CN113969849B - 一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机 - Google Patents

一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机，包括氧喷嘴入口段、喷注器、氧喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室；喷嘴入口段、喷注器和燃烧室同轴密封可拆卸连接。氧喷嘴和燃料喷嘴均同轴密封放置在喷注器内腔中，氧喷嘴沿氧气流动方向依次同轴设置有外径逐渐缩小的大圆柱段、中圆柱段和小圆柱段；燃料喷嘴内壁面与小圆柱段之间形成环缝；燃料喷嘴内设有燃料喷孔；燃料喷孔能分别与环缝和燃料入口通道相连通；燃料喷嘴前端面与小圆柱段前端面齐平，且形成缩进室；燃烧室同轴可拆卸式安装在喷注器的前端面上。本发明通过不同尺寸模块组合，改变火箭发动机结构参数，研究火箭发动机不同结构参数对火箭发动机纵向燃烧不稳定的影响。

Description

一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机
技术领域
本发明涉及空间推进技术领域，特别是一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机。
背景技术
大部分火箭发动机在研制过程中，都会出现高频燃烧不稳定，而高频燃烧不稳定会对发动机结构产生破坏性的影响，因此，高频燃烧不稳定仍然是制约液体火箭发动机发展的难题。为研究高频燃烧不稳定的产生机理，最直接的方式是在全尺寸发动机上进行试验研究，但是往往伴随着高昂的研究成本和较长的周期。因此考虑到经济型和时效性，缩比模型发动机是一个理想的试验装置。根据普渡大学试验研究表明：缩比模型发动机产生燃烧不稳定需要的能量较高，燃烧不稳定出现在缩比模型发动机的概率较低。因此，需要改变缩比模型火箭发动机的各种参数，通过多次试验，研究是否会产生燃烧不稳定以及燃烧不稳定的振型和燃烧室压力振荡幅度。研究火箭发动机高频纵向燃烧不稳定，通常采用只有一个喷嘴的单喷嘴缩比模型火箭发动机。
现有的火箭发动机大部分通过焊接将喷嘴、喷注器、燃烧室、喷管连接成一个整体，改变一个结构参数需要重新加工一台发动机，成本较高，实验时改变结构参数也不方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机，该模块化设计的单喷嘴火箭发动机通过不同尺寸模块组合，改变火箭发动机结构参数，研究火箭发动机不同结构参数对火箭发动机纵向燃烧不稳定的影响。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机，包括氧喷嘴入口段、喷注器、氧喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室。
氧喷嘴入口段的轴线中心设置有氧气入口通道，氧气入口通道的前端外周设置有氧入口凸台。
喷注器同轴密封套设在氧入口凸台的外周，且与氧喷嘴入口段密封可拆卸连接；喷注器中设置有燃料入口通道。
氧喷嘴位于氧入口凸台下游的喷注器内腔中，氧喷嘴沿氧气流动方向依次同轴设置有外径逐渐缩小的大圆柱段、中圆柱段和小圆柱段。
大圆柱段、中圆柱段和小圆柱段的中心均设置有与氧气入口通道相连通的氧气喷孔。
大圆柱段外壁面与喷注器内壁密封配合。
燃料喷嘴同轴密封套设在中圆柱段外周的喷注器内腔中，且燃料喷嘴外壁面与喷注器内壁密封配合，燃料喷嘴内壁面与小圆柱段之间形成环缝；燃料喷嘴内设置有燃料喷孔；燃料喷孔能分别与环缝和燃料入口通道相连通。
燃料喷嘴前端面与小圆柱段前端面齐平，且低于喷注器的前端面，从而形成圆柱形的缩进室。
燃烧室同轴可拆卸式安装在喷注器的前端面上。
还包括燃烧室附加段；燃烧室附加段同轴可拆卸式安装在燃烧室的前端面上。
还包括喷管，喷管的前端面同轴可拆卸式安装在燃烧室或燃烧室附加段的前端面上。
还包括集氧腔端盖、整流板和集氧腔圆柱段。
集氧腔圆柱段的前端面同轴可拆卸式安装在氧喷嘴入口段的后端面上，集氧腔圆柱段的内腔形成集氧腔。
整流板同轴的前端面同轴可拆卸式安装在集氧腔圆柱段的后端面，整流板上均匀布设有若干个氧气整流孔。
集氧腔端盖的前端面同轴可拆卸式安装在整流板的后端面，集氧腔端盖的中心设置有氧气入口和氧气入口混合腔。
氧气入口、氧气入口混合腔、氧气整流孔、集氧腔和氧气入口通道依次相贯通。
每个氧气整流孔均与火箭发动机的中心轴线相平行，每个氧气整流孔的入口处和出口处均设置有斜角。
氧喷嘴入口段安装有高频压力传感器一，高频压力传感器一能用于检测氧气入口通道内的压力振荡；燃烧室安装有高频压力传感器二，高频压力传感器二能用于检测燃烧室内的压力振荡。
氧气入口通道和氧喷嘴中心的氧气喷孔，共同构成氧气总喷孔；通过更换不同轴向长度的氧喷嘴入口段，即能得到不同长度的氧气总喷孔；通过增大或减小氧喷嘴中心的氧气喷孔内径，进而能调整氧气压降；通过调整氧喷嘴的小圆柱段长度，进而改变缩进室长度。
通过更换燃料喷嘴中燃料喷孔的数量、直径和倾斜方向中的一个或组合，进而能够控制燃料压降。
通过更换不同内径的燃料喷嘴、以及更换不同外径的中圆柱段和小圆柱段，进而调整环缝宽度。
通过增减燃烧室附加段的数量或调整单个燃烧室附加段的轴向长度，进而能够调整燃烧室总长度。
本发明具有如下有益效果：
本发明在单喷嘴火箭发动机结构上进行了改进，氧喷嘴入口段、氧喷嘴、燃料喷嘴、燃烧室、喷管等均可拆卸更换，方便改变单喷嘴火箭发动机的氧喷嘴内径、氧喷嘴长度、喷嘴环缝宽度、燃料喷嘴内径、喷嘴缩进室长度、燃烧室长度、燃烧室内径、喉部直径等参数，便于研究单喷嘴火箭发动机不同参数对纵向燃烧不稳定的影响。
附图说明
图1显示了本发明一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机的结构示意图。
图2显示了图1中喷注器、氧喷嘴和燃料喷嘴部分的局部放大示意图。
图3显示了本发明一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机的爆炸示意图。
其中有：
10.集氧腔端盖；11.氧气入口；12.氧气入口混合腔；
20.整流板；21.氧气整流孔；
30.集氧腔圆柱段；31.集氧腔；
40.氧喷嘴入口段；41.高频压力传感器安装孔一；42.氧入口凸台；43.氧气入口通道；
50.喷注器；51.燃料入口通道；52.缩进室；53.密封槽；
60.氧喷嘴；61.大圆柱段；62.中圆柱段；63.小圆柱段；
70.燃料喷嘴；71.燃料集腔；72.燃料喷孔；73.环缝；
80.燃烧室；81.火花塞安装孔；82.高频压力传感器安装孔二；83.普通压力传感器安装孔；84.燃烧室附加段；
90.喷管。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机，包括集氧腔端盖10、整流板20、集氧腔圆柱段30、氧喷嘴入口段40、喷注器50、氧喷嘴60、燃料喷嘴70、燃烧室80、燃烧室附加段84和喷管90。
集氧腔端盖10、整流板20、集氧腔圆柱段30、氧喷嘴入口段40、喷注器50、燃烧室80、燃烧室附加段84和喷管90沿轴向依次同轴布设，相邻两者之间均为密封可拆卸连接，优选通过垫片、法兰盘和螺栓实现相邻两者之间的密封可拆卸连接。
集氧腔端盖的前端面同轴可拆卸式安装在整流板的后端面，集氧腔端盖的中心设置有氧气入口11和氧气入口混合腔12。其中，氧气入口11与氧化剂供应管路相连接，实现氧化剂的供给。氧化剂可以是氧气，也可以是过氧化氢分解后的产物等其他氧化剂。
整流板同轴的前端面同轴可拆卸式安装在集氧腔圆柱段的后端面，整流板上均匀布设有若干个氧气整流孔21。
上述氧气入口、氧气入口混合腔和每个氧气整流孔均相互连通。
每个氧气整流孔均优选与火箭发动机的中心轴线相平行，每个氧气整流孔的入口处和出口处均优选设置有斜角，用于将从氧气入口混合腔进入的氧化剂进行整流。
集氧腔圆柱段的前端面同轴可拆卸式安装在氧喷嘴入口段的后端面上，集氧腔圆柱段的内腔形成与每个氧气整流孔均相互连通的集氧腔31。
氧喷嘴入口段的轴线中心设置有氧气入口通道43，氧气入口通道与集氧腔相连通。氧气入口通道的进口端优选设置有圆形倒角或倾斜倒角，从而便于研究圆形倒角或倾斜倒角对燃烧不稳定的影响。作为替换，氧气入口通道的进口端也可不设置倒角。
氧气入口通道的前端外周设置有氧入口凸台42，氧入口凸台的外壁面设置有密封槽53，密封槽内嵌套有O型密封圈。
氧喷嘴上还设置有高频压力传感器安装孔一41，用于安装高频压力传感器一，高频压力传感器一能用于检测氧气入口通道内的压力振荡。
喷注器同轴密封套设在氧入口凸台的外周，并优选通过氧入口凸台外周的O型密封圈进行密封。
喷注器中设置有燃料入口通道51，燃料入口通道51与燃料供应管路相连接。本发明中燃料可以是气态燃料氢气、甲烷、乙烯等，也可以是液态燃料煤油、酒精等。
氧喷嘴位于氧入口凸台下游的喷注器内腔中，氧喷嘴沿氧气流动方向依次同轴设置有外径逐渐缩小的大圆柱段61、中圆柱段62和小圆柱段63。
大圆柱段、中圆柱段和小圆柱段的中心均设置有与氧气入口通道相连通的氧气喷孔。氧气入口通道和氧喷嘴中心的氧气喷孔，内径优选相等，共同构成氧气总喷孔；通过更换不同轴向长度的氧喷嘴入口段，即能得到不同长度的氧气总喷孔。
大圆柱段的外壁面优选设置有密封槽53，密封槽内嵌套有O型密封圈，从而实现与喷注器内壁密封配合。
燃料喷嘴同轴密封套设在中圆柱段外周的喷注器内腔中，且燃料喷嘴外壁面与喷注器内壁之间也优选通过密封槽和嵌套在密封槽内的O型密封圈进行密封配合。
燃料喷嘴内壁面与小圆柱段之间形成环缝73。通过更换不同内径的燃料喷嘴、以及更换不同外径的中圆柱段和小圆柱段，进而调整环缝宽度。也即燃料喷嘴可以有不同内径，以改变燃料喷嘴直径，并可以与氧喷嘴配合改变环缝厚度。
燃料喷嘴内设置有燃料集腔71和若干个燃料喷孔72；燃料集腔位于若干个燃料喷孔72的外周，分别与燃料入口通道和每个燃料喷孔相连通。
通过更换燃料喷嘴中燃料喷孔的数量、直径和倾斜方向中的一个或组合，进而能够控制燃料压降。也即每个燃料喷孔可以为径向孔，也可以为切向孔。
燃料喷嘴前端面与小圆柱段前端面齐平，且低于喷注器的前端面，从而形成圆柱形的缩进室52。通过更换不同轴向长度的氧喷嘴和不同轴向长度的燃料喷嘴，即可实现缩进室长度的调整。
进一步，氧喷嘴与氧喷嘴入口段、氧喷嘴与燃料喷嘴之间的前后端面之间优选采用石棉橡胶密封垫密封，从而保证氧化剂和燃料密封良好。
燃烧室同轴可拆卸式安装在喷注器的前端面上，燃烧室内径可以调整更换。
燃烧室上设置有火花塞安装孔81、高频压力传感器安装孔二82和普通压力传感器安装孔83。其中，火花塞安装孔81用于安装火花塞，用于燃烧室内点火。
高频压力传感器安装孔二82安装有高频压力传感器二，高频压力传感器二能用于检测燃烧室内的压力振荡。
普通压力传感器安装孔83安装有普通压力传感器，其用于测量燃烧室内的稳态压力。
燃烧室附加段同轴可拆卸式安装在燃烧室的前端面上，燃烧室附加段可以根据需要进行添加，可以安装1个、2个或多个，用来改变燃烧室总长度，有不同内径，与不同内径燃烧室相配合。也即通过增减燃烧室附加段的数量或调整单个燃烧室附加段的轴向长度，进而能够调整燃烧室总长度。
喷管的前端面同轴可拆卸式安装在燃烧室或燃烧室附加段的前端面上。喷管内型面包含收缩段、喉部和扩张段，喷管喉部有不同尺寸，实验时可以换用不同喉部尺寸的喷管，喷管收缩段有不同形状，可以研究收缩段不同型面对纵向燃烧不稳定的影响。
工作时，氧化剂从氧气入口进入，经整流板整流后进入集氧腔，通过氧喷嘴入口段的氧气入口通道、氧喷嘴的氧气喷孔进入缩进室；燃料从喷注器的燃料入口通道进入，经过燃料喷嘴的燃料集腔和燃料喷孔，进入氧喷嘴和燃料喷嘴形成的环缝，然后进入缩进室；在缩进室内氧化剂和燃料开始混合，并进入燃烧室，在安装在燃烧室火花塞安装孔的火花塞的作用下点燃，随后燃气经燃烧室、燃烧室附加段、进入具有收缩-扩张型面的喷管，最后喷出发动机。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：包括氧喷嘴入口段、喷注器、氧喷嘴、燃料喷嘴和燃烧室；
氧喷嘴入口段的轴线中心设置有氧气入口通道，氧气入口通道的前端外周设置有氧入口凸台；
喷注器同轴密封套设在氧入口凸台的外周，且与氧喷嘴入口段密封可拆卸连接；喷注器中设置有燃料入口通道；
氧喷嘴位于氧入口凸台下游的喷注器内腔中，氧喷嘴沿氧气流动方向依次同轴设置有外径逐渐缩小的大圆柱段、中圆柱段和小圆柱段；
大圆柱段、中圆柱段和小圆柱段的中心均设置有与氧气入口通道相连通的氧气喷孔；
大圆柱段外壁面与喷注器内壁密封配合；
燃料喷嘴同轴密封套设在中圆柱段外周的喷注器内腔中，且燃料喷嘴外壁面与喷注器内壁密封配合，燃料喷嘴内壁面与小圆柱段之间形成环缝；燃料喷嘴内设置有燃料喷孔；燃料喷孔能分别与环缝和燃料入口通道相连通；
燃料喷嘴前端面与小圆柱段前端面齐平，且低于喷注器的前端面，从而形成圆柱形的缩进室；
燃烧室同轴可拆卸式安装在喷注器的前端面上。
2.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：还包括燃烧室附加段；燃烧室附加段同轴可拆卸式安装在燃烧室的前端面上。
3.根据权利要求1或2所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：还包括喷管，喷管的前端面同轴可拆卸式安装在燃烧室或燃烧室附加段的前端面上。
4.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：还包括集氧腔端盖、整流板和集氧腔圆柱段；
集氧腔圆柱段的前端面同轴可拆卸式安装在氧喷嘴入口段的后端面上，集氧腔圆柱段的内腔形成集氧腔；
整流板同轴的前端面同轴可拆卸式安装在集氧腔圆柱段的后端面，整流板上均匀布设有若干个氧气整流孔；
集氧腔端盖的前端面同轴可拆卸式安装在整流板的后端面，集氧腔端盖的中心设置有氧气入口和氧气入口混合腔；
氧气入口、氧气入口混合腔、氧气整流孔、集氧腔和氧气入口通道依次相贯通。
5.根据权利要求4所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：每个氧气整流孔均与火箭发动机的中心轴线相平行，每个氧气整流孔的入口处和出口处均设置有斜角。
6.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：氧喷嘴入口段安装有高频压力传感器一，高频压力传感器一能用于检测氧气入口通道内的压力振荡；燃烧室安装有高频压力传感器二，高频压力传感器二能用于检测燃烧室内的压力振荡。
7.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：氧气入口通道和氧喷嘴中心的氧气喷孔，共同构成氧气总喷孔；通过更换不同轴向长度的氧喷嘴入口段，即能得到不同长度的氧气总喷孔；通过增大或减小氧喷嘴中心的氧气喷孔内径，进而能调整氧气压降；通过调整氧喷嘴的小圆柱段长度，进而改变缩进室长度。
8.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：通过更换燃料喷嘴中燃料喷孔的数量、直径和倾斜方向中的一个或组合，进而能够控制燃料压降。
9.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：通过更换不同内径的燃料喷嘴、以及更换不同外径的中圆柱段和小圆柱段，进而调整环缝宽度。
10.根据权利要求1所述的模块化设计的单喷嘴火箭发动机，其特征在于：通过增减燃烧室附加段的数量或调整单个燃烧室附加段的轴向长度，进而能够调整燃烧室总长度。
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