CN113294265B - 一种液体火箭发动机用针栓喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机用针栓喷注器。本发明提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过在所述针栓体的一端头部环绕设置有若干切向孔，并在底盖与所述针栓体的贴合位置处设置有若干旋流孔；使得由所述旋流孔喷出的所述第二推进剂与由所述切向孔喷出的所述第一推进剂旋转方向相反且彼此对撞混合，使得两种推进剂雾化效果更好，且掺混效果更加均匀，从而提高液体火箭发动机用针栓喷注器的雾化及掺混特性，提高液体火箭发动机的燃烧效率。

Description

一种液体火箭发动机用针栓喷注器

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种液体火箭发动机用针栓喷注器。

背景技术

随着航天技术的发展，可重复使用技术应运而生，使得高性能的液体火箭发动机成为了未来的发展方向，衡量液体火箭发动机性能高低的指标之一为比冲大小，比冲是指单位质量推进剂所能产生的推力，比冲越大，发动机性能越好，而影响比冲的关键参数是推进剂的燃烧效率，一般燃烧效率越高，发动机比冲越高；液体火箭发动机的燃烧效率取决于推进剂组元之间的掺混及雾化特性，推进剂雾化越好，掺混越均匀，一般燃烧效率越高，而推进剂掺混及雾化特性是由喷注器的结构形式决定的。

常规的液体火箭发动机喷注器一般是由几十至几百个喷注单元组成，喷注器结构复杂，成本高且结构重量大，而应用针栓式喷注器的液体火箭发动机，由于其结构简单、可靠性高、具备深度变推力等特点，近几年收到广泛关注。但由于喷注器只有一个单元组成，推进剂射流多为直流形式，推进剂的雾化及掺混效率相比于多喷嘴的喷注器燃烧效率要低，因此，针栓式喷注器的雾化及掺混特性亟待提高。

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针栓式喷注器的雾化及掺混特性较差的缺陷，从而提供一种能够提高雾化及掺混特性的液体火箭发动机用针栓喷注器。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种液体火箭发动机用针栓喷注器，包括：

针栓体，构造为中空管状结构，所述针栓体内适于通入第一推进剂；

底盖，套接于所述针栓体外侧，所述底盖内适于通入第二推进剂；

所述针栓体的一端头部环绕设置有若干切向孔，所述底盖与所述针栓体的贴合位置处设置有若干旋流孔；由所述旋流孔喷出的所述第二推进剂与由所述切向孔喷出的所述第一推进剂旋转方向相反且彼此对撞混合。

可选的，所述切向孔的延伸方向与所述针栓体的内表面相切；所述旋流孔呈螺旋形式设置，并适于贯通所述底盖与所述针栓体的贴合位置处的两侧。

可选的，所述切向孔设置于所述旋流孔喷射方向的相对下方位置处。

可选的，所述液体火箭发动机用针栓喷注器还包括：

上集合器，与所述针栓体内部导通；

第一接管嘴，设置于所述上集合器的周向表面，并与所述上集合器内部导通，所述第一接管嘴适于将所述第一推进剂通入所述上集合器内部。

可选的，所述液体火箭发动机用针栓喷注器还包括：

均流环，构造为圆环状结构，所述均流环设置于所述上集合器内，并位于所述针栓体远离所述切向孔的一端端部；

所述均流环的轴向方向一端与所述针栓体内部导通；

所述均流环上开设有贯穿其内外周面的若干第一均流孔，所述上集合器内的所述第一推进剂适于均匀分布于所述均流环的外周侧，并从所述均流环的第一均流孔均匀进入所述针栓体内部。

可选的，所述第一接管嘴的延伸方向与所述均流环的轴向方向呈角度设置。

可选的，所述液体火箭发动机用针栓喷注器还包括：下集合器，设置于所述底盖的外周侧，并与所述底盖内部导通；

第二接管嘴，设置于所述下集合器的周向表面，并与所述下集合器内部导通，所述第二接管嘴适于将所述第二推进剂通入所述下集合器内部。

可选的，所述底盖上还设置有底盖均流环，所述底盖均流环上开设有贯穿内外周面的若干第二均流孔，所述下集合器内的所述第二推进剂适于均匀分布于所述底盖均流环的外周侧，并从所述底盖均流环的第二均流孔中均匀进入所述底盖内部。

可选的，所述第二接管嘴的延伸方向与所述底盖均流环的轴向方向呈角度设置。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过在所述针栓体的一端头部环绕设置有若干切向孔，并在底盖与所述针栓体的贴合位置处设置有若干旋流孔；使得由所述旋流孔喷出的所述第二推进剂与由所述切向孔喷出的所述第一推进剂旋转方向相反且彼此对撞混合，使得两种推进剂雾化效果更好，且掺混效果更加均匀，从而提高液体火箭发动机用针栓喷注器的雾化及掺混特性，提高液体火箭发动机的燃烧效率。

2.本发明提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，所述切向孔沿针栓体切向分布，从而使得第一推进剂经切向孔后可沿针栓体切向离心喷出；所述旋流孔沿针栓体的外表面周向旋转排列，从而使得第二推进剂经由所述旋流孔后可旋转向下喷出；经底盖上的旋流孔旋转喷出的第二推进剂与经针栓体的切向孔离心喷出的推进剂的旋转方向相反，保证两股推进剂实现对撞混合，提高掺混和雾化的效果。

3.本发明提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过在所述上集合器内设置均流环，并在均流环的周向表面贯穿形成有第一均流孔，从而使得第一推进剂能够进行均匀分流，保证第一推进剂均匀分布于所述均流环的外周侧，从而使得第一推进剂进入第一均流孔的流量呈均匀分布，保证流向切向孔的第一推进剂沿周向均匀分布，提高雾化效果与流量的均匀程度，提高燃烧稳定性。

4.本发明提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过设置底盖均流环，并在底盖均流环的周向表面贯穿形成有第二均流孔，从而使得第二推进剂能够进行均匀分流，保证第二推进剂均匀分布于所述底盖均流环的外周侧，从而使得第二推进剂进入第二均流孔的流量呈均匀分布，保证流向旋流孔的第二推进剂沿周向均匀分布，提高雾化效果与流量的均匀程度，提高燃烧稳定性。

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为本发明液体火箭发动机用针栓喷注器的截面示意图；

图2为本发明底盖及其上的旋流孔的示意图；

图3为图1中A-A截面示意图。

附图标记说明：

1、底盖；2、下集合器；3、针栓体；4、上集合器；5、均流环；61、第一接管嘴；62、第二接管嘴；

7、上集合器外流腔；8、上集合器内流腔；

9、下集合器外流腔；10、下集合器内流腔；

11、第二均流孔；12、旋流孔；13、切向孔。

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，可以根据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。

实施例一

结合图1-图3所示，本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，包括：

针栓体3，构造为中空管状结构，所述针栓体3内适于通入第一推进剂；

底盖1，套接于所述针栓体3外侧，所述底盖1内适于通入第二推进剂；

所述针栓体3的一端头部环绕设置有若干切向孔13，所述底盖1与所述针栓体3的贴合位置处设置有若干旋流孔12；由所述旋流孔12喷出的所述第二推进剂与由所述切向孔13喷出的所述第一推进剂旋转方向相反且彼此对撞混合。

优选的，以图1的视角为例，所述针栓体3构造为中空管状结构，其上端开口适于通入第一推进剂，所述针栓体3的下端环绕设置有若干切向孔13，所述切向孔13贯穿所述针栓体3的周向侧壁设置，从而方便使第一推进剂从切向孔13排出。

优选的，所述旋流孔12由针栓体3的外表面与底盖1贴合位置处的内表面共同形成。具体地，底盖1与针栓体3的贴合处设有螺旋槽，针栓体3的外表面与螺旋槽围成旋流孔12。

所述底盖1套接于所述针栓体3的外侧，所述底盖1内适于通入第二推进剂，所述底盖1至少部分区域与所述针栓体3的外壁相接触，优选的，所述底盖1与所述针栓体3的贴合位置处设置有若干旋流孔12，所述第二推进剂能够从所述旋流孔12中排出。

本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过在所述针栓体3的一端头部环绕设置有若干切向孔13，并在底盖1与所述针栓体3的贴合位置处设置有若干旋流孔12；使得由所述旋流孔12喷出的所述第二推进剂与由所述切向孔13喷出的所述第一推进剂旋转方向相反且彼此对撞混合，使得两种推进剂雾化效果更好，且掺混效果更加均匀，从而提高液体火箭发动机用针栓喷注器的雾化及掺混特性，提高液体火箭发动机的燃烧效率。

优选的，所述第一推进剂与所述第二推进剂分别可以为氧化剂和燃料剂。

具体地，所述切向孔13的延伸方向与所述针栓体3的内表面相切；所述旋流孔12呈螺旋形式设置，并适于贯通所述底盖1与所述针栓体3的贴合位置处的两侧。

本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，所述切向孔13沿针栓体3切向分布，从而使得第一推进剂经切向孔后可沿针栓体切向离心喷出；所述旋流孔12沿针栓体3的外表面周向旋转排列，从而使得第二推进剂经由所述旋流孔12后可旋转向下喷出；经底盖1上的旋流孔12旋转喷出的第二推进剂与经针栓体3的切向孔13离心喷出的推进剂的旋转方向相反，保证两股推进剂实现对撞混合，提高掺混和雾化的效果。

优选的，结合图1所示，第二推进剂经由所述旋流孔12后沿旋转方向A运动，第一推进剂经切向孔13后沿旋转方向B运动，旋转方向A和旋转方向B互为相反方向，依靠反方向的流动，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。

掺混和雾化后的推进剂进入燃烧室，并在燃烧室内进行高效率的化学燃烧。

具体地，所述切向孔13设置于所述旋流孔12喷射方向的相对下方位置处。由于第二推进剂经由所述旋流孔12后可旋转向下喷出，从而保证第一推进剂与第二推进剂的接触效果。

具体地，所述液体火箭发动机用针栓喷注器还包括：

上集合器4，与所述针栓体3内部导通；

第一接管嘴61，设置于所述上集合器4的周向表面，并与所述上集合器4内部导通，所述第一接管嘴61适于将所述第一推进剂通入所述上集合器4内部。

优选的，第一接管嘴61与外部导通，用于将第一推进剂沿图1中的M方向通入所述上集合器4内部，所述上集合器4用于对第一推进剂进行汇集，所述上集合器4内形成空腔，且所述上集合器4与所述针栓体3内部导通，从而方便将第一推进剂通入针栓体3内。

但由于第一接管嘴61通入的第一推进剂液体体积流量较大，如果直接通入针栓体3会导致雾化效果较差，燃烧不充分，因此，需要将第一接管嘴61通入的第一推进剂进行充分均流。

具体地，所述液体火箭发动机用针栓喷注器还包括：

均流环5，构造为圆环状结构，所述均流环5设置于所述上集合器4内，并位于所述针栓体3远离所述切向孔13的一端端部；

所述均流环5的轴向方向一端与所述针栓体3内部导通；

所述均流环5上开设有贯穿其内外周面的若干第一均流孔，所述上集合器4内的所述第一推进剂适于均匀分布于所述均流环5的外周侧，并从所述均流环5的第一均流孔均匀进入所述针栓体3内部。

优选的，若干第一均流孔均匀分布于均流环5的周向表面上。

优选的，所述均流环5将所述上集合器4的空腔划分为上集合器外流腔7和上集合器内流腔8，第一接管嘴61首先将第一推进剂通入上集合器外流腔7内，上集合器外流腔7环绕所述均流环5周向表面一周设置，第一推进剂通过在上集合器外流腔7内扩散，从而能够环绕所述均流环5周向表面一周分布，并从所述均流环5的第一均流孔均匀进入所述针栓体3内部，从而保证进入针栓体3内部的第一推进剂的雾化效果。

优选的，由M方向流入的第一推进剂经过第一接管嘴61先进入上集合器4的上集合器外流腔7，随后经过均流环5均匀分流后，流入上集合器4的上集合器内流腔8，然后在针栓体3的流道内到达切向孔13位置，经过切向孔13离心后，以旋转方向B流入燃烧室内。

本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过在所述上集合器4内设置均流环5，并在均流环5的周向表面贯穿形成有第一均流孔，从而使得第一推进剂能够进行均匀分流，保证第一推进剂均匀分布于所述均流环5的外周侧，从而使得第一推进剂进入第一均流孔的流量呈均匀分布，保证流向切向孔13的第一推进剂沿周向均匀分布，提高雾化效果与流量的均匀程度，提高燃烧稳定性。

具体地，所述第一接管嘴61的延伸方向与所述均流环5的轴向方向呈角度设置。从而避免由第一接管嘴61进入的第一推进剂直接进入针栓体3的流道内，提高均流环5的均流效果。

优选的，所述第一接管嘴61的延伸方向与所述均流环5的轴向方向呈直角设置。

具体地，所述液体火箭发动机用针栓喷注器还包括：下集合器2，设置于所述底盖1的外周侧，并与所述底盖1内部导通；第二接管嘴62，设置于所述下集合器2的周向表面，并与所述下集合器2内部导通，所述第二接管嘴62适于将所述第二推进剂通入所述下集合器2内部。

优选的，第二接管嘴62与外部导通，用于将第二推进剂沿图1中的N方向通入所述下集合器2内部，所述下集合器2用于对第二推进剂进行汇集，所述下集合器2内形成空腔，且所述下集合器2与所述底盖1内部导通，从而方便将第二推进剂通入底盖1内。

但由于第二接管嘴62通入的第二推进剂液体体积流量较大，如果直接通入底盖1会导致雾化效果较差，燃烧不充分，因此，需要将第二接管嘴62通入的第二推进剂进行充分均流。

具体地，所述底盖1上还设置有底盖均流环，所述底盖均流环上开设有贯穿内外周面的若干第二均流孔，所述下集合器2内的所述第二推进剂适于均匀分布于所述底盖均流环的外周侧，并从所述底盖均流环的第二均流孔11中均匀进入所述底盖1内部。

优选的，底盖均流环可以作为底盖1的一部分，也可以与底盖1分体设置。

优选的，若干第二均流孔均匀分布于底盖均流环的周向表面上。

优选的，所述底盖1与下集合器2共同围合形成空腔，进一步的，所述底盖均流环将所述下集合器2的空腔划分为下集合器外流腔9和下集合器内流腔10，第二接管嘴62首先将第二推进剂通入下集合器外流腔9内，下集合器外流腔9环绕所述底盖均流环周向表面一周设置，第二推进剂通过在下集合器外流腔9内扩散，从而能够环绕所述底盖均流环周向表面一周分布，并从所述底盖均流环的第二均流孔均匀进入所述底盖1内部，从而保证进入底盖1内部的第二推进剂的雾化效果。

优选的，由N方向流入的第二推进剂经过第二接管嘴62先进入下集合器2的下集合器外流腔9，随后经过底盖均流环均匀分流后，流入下集合器2的下集合器内流腔10，然后在底盖1的流道内到达旋流孔12位置，经过旋流孔12离心后，以旋转方向A流入燃烧室内。

本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器，通过设置底盖均流环，并在底盖均流环的周向表面贯穿形成有第二均流孔，从而使得第二推进剂能够进行均匀分流，保证第二推进剂均匀分布于所述底盖均流环的外周侧，从而使得第二推进剂进入第二均流孔的流量呈均匀分布，保证流向旋流孔12的第二推进剂沿周向均匀分布，提高雾化效果与流量的均匀程度，提高燃烧稳定性。

具体地，所述第二接管嘴62的延伸方向与所述底盖均流环的轴向方向呈角度设置。从而避免由第二接管嘴62进入的第二推进剂直接由旋流孔12排出，提高底盖均流环的均流效果。

优选的，所述第二接管嘴62的延伸方向与所述底盖均流环的轴向方向呈直角设置。

优选的，本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器各零件之间可以通过焊接形式组合成一体。并具体的，第一接管嘴61与上集合器4的连接方式为氩弧焊；第二接管嘴62与下集合器2的连接方式为氩弧焊。上集合器4与针栓体3的连接方式为氩弧焊或者电子束焊；针栓体3与下集合器2的连接方式为氩弧焊或者电子束焊；底盖1与下集合器2的连接方式为氩弧焊或者电子束焊，以上焊接方式的焊缝深度一般为3~10mm。

优选的，上集合器4与均流环5的连接方式为榫槽连接；针栓体3与均流环5的连接方式为榫槽连接；以上榫槽连接的榫槽深度或者高度为1~5mm。

优选的，下集合器2、针栓体3和底盖1靠近燃烧室高温燃气侧，其材料一般为高温合金。上集合器4、均流环5和接管嘴的材料一般为不锈钢或者高温合金。

额外的，本实施例提供的液体火箭发动机用针栓喷注器还具有结构简单、重量轻、制造成本低等诸多优点。

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)

1.一种液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，包括：

针栓体（3），构造为中空管状结构，所述针栓体（3）内适于通入第一推进剂；

底盖（1），套接于所述针栓体（3）外侧，所述底盖（1）内适于通入第二推进剂；

所述针栓体（3）的一端头部环绕设置有若干切向孔（13），所述底盖（1）与所述针栓体（3）的贴合位置处设置有若干旋流孔（12）；由所述旋流孔（12）喷出的所述第二推进剂与由所述切向孔（13）喷出的所述第一推进剂旋转方向相反且彼此对撞混合；

上集合器（4），与所述针栓体（3）内部导通；

均流环（5），构造为圆环状结构，所述均流环（5）设置于所述上集合器（4）内，并位于所述针栓体（3）远离所述切向孔（13）的一端端部；

所述均流环（5）的轴向方向一端与所述针栓体（3）内部导通；

所述均流环（5）上开设有贯穿其内外周面的若干第一均流孔，所述上集合器（4）内的所述第一推进剂适于均匀分布于所述均流环（5）的外周侧，并从所述均流环（5）的第一均流孔均匀进入所述针栓体（3）内部。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，所述切向孔（13）的延伸方向与所述针栓体（3）的内表面相切；所述旋流孔（12）呈螺旋形式设置，并适于贯通所述底盖（1）与所述针栓体（3）的贴合位置处的两侧。

3.根据权利要求2所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，所述切向孔（13）设置于所述旋流孔（12）喷射方向的相对下方位置处。

4.根据权利要求1所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，还包括：

第一接管嘴（61），设置于所述上集合器（4）的周向表面，并与所述上集合器（4）内部导通，所述第一接管嘴（61）适于将所述第一推进剂通入所述上集合器（4）内部。

5.根据权利要求4所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，所述第一接管嘴（61）的延伸方向与所述均流环（5）的轴向方向呈角度设置。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，还包括：

下集合器（2），设置于所述底盖（1）的外周侧，并与所述底盖（1）内部导通；

第二接管嘴（62），设置于所述下集合器（2）的周向表面，并与所述下集合器（2）内部导通，所述第二接管嘴（62）适于将所述第二推进剂通入所述下集合器（2）内部。

7.根据权利要求6所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，所述底盖（1）上还设置有底盖均流环，所述底盖均流环上开设有贯穿内外周面的若干第二均流孔（11），所述下集合器（2）内的所述第二推进剂适于均匀分布于所述底盖均流环的外周侧，并从所述底盖均流环的第二均流孔（11）中均匀进入所述底盖（1）内部。

8.根据权利要求7所述的液体火箭发动机用针栓喷注器，其特征在于，所述第二接管嘴（62）的延伸方向与所述底盖均流环的轴向方向呈角度设置。

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