CN114000959B - 一种一体化喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机喷注器技术领域，尤其涉及一种一体化喷注器，包括喷注器主体、位于喷注器主体外侧边缘上的安装法兰、喷注器主体外壁上的测试接口以及位于喷注器主体底部中心区域的喷注头，在喷注器主体内增设提升氧化剂流量周向均匀性，并对喷注器主体下壁面进行有效冷却的氧化剂流道部分，氧化剂流道部分包括在喷注器主体内形成氧化剂通道的氧化剂进口和氧化剂出口，沿氧化剂进口至氧化剂出口之间依次设置有汇集腔、冷却通道、缓冲腔和缓冲狭缝。本发明达到了保证氧化剂流量的周向均匀性的目的，同时利用氧化剂对喷注器的下壁面进行有效冷却，能够提高喷注器的使用寿命。

Description

一种一体化喷注器

技术领域

本发明涉及发动机喷注器技术领域，尤其涉及一种一体化喷注器。

背景技术

火箭发动机的喷注器是将燃料和氧化剂按一定比例喷入燃烧室进行充分雾化混合的重要组件，燃料和氧化剂在喷注器内部形成复杂的腔体流道，既要保证流阻损失小，又要保证结构强度高，还要保证高温不失效。因此喷注器不断朝着简化结构、降低重量、提高可靠性的方向发展。

在现有技术中，对于喷注器采用混入氧化剂的方式稳定燃烧，而相对于喷注器中氧化剂与燃料的混合不够均匀性，并且导致在燃烧时喷注器的下壁异常高温，不仅降低燃烧率，同时还会影响喷注器的使用寿命。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种一体化喷注器，达到了保证氧化剂流量的周向均匀性的目的，同时利用氧化剂对喷注器的下壁面进行有效冷却，能够提高喷注器的使用寿命。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种一体化喷注器，包括喷注器主体、位于喷注器主体外侧边缘上的安装法兰、喷注器主体外壁上的测试接口以及位于喷注器主体底部中心区域的喷注头，在喷注器主体内增设提升氧化剂流量周向均匀性，并对喷注器主体下壁面进行有效冷却的氧化剂流道部分。

进一步地，氧化剂流道部分包括在喷注器主体内形成氧化剂通道的氧化剂进口和氧化剂出口；

沿氧化剂进口至氧化剂出口之间依次设置有汇集腔、冷却通道、缓冲腔和缓冲狭缝。

进一步地，汇集腔为环状空腔结构，汇集腔截面形状的顶部为三角形，且汇集腔顶部截面夹角的范围不大于100°，可在不添加支撑结构的条件下实现3D打印成形；

汇集腔顶部截面圆角的半径不大于3mm，汇集腔的截面积不小于氧化剂进口的截面积，有利于氧化剂在汇集腔中降低流速并实现周向均匀分配。

进一步地，冷却通道包含若干个连接于汇集腔和缓冲腔的子通道，子通道沿氧化剂通道的周向均匀布置，子通道的截面形状为雨滴形，对喷注器主体的下壁面起到冷却作用。

进一步地，缓冲腔为环状结构，缓冲腔截面形状的顶部为三角形，且顶部夹角的范围不大于100°，可在不添加支撑结构的条件下实现3D打印成形，顶部圆角的半径不大于3mm。

进一步地，缓冲腔的顶部与喷注器主体形成缓冲狭缝，缓冲狭缝将缓冲腔分割为两部分，缓冲狭缝的宽度不大于5mm，可以保证氧化剂周向的流量及压力均匀。

进一步地，氧化剂进口设置在喷注器主体侧面环壁上并外部凸出；

氧化剂出口为环形的狭缝，环形的狭缝的宽度不大于1mm，氧化剂出口的喷口方向与喷注器主体的中心轴线平行并向下，并贴着喷注头的外壁均匀喷出，可保证氧化剂喷出时为高速的薄层流动状态，更容易碰撞雾化。

进一步地，喷注器主体包括位于其正上方的中心位置并凸出的燃料进口，还包括若干个设置在喷注头周向并均匀布置的燃料出口，燃料进口和燃料出口之间构成供燃料流通的燃料通道；

燃料出口为若干个周向均匀布置的小喷孔，其截面形状为矩形、圆形、椭圆形、雨滴形中的任意一种。

进一步地，氧化剂流道部分、安装法兰、测试接口和喷注头采用金属3D打印工艺一次成型构成整体的喷注器主体，3D打印喷注器主体所采用的材料为高温合金、合金钢、铜合金中的任意一种；

喷注头在安装法兰的下方，喷注头底面的直径为氧化剂出口和燃料出口距离的0.5～2倍；

测试接口位于汇集腔的外壁上，测试接口的中心轴线垂直于壁面，用来测试氧化剂的温度和压力。

(三)有益效果

本发明提供了一种一体化喷注器，具备以下有益效果：

1、本发明由于在在喷注器主体内增设氧化剂流道部分，通过复杂的氧化剂通道设置，可以保证氧化剂流量的周向均匀性，同时利用氧化剂对喷注器的下壁面进行有效冷却，能够提高喷注器的使用寿命。

2、本发明对喷注器进采用一体化融合设计，并对喷注器结构进行简化和改进，使得结构更加紧凑，可采用金属3D打印技术一次成形，大幅缩短加工周期，有效降低了结构重量，提高了可靠性和稳定性。

3、本发明避免了采用焊接等装配过程，消除了焊接变形大、密封设计难等问题，可将燃料和氧化剂完全隔绝，避免产生安全隐患。

4、本发明通过燃料出口喷出的燃料与氧化剂出口喷出的氧化剂在喷注头附近进行碰撞雾化混合，以便更稳定燃烧。并配合测试接口用来测试氧化剂的温度和压力。

5、本发明对喷注器的内部结构进行了一体化融合设计，结构紧凑重量轻，可采用金属3D打印工艺一体成形，能够显著缩短加工周期，提高可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明一体化喷注器的轴向结构示意图；

图2为本发明一体化喷注器的剖切示意图。

图中：1、喷注器主体；11、燃料进口；12、燃料通道；13、燃料出口；2、氧化剂流道部分；21、氧化剂进口；22、汇集腔；23、冷却通道；24、缓冲腔；25、缓冲狭缝；26、氧化剂出口；3、安装法兰；4、测试接口；5、喷注头。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例一

图1-2为本发明的一个实施例：一种一体化喷注器，包括喷注器主体1、位于喷注器主体1外侧边缘上的安装法兰3、喷注器主体1外壁上的测试接口4以及位于喷注器主体1底部中心区域的喷注头5，在喷注器主体1内增设提升氧化剂流量周向均匀性，并对喷注器主体1下壁面进行有效冷却的氧化剂流道部分2，本发明由于在在喷注器主体内增设氧化剂流道部分，通过复杂的氧化剂通道设置，可以保证氧化剂流量的周向均匀性，同时利用氧化剂对喷注器的下壁面进行有效冷却，能够提高喷注器的使用寿命。

氧化剂流道部分2包括在喷注器主体1内形成氧化剂通道的氧化剂进口21和氧化剂出口26；

沿氧化剂进口21至氧化剂出口26之间依次设置有汇集腔22、冷却通道23、缓冲腔24和缓冲狭缝25。

汇集腔22为环状空腔结构，汇集腔22截面形状的顶部为三角形，且汇集腔22顶部截面夹角的范围不大于100°，可在不添加支撑结构的条件下实现3D打印成形；

汇集腔22顶部截面圆角的半径不大于3mm，汇集腔22的截面积不小于氧化剂进口21的截面积，有利于氧化剂在汇集腔22中降低流速并实现周向均匀分配。

冷却通道23包含若干个连接于汇集腔22和缓冲腔24的子通道，子通道沿氧化剂通道的周向均匀布置，子通道的截面形状为雨滴形，对喷注器主体1的下壁面起到冷却作用。

缓冲腔24为环状结构，缓冲腔24截面形状的顶部为三角形，且顶部夹角的范围不大于100°，可在不添加支撑结构的条件下实现3D打印成形，顶部圆角的半径不大于3mm。

缓冲腔24的顶部与喷注器主体1形成缓冲狭缝25，缓冲狭缝25将缓冲腔24分割为两部分，缓冲狭缝25的宽度不大于5mm，可以保证氧化剂周向的流量及压力均匀。

氧化剂进口21设置在喷注器主体1侧面环壁上并外部凸出，氧化剂进口21的形状为圆形结构，可与适配的氧化剂管路接头进行焊接连接；

氧化剂出口26为环形的狭缝，环形的狭缝的宽度不大于1mm，氧化剂出口26的喷口方向与喷注器主体1的中心轴线平行并向下，并贴着喷注头的外壁均匀喷出，可保证氧化剂喷出时为高速的薄层流动状态，更容易碰撞雾化。

喷注器主体1包括位于其正上方的中心位置并凸出的燃料进口11，燃料进口11的形状为圆形结构，可与适配的燃料管路接头进行焊接连接，还包括若干个设置在喷注头5周向并均匀布置的燃料出口13，燃料进口11和燃料出口13之间构成供燃料流通的燃料通道12；

燃料出口13为若干个周向均匀布置的小喷孔，其截面形状为矩形、圆形、椭圆形、雨滴形中的任意一种。

氧化剂流道部分2、安装法兰3、测试接口4和喷注头5采用金属3D打印工艺一次成型构成整体的喷注器主体1，3D打印喷注器主体1所采用的材料为高温合金、合金钢、铜合金中的任意一种，本发明避免了采用焊接等装配过程，消除了焊接变形大、密封设计难等问题，可将燃料和氧化剂完全隔绝，避免产生安全隐患；

喷注头5在安装法兰3的下方，安装法兰3位于喷注器的外侧边缘，由花边法兰组成，可与下方的燃烧室进行螺栓连接，喷注头5底面的直径为氧化剂出口26和燃料出口13距离的0.5～2倍，喷注头5位于一体化喷注器的底部中心区域，为燃料和氧化剂的碰撞雾化提供条件，本发明通过燃料出口喷出的燃料与氧化剂出口喷出的氧化剂在喷注头附近进行碰撞雾化混合，以便更稳定燃烧。并配合测试接口用来测试氧化剂的温度和压力；

测试接口4位于汇集腔22的外壁上，测试接口4的中心轴线垂直于壁面，用来测试氧化剂的温度和压力，在本实施例中测试接口4共有三处，其内侧通过小细孔与汇集腔22连通，外侧为圆形孔，可通过焊接细管连接到测试装置，燃料为液态，氧化剂为液态。

本实施例工作时，燃料通过燃料进口11进入到燃料通道12中汇集并通过燃料出口13喷出，燃料出口13为若干个周向均匀布置的小喷孔，保证燃料周向均匀地喷出并雾化。氧化剂通过氧化剂进口21进入到汇集腔22中进行汇集并周向分散，再通过若干条冷却通道23进入到缓冲腔24中，冷却通道23可以利用氧化剂对喷注器的下表面进行冷却，从而有效降低喷注器的温度。

以下各实施例都是在上述实施例一的基础上构成不同的实施方式，相同部分不再详细赘述。

实施例二

冷却通道23共包含30个子通道，每个子通道的截面形状为雨滴形，有利于3D打印成形。

实施例三

缓冲狭缝25的宽度应足够小，本实施例中宽度为4mm，其憋压作用使得缓冲腔24中的氧化剂可以周向分布均匀。

实施例四

氧化剂出口26为环形狭缝，在本实施例中，狭缝的宽度为0.5mm，可以保证氧化剂最后沿着喷注头5的壁面高速喷出。

实施例五

喷注头5的直径设计为氧化剂出口26与燃料出口13之间的距离的1倍，能够提高燃料的周向分布的均匀性以及燃烧率，同时提升冷却效果。

实施例六

汇集腔22和缓冲腔24的截面顶端均为三角形，夹角为90度，可以提高3D打印成形精度。

实施例七

燃料出口13为若干个周向均匀布置的小喷孔，本实施例中小喷孔的截面形状为矩形，保证燃料周向均匀地喷出并雾化。

本发明对喷注器进采用一体化融合设计，并对喷注器结构进行简化和改进，使得结构更加紧凑，可采用金属3D打印技术一次成形，大幅缩短加工周期，有效降低了结构重量，提高了可靠性和稳定性。

本发明对喷注器的内部结构进行了一体化融合设计，结构紧凑重量轻，可采用金属3D打印工艺一体成形，能够显著缩短加工周期，提高可靠性。

本发明工作时，燃料通过燃料进口11进入到燃料通道12中汇集并通过燃料出口13喷出，燃料出口13为若干个周向均匀布置的小喷孔，保证燃料周向均匀地喷出并雾化。氧化剂通过氧化剂进口21进入到汇集腔22中进行汇集并周向分散，再通过若干条冷却通道23进入到缓冲腔24中，冷却通道23可以利用氧化剂对喷注器的下表面进行冷却，从而有效降低喷注器的温度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种一体化喷注器，包括喷注器主体(1)、位于喷注器主体(1)外侧边缘上的安装法兰(3)、喷注器主体(1)外壁上的测试接口(4)以及位于喷注器主体(1)底部中心区域的喷注头(5)，其特征在于，在喷注器主体(1)内增设提升氧化剂流量周向均匀性，并对喷注器主体(1)下壁面进行有效冷却的氧化剂流道部分(2)；

氧化剂流道部分(2)包括在喷注器主体(1)内形成氧化剂通道的氧化剂进口(21)和氧化剂出口(26)；

沿氧化剂进口(21)至氧化剂出口(26)之间依次设置有汇集腔(22)、冷却通道(23)、缓冲腔(24)和缓冲狭缝(25)。

2.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：汇集腔(22)为环状空腔结构，汇集腔(22)截面形状的顶部为三角形，且汇集腔(22)顶部截面夹角的范围不大于100°；

汇集腔(22)顶部截面圆角的半径不大于3mm，汇集腔(22)的截面积不小于氧化剂进口(21)的截面积，有利于氧化剂在汇集腔(22)中降低流速并实现周向均匀分配。

3.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：冷却通道(23)包含若干个连接于汇集腔(22)和缓冲腔(24)的子通道，子通道沿氧化剂通道的周向均匀布置，子通道的截面形状为雨滴形，对喷注器主体(1)的下壁面起到冷却作用。

4.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：缓冲腔(24)为环状结构，缓冲腔(24)截面形状的顶部为三角形，且顶部夹角的范围不大于100°，顶部圆角的半径不大于3mm。

5.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：缓冲腔(24)的顶部与喷注器主体(1)形成缓冲狭缝(25)，缓冲狭缝(25)将缓冲腔(24)分割为两部分，缓冲狭缝(25)的宽度不大于5mm，可以保证氧化剂周向的流量及压力均匀。

6.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：氧化剂进口(21)设置在喷注器主体(1)侧面环壁上并外部凸出；

氧化剂出口(26)为环形的狭缝，环形的狭缝的宽度不大于1mm，氧化剂出口(26)的喷口方向与喷注器主体(1)的中心轴线平行并向下。

7.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：喷注器主体(1)包括位于其正上方的中心位置并凸出的燃料进口(11)，还包括若干个设置在喷注头(5)周向并均匀布置的燃料出口(13)，燃料进口(11)和燃料出口(13)之间构成供燃料流通的燃料通道(12)；

燃料出口(13)为若干个周向均匀布置的小喷孔，其截面形状为矩形、圆形、椭圆形、雨滴形中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的一体化喷注器，其特征在于：氧化剂流道部分(2)、安装法兰(3)、测试接口(4)和喷注头(5)采用金属3D打印工艺一次成型构成整体的喷注器主体(1)，3D打印喷注器主体(1)所采用的材料为高温合金、合金钢、铜合金中的任意一种；

喷注头(5)在安装法兰(3)的下方，喷注头(5)底面的直径为氧化剂出口(26)和燃料出口(13)距离的0.5～2倍；

测试接口(4)位于汇集腔(22)的外壁上，测试接口(4)的中心轴线垂直于壁面，用来测试氧化剂的温度和压力。

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