CN114215660A - 一种高效稳定喷注器 - Google Patents

Abstract

一种高效稳定喷注器，包括一底(1)、二底(2)、主喷嘴组件(3)、隔板喷嘴组件(4)；一底(1)、二底(2)之间构成燃料腔，二底(2)与外部壳体构成氧化剂腔；隔板喷嘴组件(4)绕一底(1)的中心轴分布一圈，在一圈隔板喷嘴组件(4)的外侧的周向均匀分布若干列沿径向排布的隔板喷嘴组件(4)，隔板喷嘴组件(4)的端部从一底(1)表面伸出，主喷嘴组件(3)均匀分布在一底(1)的其余区域。本发明在保证高燃烧效率以及燃烧室壁面安全可靠的同时，有效抑制燃烧不稳定的发生。

Description

一种高效稳定喷注器

技术领域

本发明涉及一种喷注器，属于液体火箭发动机领域。

背景技术

燃烧稳定性问题是液体火箭发动机研制过程中需要面对的重要问题，国内外火箭发动机在研制过程中多次遇见了燃烧不稳定问题。最典型的代表是美国F-1发动机，其在研制初期就遇见了燃烧不稳定问题，为解决该问题，开展了大量的理论研究和2000多次的试验研究，在解决了问题的同时也耗费了大量的时间和经费。

随着火箭运载能力的不断提高，发动机的推力不断增大，进而使得推力室的尺寸不断增大，出现不稳定燃烧的风险也在逐渐增加；另外，在稳定燃烧的同时保证推进剂高效燃烧、燃烧室壁面安全可靠也显得尤为重要。喷注器作为推力室的关键部件，若设计不好，可能会导致推力室出现燃烧不稳定、燃烧效率低、壁面烧蚀等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高效稳定喷注器，通过喷注器结构的合理设计，在保证高燃烧效率以及燃烧室壁面安全可靠的同时，有效抑制燃烧不稳定的发生。

本发明所采用的技术方案是：一种高效稳定喷注器，包括一底、二底、主喷嘴组件、隔板喷嘴组件；

一底、二底之间构成燃料腔，二底与外部壳体构成氧化剂腔；

隔板喷嘴组件绕一底的中心轴分布一圈，在一圈隔板喷嘴组件的外侧的周向均匀分布若干列沿径向排布的隔板喷嘴组件，隔板喷嘴组件的端部从一底表面伸出，主喷嘴组件均匀分布在一底的其余区域；

主喷嘴组件包括第一氧化剂喷嘴、燃料喷嘴和螺母；第一氧化剂喷嘴和燃料喷嘴焊接，燃料喷嘴插入一底的安装孔中并使用螺母固定，第一氧化剂喷嘴插入二底的安装孔中并固定；

隔板喷嘴组件包括第二氧化剂喷嘴、喷嘴芯子、喷嘴外套；第二氧化剂喷嘴一端与二底连接，并从二底表面伸出，喷嘴芯子从一底伸入燃料腔中，第二氧化剂喷嘴另一端伸入喷嘴芯子内部，并与喷嘴芯子一端连接；喷嘴芯子靠近喷嘴出口端沿周向均匀分布沟槽，每个沟槽均沿纵向，喷嘴芯子在靠近第二氧化剂喷嘴的一端设置第一径向孔，在第一径向孔位置处第二氧化剂喷嘴和喷嘴芯子之间形成环形间隙；喷嘴外套套在喷嘴芯子设置有沟槽的一端，与喷嘴芯子采用扩散焊连接，在喷嘴芯子的每个沟槽的远离出口端对应设置一个第二径向孔，第二径向孔将喷嘴芯子的环缝间隙与喷嘴外套内腔连通。

所述的隔板喷嘴组件的推进剂流量为主喷嘴组件的1～2倍；隔板喷嘴组件中氧化剂与燃料的比例和主喷嘴组件中氧化剂与燃料的比例保持一致。

沿径向排布的隔板喷嘴组件为五列。

所述第一氧化剂喷嘴采用离心喷嘴型式，喷雾锥角为70～90度。

所述第二氧化剂喷嘴采用离心喷嘴型式，喷雾锥角为30～50度。

所述喷嘴芯子和喷嘴外套采用扩散焊连接。

喷嘴芯子和喷嘴外套均采用铜合金材料。

各喷嘴外套之间采用焊接连接。

所述的一底上均匀布置主喷嘴配合孔、隔板喷嘴配合孔，二者均为台阶孔，分别用于安装主喷嘴组件、隔板喷嘴组件；

其中，主喷嘴配合孔的大孔直径D1比螺母外径大0.5～1mm，大孔深度L1为一底厚度的0.5倍；隔板喷嘴配合孔的大孔直径D2比喷嘴外套外径大0.5～1mm，大孔深度L2为一底厚度的0.1～0.2倍。

一底最外圈的主喷嘴配合孔、隔板喷嘴配合孔外侧分别布置第一气膜孔、第二气膜孔；

其中，第二气膜孔布置于隔板喷嘴配合孔外侧，数量与隔板喷嘴组件的列数对应；第一气膜孔布置于主喷嘴配合孔外侧、相邻主喷嘴配合孔之间、主喷嘴配合孔与隔板喷嘴配合孔之间；

第二气膜孔的直径为第一气膜孔直径的1～1.5倍。

燃料腔中的燃料一部分经第一气膜孔、第二气膜孔直接进入燃烧室；一部分经喷嘴芯子上面的第一径向孔、第二径向孔、喷嘴芯子沟槽进入到燃烧室；另一部分燃料经燃料喷嘴进入到燃烧室；

氧化剂腔中的氧化剂一部分经第一氧化剂喷嘴进入到燃烧室；其余部分经第二氧化剂喷嘴进入到燃烧室。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的喷注器采用一周五径的隔板布置方式，能够同时抑制径向和切向燃烧不稳定，可有效拓宽推力室的稳定工作范围。同时隔板喷嘴组件中的喷嘴芯子与喷嘴外套采用扩散焊连接，有效提高了隔板喷嘴组件的结构可靠性。

(2)本发明的喷注器配套的第一氧化剂喷嘴、第二氧化剂喷嘴均采用离心喷嘴型式，有利于增强氧化剂的喷注雾化以及与燃料间的掺混效果，进而有助于提高推力室的燃烧效率。

(3)本发明针对喷注器，在最外圈主喷嘴组件、隔板喷嘴组件外侧合理设计第一气膜孔、第二气膜孔，一方面可以保证用于冷却的燃料流量较少，使得燃烧室的燃烧效率维持在较高水平；另一方面，可以有效保证喷嘴与壁面间的相容性，同时降低壁面的燃气温度，有助于提高燃烧室内壁的可靠性。

附图说明

图1为喷注器整体示意图；

图2为喷注器剖面图；

图3为主喷嘴组件的示意图；

图4为隔板喷嘴组件的示意图；

图5为一底示意图；

图6为一底局部示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的一种高效稳定喷注器包括一底1、二底2、主喷嘴组件3、隔板喷嘴组件4。一底1、二底2之间构成燃料腔，二底2与外部壳体构成氧化剂腔。隔板喷嘴组件4绕一底1的中心轴分布一圈，在一圈隔板喷嘴组件4的外侧的周向均匀分布5列沿径向排布的隔板喷嘴组件4，隔板喷嘴组件4从一底1表面伸出，用于抑制高频不稳定燃烧；主喷嘴组件3均匀分布在一底1其余区域。

如图3所示，主喷嘴组件3包括第一氧化剂喷嘴5、燃料喷嘴6、螺母7。第一氧化剂喷嘴5和燃料喷嘴6焊接，燃料喷嘴6插入一底1的安装孔中并使用螺母7固定，第一氧化剂喷嘴5插入二底2的安装孔中并焊接。

如图4所示，隔板喷嘴组件4包括第二氧化剂喷嘴8、喷嘴芯子9、喷嘴外套10。第二氧化剂喷嘴8一端与二底2连接，并从二底2表面伸出，喷嘴芯子9从一底1伸入燃料腔，第二氧化剂喷嘴8另一端伸入喷嘴芯子9内部，并与喷嘴芯子9一端焊接；喷嘴芯子9靠近喷嘴出口端沿周向均匀分布沟槽13，每个沟槽13均沿纵向，喷嘴芯子9在靠近第二氧化剂喷嘴8的一端设置第一径向孔11，在第一径向孔11位置处第二氧化剂喷嘴8和喷嘴芯子9之间形成环形间隙；喷嘴外套10套在喷嘴芯子9设置有沟槽的一端，与喷嘴芯子9采用扩散焊连接，在喷嘴芯子9的每个沟槽13的远离出口端对应设置一个第二径向孔12，第二径向孔12将喷嘴芯子9的环缝间隙与喷嘴外套10内腔连通；

如图1所示，隔板喷嘴组件4在喷注器特定位置排列成一圈构成径向隔板；在径向隔板外侧，隔板喷嘴组件4均匀排列成五列构成五径隔板。

隔板喷嘴组件4的推进剂流量为主喷嘴组件3的1～2倍。

隔板喷嘴组件4和主喷嘴组件3中氧化剂与燃料的比例保持一致。

主喷嘴组件3中第一氧化剂喷嘴5采用离心喷嘴型式，喷雾锥角选用70～90度。

隔板喷嘴组件4中第二氧化剂喷嘴8采用离心喷嘴型式，喷雾锥角选用30～50度。

喷嘴芯子9和喷嘴外套10采用扩散焊连接。

喷嘴芯子9和喷嘴外套10均采用铜合金材料。

喷嘴外套10之间采用焊接连接。

如图5、6所示，一底1上面均匀布置主喷嘴配合孔14、隔板喷嘴配合孔15，二者均为台阶孔型式，分别用于安装主喷嘴组件3、隔板喷嘴组件4。其中，主喷嘴配合孔14上面的大孔直径D1比螺母7外径大0.5～1mm，大孔深度L1为一底1厚度的0.5倍；隔板喷嘴配合孔15上面的大孔直径D2比喷嘴外套10外径大0.5～1mm，大孔深度L2为一底1厚度的0.1～0.2倍。

一底1最外圈主喷嘴配合孔14、隔板喷嘴配合孔15外侧布置第一气膜孔16、第二气膜孔17；其中，第一气膜孔16布置于主喷嘴配合孔14外侧、相邻主喷嘴配合孔14之间、主喷嘴配合孔14与隔板喷嘴配合孔15之间；第二气膜孔17只布置于隔板喷嘴配合孔15外侧，共5个。第二气膜孔17的直径为第一气膜孔16直径的1～1.5倍。

喷注器工作过程如下：

燃料腔中的燃料一部分经第一气膜孔16、第二气膜孔17直接进入燃烧室；一部分经喷嘴芯子9上面的第一径向孔11、第二径向孔12、喷嘴芯子沟槽13进入到燃烧室；绝大部分燃料经燃料喷嘴6进入到燃烧室。

氧化剂腔中的氧化剂大部分经第一氧化剂喷嘴5进入到燃烧室；其余部分经第二氧化剂喷嘴8进入到燃烧室。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种高效稳定喷注器，其特征在于，包括一底(1)、二底(2)、主喷嘴组件(3)、隔板喷嘴组件(4)；

一底(1)、二底(2)之间构成燃料腔，二底(2)与外部壳体构成氧化剂腔；

隔板喷嘴组件(4)绕一底(1)的中心轴分布一圈，在一圈隔板喷嘴组件(4)的外侧的周向均匀分布若干列沿径向排布的隔板喷嘴组件(4)，隔板喷嘴组件(4)的端部从一底(1)表面伸出，主喷嘴组件(3)均匀分布在一底(1)的其余区域；

主喷嘴组件(3)包括第一氧化剂喷嘴(5)、燃料喷嘴(6)和螺母(7)；第一氧化剂喷嘴(5)和燃料喷嘴(6)焊接，燃料喷嘴(6)插入一底(1)的安装孔中并使用螺母(7)固定，第一氧化剂喷嘴(5)插入二底(2)的安装孔中并固定；

隔板喷嘴组件(4)包括第二氧化剂喷嘴(8)、喷嘴芯子(9)、喷嘴外套(10)；第二氧化剂喷嘴(8)一端与二底(2)连接，并从二底(2)表面伸出，喷嘴芯子(9)从一底(1)伸入燃料腔中，第二氧化剂喷嘴(8)另一端伸入喷嘴芯子(9)内部，并与喷嘴芯子(9)一端连接；喷嘴芯子(9)靠近喷嘴出口端沿周向均匀分布沟槽(13)，每个沟槽(13)均沿纵向，喷嘴芯子(9)在靠近第二氧化剂喷嘴(8)的一端设置第一径向孔(11)，在第一径向孔(11)位置处第二氧化剂喷嘴(8)和喷嘴芯子(9)之间形成环形间隙；喷嘴外套(10)套在喷嘴芯子(9)设置有沟槽的一端，与喷嘴芯子(9)采用扩散焊连接，在喷嘴芯子(9)的每个沟槽(13)的远离出口端对应设置一个第二径向孔(12)，第二径向孔(12)将喷嘴芯子(9)的环缝间隙与喷嘴外套(10)内腔连通。

2.根据权利要求1所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，所述的隔板喷嘴组件(4)的推进剂流量为主喷嘴组件(3)的1～2倍；隔板喷嘴组件(4)中氧化剂与燃料的比例和主喷嘴组件(3)中氧化剂与燃料的比例保持一致。

3.根据权利要求2所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，沿径向排布的隔板喷嘴组件(4)为五列。

4.根据权利要求3所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，所述第一氧化剂喷嘴(5)采用离心喷嘴型式，喷雾锥角为70～90度；所述第二氧化剂喷嘴(8)采用离心喷嘴型式，喷雾锥角为30～50度。

5.根据权利要求4所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，所述喷嘴芯子(9)和喷嘴外套(10)采用扩散焊连接。

6.根据权利要求5所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，喷嘴芯子(9)和喷嘴外套(10)均采用铜合金材料。

7.根据权利要求6所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，各喷嘴外套(10)之间采用焊接连接。

8.根据权利要求7所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，所述的一底(1)上均匀布置主喷嘴配合孔(14)、隔板喷嘴配合孔(15)，二者均为台阶孔，分别用于安装主喷嘴组件(3)、隔板喷嘴组件(4)；

其中，主喷嘴配合孔(14)的大孔直径D1比螺母(7)外径大0.5～1mm，大孔深度L1为一底(1)厚度的0.5倍；隔板喷嘴配合孔(15)的大孔直径D2比喷嘴外套(10)外径大0.5～1mm，大孔深度L2为一底(1)厚度的0.1～0.2倍。

9.根据权利要求8所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，一底(1)最外圈的主喷嘴配合孔(14)、隔板喷嘴配合孔(15)外侧分别布置第一气膜孔(16)、第二气膜孔(17)；

其中，第二气膜孔(17)布置于隔板喷嘴配合孔(15)外侧，数量与隔板喷嘴组件(4)的列数对应；第一气膜孔(16)布置于主喷嘴配合孔(14)外侧、相邻主喷嘴配合孔(14)之间、主喷嘴配合孔(14)与隔板喷嘴配合孔(15)之间；

第二气膜孔(17)的直径为第一气膜孔(16)直径的1～1.5倍。

10.根据权利要求9所述的一种高效稳定喷注器，其特征在于，燃料腔中的燃料一部分经第一气膜孔(16)、第二气膜孔(17)直接进入燃烧室；一部分经喷嘴芯子(9)上面的第一径向孔(11)、第二径向孔(12)、喷嘴芯子沟槽(13)进入到燃烧室；另一部分燃料经燃料喷嘴(6)进入到燃烧室；

氧化剂腔中的氧化剂一部分经第一氧化剂喷嘴(5)进入到燃烧室；其余部分经第二氧化剂喷嘴(8)进入到燃烧室。

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