CN114856860A - 一种双向可调节针栓式喷注器及液体火箭发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向可调节针栓式喷注器及液体火箭发动机，喷注器包括喷注面板，与喷注面板连接的喷注器壳体，隔离燃料和氧化剂的针阀，与针阀共同形成氧化剂内圈通道的固定针栓和可移动针栓顶帽，调节喷嘴开孔间隙的伸缩机构；喷注器壳体中心顶端设置了氧化剂注入口，喷注器外侧设置了燃料注入口；喷注面板内侧与针阀外表面之间形成轴向燃料喷嘴，针阀内表面与针栓顶帽外表面之间形成了径向氧化剂喷嘴，两种推进剂经过不同方向的喷嘴进行混合燃烧；通过伸缩机构调节喷嘴的开孔大小，方便调节两种推进剂的混合比，从而实现火箭推力的实时调控，此喷注器同时具有结构简单，成本低的优点。

Description

一种双向可调节针栓式喷注器及液体火箭发动机

技术领域

本发明属于液体火箭发动机技术领域，涉及一种双向可调节针栓式喷注器，可以用于变推力的液体火箭轨控发动机。

背景技术

喷注器是液体火箭发动机重要的组成部分之一，对推进剂的雾化燃烧效果以及发动机的性能具有重要的影响。针栓喷注器作为一种结构简单、调节方便、性能可靠的新型喷注器，得到了广泛的关注。但现有的针栓式喷注器调节结构较为单一，大多数是通过单向调节针栓开度来实现内圈氧化剂的喷注流量变化，难以对推进剂撞击后的混合比进行灵活方便、大幅度调整，一旦遇到中心针栓异常工作，容易出现推力不稳定现象，导致火箭性能下降。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双向可调节针栓式喷注器，通过对不同方向的燃料和氧化剂喷嘴开孔大小的调节，实现推进剂混合比的变化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双向可调节针栓式喷注器，包括喷注器壳体、喷注面板、针阀、固定针栓和可移动针栓顶帽；喷注器壳体与喷注面板连接，喷注器壳体为中空圆台形，喷注器壳体与喷注面板一周密封连接，喷注器壳体上开设燃料注入口，针阀穿过喷注器壳体和喷注面板的中心，针阀用于隔离燃料和氧化剂，针阀的前端开设径向氧化剂喷嘴，喷注器壳体、喷注面板以及针阀连接形成一个环形腔体，所述环形腔体即燃料储腔，喷注面板与针阀之间开设轴向燃料喷嘴；针阀内侧设置固定针栓，固定针栓沿轴向开设通孔，所述通孔与固定针栓内腔连通形成氧化剂流道，可移动针栓顶帽设置在固定针栓的前端内侧，固定针栓、可移动针栓顶帽与针阀共同形成氧化剂内圈通道；可移动针栓顶帽内侧设置径向氧化剂喷嘴伸缩机构，喷注器壳体与喷注面板的连接处设置密封圈，所述密封圈内侧设置轴向燃料喷嘴伸缩机构。

针阀出口处设置一直径减小段，可移动针栓顶帽设置有缩颈段，所述直径减小段的外径与可移动针栓顶帽最大直径相等，针阀出口端与所述缩颈段起始处形成径向氧化剂喷嘴。

固定针栓上的通孔沿着氧化剂流向偏向固定针栓外侧。

燃料注入口开设在喷注器壳体的锥面上。

轴向燃料喷嘴伸缩机构和径向氧化剂喷嘴伸缩机构使用基于气动控制系统控制，轴向燃料喷嘴伸缩机构和径向氧化剂喷嘴伸缩机构的结构相同；所述结构包括气动开关、进气口、排气口、弹簧、活塞杆以及气缸；气动开关设置在气缸远离活塞杆的一端，气缸的侧壁开设进气口和排气口，活塞杆和弹簧设置在气缸中，弹簧设置在气缸内壁和活塞杆之间，活塞杆的伸出端分别对应连接喷注面板和可移动针栓顶帽。

针阀和固定针栓均通过螺栓与喷注器壳体连接。

轴向燃料喷嘴伸缩机构的行程为0.05-0.1mm，且轴向燃料喷嘴伸缩机构与喷注器壳体之间设置摩擦垫片。

径向氧化剂喷嘴伸缩机构的行程设计为0.1-1mm，径向氧化剂喷嘴伸缩机构与针栓之间设置摩擦垫片。

轴向燃料喷嘴位于径向氧化剂喷嘴的后方。

本发明还提供一种液体火箭发动机，采用所述双向可调节针栓式喷注器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

喷注面板内侧与针阀外表面之间形成轴向燃料喷嘴，针阀内表面与针栓顶帽外表面之间形成了径向氧化剂喷嘴，两种推进剂经过不同方向的喷嘴进行混合燃烧；通过伸缩机构调节喷嘴的开孔大小，方便调节两种推进剂的混合比，从而实现火箭推力的实时调控，而且本发明所述喷注器结构简单。

进一步的，所述的轴向燃料喷嘴伸缩机构在气动开关控制作用下，实现燃料喷嘴开孔距离的调节，轴向燃料喷嘴伸缩机构的行程为0.05-0.1mm，且轴向燃料喷嘴伸缩机构与喷注器壳体之间设置摩擦垫片，减小摩擦损耗。

进一步的，所述的径向氧化剂喷嘴伸缩机构在气动开关控制作用下，实现氧化剂喷嘴开孔距离的调节，氧化剂喷嘴伸缩机构的行程为0.1-1mm。且径向氧化剂喷嘴伸缩机构与针栓内壁之间设置摩擦垫片，减小摩擦损耗。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2为本发明轴向燃料喷嘴伸缩机构示意图。

图3为本发明径向燃料喷嘴伸缩机构示意图。

附图中：1、喷注器壳体；2、喷注面板；3、针阀；4、固定针栓；5、可移动针栓顶帽；6、径向氧化剂喷嘴；7、径向氧化剂喷嘴伸缩机构；8、轴向燃料喷嘴；9、轴向燃料喷嘴伸缩机构；10、摩擦垫片；11、泛塞密封圈；12、燃料注入口；13、燃料储腔；14、氧化剂流道；15、氧化剂注入口；71-第一气动开关，72-第一进气口，73-第一排气口，74-第一弹簧，75-第一活塞杆，76-第一气缸，91-第二气动开关，92-第二进气口，93-第二排气口，94-第二弹簧，95-第二活塞杆，96-第二气缸。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。本发明所述“前”是指靠近燃料和氧化剂出口的方向，“后”是指远离燃料和氧化剂出口的方向。

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。

参考图1，本发明提供的一种双向可调节针栓式喷注器包括喷注面板2、与喷注面板2连接的喷注器壳体1、隔离燃料和氧化剂的针阀3、与针阀3共同形成氧化剂内圈通道的固定针栓4和可移动针栓顶帽5、调节喷嘴开孔间隙的伸缩机构，伸缩机构包括轴向燃料喷嘴伸缩机构9和径向氧化剂喷嘴伸缩机构7；喷注器壳体1与喷注面板2的一周紧密连接，喷注器壳体1与喷注面板2之间形成燃料储腔13，针阀3穿过喷注器壳体1和喷注面板2的中心，针阀3为中空管状，针阀3内侧设置固定针栓4，固定针栓4沿轴向开设通孔，所述通孔与固定针栓4内腔连通形成氧化剂流道14，固定针栓4的前端内侧设置可移动针栓顶帽5，可移动针栓顶帽5上设置有径向氧化剂喷嘴伸缩机构7，可移动针栓顶帽5的缩颈部与针阀3的介质出口端形成径向氧化剂喷嘴6；喷注面板2与针阀3之间设置轴向燃料喷嘴8，轴向燃料喷嘴8连通燃料储腔13；喷注器壳体1与喷注面板2的连接处设置密封圈，所述密封圈内侧设置轴向燃料喷嘴伸缩机构9。

径向氧化剂喷嘴伸缩机构7具体结构参考图3，包括第一气动开关71，第一进气口72、第一排气口73、第一弹簧74、第一活塞杆75以及第一气缸76。第一气动开关71仅控制第一进气口72开启，气体进入第一气缸76中，第一气缸76气压升高，气体推动第一活塞杆75向下侧移动，第一弹簧74处于压缩状态，与第一活塞杆75相连的可移动针栓顶帽5同时向下侧移动，使径向氧化剂喷嘴6间距增大；反之，第一气动开关71仅控制第一排气口73开启，第一气缸76气压降低，第一弹簧74恢复形变推动第一活塞杆75向上侧移动，与第一活塞杆75相连的可移动针栓顶帽5同时向上侧移动，使径向氧化剂喷嘴6间距减小。

轴向燃料喷嘴伸缩机构9具体结构参考图2，包括第二气动开关91，第二进气口92、第二排气口93、第二弹簧94、第二活塞杆95以及第二气缸96；第二气动开关91设置在第二气缸96的下端，第二气缸96的侧壁开设第二进气口92和第二排气口93，第二活塞杆95和第二弹簧94设置在第二气缸96中，第二弹簧94设置在第二气缸96内壁和第二活塞杆95之间，第二气动开关91仅控制第二进气口92开启，第二气体进入气缸96中，第二气缸96气压升高，第二气体推动活塞杆95向内侧移动，第二弹簧94处于压缩状态，与第二活塞杆95相连的喷注面板2同时向内侧移动，使轴向燃料喷嘴8间距减小；反之，第二气动开关91仅控制第二排气口93开启，第二气缸96气压降低，第二弹簧94恢复形变推动第二活塞杆95向外侧移动，与第二活塞杆95相连的喷注面板2同时向外侧移动，使轴向燃料喷嘴8间距增大。

喷注器壳体1外侧面设置了燃料注入口12，燃料经该口进入喷注器；喷注器壳体1与针阀3、喷注面板2形成了燃料储腔13，实现燃料的稳定供给；喷注面板2与针阀3外表面之间形成轴向燃料喷嘴8，针阀3内表面与针栓顶帽之间形成了径向氧化剂喷嘴6。

针栓分为两部分，顶端是开设氧化剂通道的固定部分；底端是带有伸缩机构的可移动针栓顶帽5，喷注器壳体1中心顶端设置了氧化剂注入口15，氧化剂经该口进入喷注器；氧化剂注入喷注器后，从针栓3内部的四对氧化剂流道14，分流进入针栓与针阀3形成的环形通道，从而到达底部的径向氧化剂喷嘴6；所述的轴向燃料和径向氧化剂在碰撞后发生雾化掺混，自燃推进剂立即发生化学反应，产生高温高压燃气。

径向氧化剂喷嘴6的一种实施例：针阀3出口处设置一直径减小段，可移动针栓顶帽5设置有缩颈段，所述直径减小段的外径与可移动针栓顶帽5最大直径相等，针阀3出口端与所述缩颈段起始处形成径向氧化剂喷嘴6。

固定针栓4上通孔沿着氧化剂流向偏向固定针栓4外侧。

参见图1，在图示的结构中，燃料由喷注器壳体1侧面开口的燃料注入口12进入，充满整个燃料储腔13，然后由轴向燃料喷嘴8喷入燃烧室，当注入燃料的压力变化时，喷注面板2上的轴向燃料喷嘴伸缩机构9会在设计行程0.05-0.1mm内进行移动，从而改变轴向燃料喷嘴8的开孔大小，轴向燃料喷嘴伸缩机构9在移动过程中与喷注器壳体1接触部位由摩擦垫片10、泛塞密封圈11进行保护；氧化剂由喷注器壳体1中心顶端处的氧化剂注入口15进入，经氧化剂流道14分流进入针栓4内部，最终到达底部的可移动针栓顶帽5，从径向氧化剂喷嘴6喷入燃烧室，当注入氧化剂的压力变化时，可移动针栓顶帽5上的径向氧化剂喷嘴伸缩机构7会在设计行程0.1-1mm内进行移动，从而改变径向氧化剂喷嘴6的开孔大小，径向氧化剂喷嘴伸缩机构7在移动过程中与固定针栓4由接触部位有摩擦垫片10、泛塞密封圈11进行保护；最终，从轴向燃料喷嘴8和径向氧化剂喷嘴6两个不同方向喷出的液体颗粒碰撞后发生雾化掺混，自燃推进剂立即发生化学反应，产生高温高压燃气。

本发明改进了大多数现有的针栓式喷注器的单向调节功能，重新设计了推进剂内部的流道分布，保证推进剂的持续稳定供给，提出双向调节喷嘴开孔距离的方法，可根据喷注压力对推进剂混合比进行灵活方便、大幅度调整，以应对中心针栓异常工作，出现推力不稳定现象，从而提升火箭性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，包括喷注器壳体(1)、喷注面板(2)、针阀(3)、固定针栓(4)和可移动针栓顶帽(5)；喷注器壳体(1)与喷注面板(2)连接，喷注器壳体(1)为中空圆台形，喷注器壳体(1)与喷注面板(2)一周密封连接，喷注器壳体(1)上开设燃料注入口(12)，针阀(3)穿过喷注器壳体(1)和喷注面板(2)的中心，针阀(3)用于隔离燃料和氧化剂，针阀(3)的前端开设径向氧化剂喷嘴(6)，喷注器壳体(1)、喷注面板(2)以及针阀(3)连接形成一个环形腔体，所述环形腔体即燃料储腔(13)，喷注面板(2)与针阀(3)之间开设轴向燃料喷嘴(8)；针阀(3)内侧设置固定针栓(4)，固定针栓(4)沿轴向开设通孔，所述通孔与固定针栓(4)内腔连通形成氧化剂流道(14)，可移动针栓顶帽(5)设置在固定针栓(4)的前端内侧，固定针栓(4)、可移动针栓顶帽(5)与针阀(3)共同形成氧化剂内圈通道；可移动针栓顶帽(5)内侧设置径向氧化剂喷嘴伸缩机构(7)，喷注器壳体(1)与喷注面板(2)的连接处设置密封圈，所述密封圈内侧设置轴向燃料喷嘴伸缩机构(9)。

2.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，针阀(3)出口处设置一直径减小段，可移动针栓顶帽(5)设置有缩颈段，所述直径减小段的外径与可移动针栓顶帽(5)最大直径相等，针阀(3)出口端与所述缩颈段起始处形成径向氧化剂喷嘴(6)。

3.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，固定针栓(4)上的通孔沿着氧化剂流向偏向固定针栓(4)外侧。

4.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，燃料注入口(12)开设在喷注器壳体(1)的锥面上。

5.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，轴向燃料喷嘴伸缩机构(9)和径向氧化剂喷嘴伸缩机构(7)使用基于气动控制系统控制，轴向燃料喷嘴伸缩机构(9)和径向氧化剂喷嘴伸缩机构(7)的结构相同；所述结构包括气动开关、进气口、排气口、弹簧、活塞杆以及气缸；气动开关设置在气缸远离活塞杆的一端，气缸的侧壁开设进气口和排气口，活塞杆和弹簧设置在气缸中，弹簧设置在气缸内壁和活塞杆之间，活塞杆的伸出端分别对应连接喷注面板(2)和可移动针栓顶帽(5)。

6.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，针阀(3)和固定针栓(4)均通过螺栓与喷注器壳体(1)连接。

7.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，轴向燃料喷嘴伸缩机构(9)的行程为0.05-0.1mm，且轴向燃料喷嘴伸缩机构(9)与喷注器壳体(1)之间设置摩擦垫片(10)。

8.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，径向氧化剂喷嘴伸缩机构(7)的行程设计为0.1-1mm，径向氧化剂喷嘴伸缩机构(7)与针栓之间设置摩擦垫片(10)。

9.根据权利要求1所述的双向可调节针栓式喷注器，其特征在于，轴向燃料喷嘴(8)位于径向氧化剂喷嘴(6)的后方。

10.一种液体火箭发动机，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述双向可调节针栓式喷注器。

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