的多针栓喷注器单元燃烧室，每个所述针栓喷注器对应一个独立的预燃区，多个预燃区将燃烧室本体分成多个独立的燃烧区，燃烧分区的形式改变了燃烧室本体内的燃烧声学特性，提高了燃烧的稳定性，进而提高燃烧室本体的可靠性。

4.本发明提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置挡板为多孔板状结构，并将第二集液腔分割成左右两个腔室，实现对推进剂进行分流，保证推进剂在集液腔内可沿周向均匀流出喷嘴，同时，所述挡板通过设置为与针栓体的外周壁以及壳体的内周壁相抵接，起到固定针栓体的作用，防止针栓体在流体作用下晃动，保证推进剂射流的均匀性。

5.本发明提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置节流环缝的出口方向与径向孔的出口方向相垂直，使得分别由节流环缝和径向孔喷出的推进剂彼此对撞混合，使得两种推进剂雾化和混合效果更好，从而提高多针栓喷注器单元燃烧室的燃烧效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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为本发明多针栓喷注器单元燃烧室示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明针栓喷注器的截面图；

图4为本发明针栓喷注器的左视图。

附图标记说明：

1、燃烧室本体；100、预燃区入口；101、预燃区；102、充分燃烧区；103、膨胀加速区；3、针栓喷注器；31、第一喷注器；32、第二喷注器；33、第三喷注器；34、第四喷注器；4、底壳；41、底壁；5、第一接管嘴；6、挡板；7、针栓体；8、头部壳体；9、第二接管嘴；10、螺栓；11、螺母；12、O型密封圈；13、点火器接嘴；14、喷注器出口；141、节流环缝；142、径向孔；15、第一集液腔；16、第二集液腔；17、喷管出口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“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”、“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。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

结合图1-图4所示，本实施例提供的多针栓喷注器单元燃烧室，包括：

针栓喷注器3，适于对两种组元的推进剂进行雾化和混合；

燃烧室本体1，依次划分为：预燃区101，所述预燃区101的预燃区入口100与所述针栓喷注器3的喷注器出口14连通，适于容纳雾化和混合后的推进剂并进行预燃烧；充分燃烧区102，适于预燃烧后的推进剂进行充分燃烧；以及膨胀加速区103，适于对充分燃烧后的推进剂进行膨胀加速。

优选的，所述两种组元的推进剂分别可以为氧化剂和燃料。

优选的，两种组元的推进剂在所述喷注器出口14处进行雾化和混合，然后经所述预燃区入口100进去所述预燃区101进行预燃烧，预燃烧后的推进剂再进入充分燃烧区102进行充分燃烧，从而提高推进剂的燃烧效率。

本实施例提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置燃烧室本体1依次划分为预燃区101、充分燃烧区102以及膨胀加速区103，使得推进剂的燃烧分为三个区域，推进剂首先在所述预燃区101进行预燃烧，然后进入所述充分燃烧区102进行充分燃烧，随后经过所述膨胀加速区103加速后，以高速射流的形式从喷管出口17喷出所述燃烧室本体1，分区域燃烧的形式有效提高了推进剂的燃烧效率。

具体地，所述针栓喷注器3的数量为两个或多个，每个所述针栓喷注器3具有独立的点火器接嘴13及独立的推进剂供给系统，每个所述针栓喷注器3适于独立开启或关闭。

优选的，通过独立设置的点火器接嘴13实现每个针栓喷注器3的独立开启或关闭功能，通过开启或关闭不同数量的所述针栓喷注器3，可以实现发动机的变工况调节，例如，当所述针栓喷注器3的数量设置为4个时，若4个喷注器本体同时开启，则工况为100%；若开启第一喷注器31，关闭第二喷注器32、第三喷注器33及第四喷注器34，即可实现25%工况，其余工况以此类推，操作简便、易于调节。

优选的，所述针栓喷注器3的点火形式包括固体火药点火或者火炬式点火。

本实施例提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置针栓喷注器3的数量为两个或多个，且每个所述针栓喷注器3设置有独立的点火器接嘴13及独立的推进剂供给系统，使得每个所述针栓喷注器3可以独立开启或关闭，从而通过控制所述针栓喷注器3的开闭数量实现发动机推力的调节，满足不同工况的需求，实现变工况调节，操作简便且灵活。

具体地，每个所述针栓喷注器3对应一个独立的预燃区101。

具体地，两个或多个所述预燃区101同时与一个所述充分燃烧区102连通，一个所述充分燃烧区102与一个所述膨胀加速区103连通。

本实施例提供的多针栓喷注器单元燃烧室，每个所述针栓喷注器3对应一个独立的预燃区101，多个所述预燃区101将所述燃烧室本体1分成多个独立的燃烧区，燃烧分区的形式改变了所述燃烧室本体1内的燃烧声学特性，提高了燃烧的稳定性，进而提高燃烧室本体1的可靠性。

具体地，两个或多个所述针栓喷注器3环绕所述燃烧室本体1的轴心均匀分布。

优选的，所述燃烧室本体1构造为回转体结构，具体为所述充分燃烧区102的外壳及所述膨胀加速区103的外壳为回转体结构。

优选的，所述预燃区101与所述针栓喷注器3一一对应设置，所述预燃区101同样环绕所述燃烧室本体1的轴心均匀分布。

具体地，所述针栓喷注器3包括：

壳体；

针栓体7，构造为中空管状结构，所述针栓体7设置于所述壳体内，并适于将所述壳体划分为第一集液腔15和第二集液腔16，所述第一集液腔15与所述第二集液腔16相互独立，适于分别容纳第一推进剂和第二推进剂。

结合图3所示，所述壳体具体包括头部壳体8以及底壳4；所述针栓体7位于所述头部壳体8与所述底壳4之间，优选的，所述针栓体7的第一端朝远离其自身轴线的方向延伸形成有裙边，所述针栓体7的裙边适于固定于所述头部壳体8与底壳4之间，连接方式具体为螺纹连接或焊接连接，当连接方式为螺纹连接时，螺栓10依次穿设所述底壳4、针栓体7的裙边以及头部壳体8，并与螺母11配合，实现固定连接，同时采用O型密封圈12进行密封。

优选的，所述底壳4与所述预燃区101的外壳一体成型，进一步优选的，所述预燃区101的外壳与所述充分燃烧区102的外壳以及所述膨胀加速区103的外壳一体成型。

优选的，所述底壳4、针栓体7以及头部壳体8的材料包括不锈钢或者高温合金。

具体地，所述针栓体7的第一端敞开并适于通入第一推进剂，所述针栓体7的第二端的周向侧壁环绕形成有若干径向孔142；所述针栓体7的第二端贯穿所述壳体的底壁41，并使所述径向孔142位于所述预燃区101内。

优选的，所述底壁41设置有通孔，所述针栓体7的第二端适于通过所述通孔贯穿所述底壁41。

所述径向孔142适于排出所述针栓体7内的第一推进剂，并对所述第一推进剂进行雾化，用于与第二推进剂进行混合。

具体地，所述针栓喷注器3还包括：

挡板6，构造为多孔板状结构，所述挡板6与所述针栓体7的轴线方向相垂直，并同时与所述针栓体7的外周壁和所述壳体的内周壁相抵接，适于将所述第二集液腔16分割成左右两个腔室，并适于固定所述针栓体7。

本实施例提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置所述挡板6为多孔板状结构，并将所述第二集液腔16分割成左右两个腔室，实现对推进剂进行分流，保证推进剂在集液腔内可沿周向均匀流出喷嘴，同时，所述挡板6通过设置为与所述针栓体7的外周壁以及壳体的内周壁相抵接，起到固定所述针栓体7的作用，防止所述针栓体7在流体作用下晃动，从而保证推进剂射流的均匀性。

具体地，所述多针栓喷注器单元燃烧室还包括：第一接管嘴5，与第一集液腔15连通，适于将第一推进剂导入所述第一集液腔15内；

第二接管嘴9，与所述第二集液腔16连通，适于将第二推进剂导入所述第二集液腔16内。

优选的，所述第一接管嘴5以及第二接管嘴9的材料包括不锈钢或者高温合金。

具体地，所述多针栓喷注器单元燃烧室还包括：节流环缝141，形成于所述针栓体7的外周壁与所述壳体的底壁41之间，适于将所述第二集液腔16内的第二推进剂导出至预燃区101；

所述节流环缝141的出口方向与所述径向孔142的出口方向相垂直。

优选的，所述节流环缝141由所述针栓喷注器3的外表面以及所述底壁41与所述针栓喷注器3贴合位置处的内表面共同形成。

结合图3所示，经由所述径向孔142喷出的第一推进剂和经由所述节流环缝141喷出的第二推进剂的喷出方向相互垂直，依靠相互垂直方向的流动，使得第一推进剂与第二推进剂的射流发生高效撞击，促进推进剂的雾化和混合，提高的掺混效率，雾化和混合后的推进剂进入预燃区，并在预燃区内进行高效率的化学燃烧。

本实施例提供的多针栓喷注器单元燃烧室，通过设置节流环缝141的出口方向与径向孔142的出口方向相垂直，使得分别由所述节流环缝141和所述径向孔142喷出的推进剂彼此对撞混合，使得两种推进剂雾化和混合效果更好，从而提高多针栓喷注器单元燃烧室的燃烧效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，包括：

针栓喷注器（3），适于对两种组元的推进剂进行雾化和混合；

燃烧室本体（1），依次划分为：预燃区（101），所述预燃区（101）的预燃区入口（100）与所述针栓喷注器（3）的喷注器出口（14）连通，适于容纳雾化和混合后的推进剂并进行预燃烧；充分燃烧区（102），适于预燃烧后的推进剂进行充分燃烧；以及膨胀加速区（103），适于对充分燃烧后的推进剂进行膨胀加速；

所述针栓喷注器（3）的数量为两个或多个，每个所述针栓喷注器（3）具有独立的点火器接嘴（13）及独立的推进剂供给系统，每个所述针栓喷注器（3）适于独立开启或关闭；

每个所述针栓喷注器（3）对应一个独立的预燃区（101）。

2.根据权利要求1所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，两个或多个所述预燃区（101）同时与一个所述充分燃烧区（102）连通，一个所述充分燃烧区（102）与一个所述膨胀加速区（103）连通。

3.根据权利要求1所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，两个或多个所述针栓喷注器（3）环绕所述燃烧室本体（1）的轴心均匀分布。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，所述针栓喷注器（3）包括：

壳体；

针栓体（7），构造为中空管状结构，所述针栓体（7）设置于所述壳体内，并适于将所述壳体划分为第一集液腔（15）和第二集液腔（16），所述第一集液腔（15）与所述第二集液腔（16）相互独立，适于分别容纳第一推进剂和第二推进剂。

5.根据权利要求4所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，所述针栓体（7）的第一端敞开并适于通入第一推进剂，所述针栓体（7）的第二端的周向侧壁环绕形成有若干径向孔（142）；所述针栓体（7）的第二端贯穿所述壳体的底壁（41），并使所述径向孔（142）位于所述预燃区（101）内。

6.根据权利要求5所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，所述针栓喷注器（3）还包括：

挡板（6），构造为多孔板状结构，所述挡板（6）与所述针栓体（7）的轴线方向相垂直，并同时与所述针栓体（7）的外周壁和所述壳体的内周壁相抵接，适于将所述第二集液腔（16）分割成左右两个腔室，并适于固定所述针栓体（7）。

7.根据权利要求4所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，还包括：第一接管嘴（5），与第一集液腔（15）连通，适于将第一推进剂导入所述第一集液腔（15）内；

第二接管嘴（9），与所述第二集液腔（16）连通，适于将第二推进剂导入所述第二集液腔（16）内。

8.根据权利要求5所述的多针栓喷注器单元燃烧室，其特征在于，还包括：

节流环缝（141），形成于所述针栓体（7）的外周壁与所述壳体的底壁（41）之间，适于将所述第二集液腔（16）内的第二推进剂导出至预燃区（101）；

所述节流环缝（141）的出口方向与所述径向孔（142）的出口方向相垂直。

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