CN114934862A - 一种液体火箭发动机及其同轴式喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种液体火箭发动机及其同轴式喷嘴组件，所述同轴式喷嘴组件包括：第一离心喷嘴，包括头部、设置于所述头部上的第一柱状部，所述头部上环第一柱状部设置有凹槽；第二离心喷嘴，包括上端开口的中空第二柱状部、设置于所述开口外围及第二柱状部上的插接部。其中，所述第一柱状部经所述开口插入到第二柱状部中空处；所述插接部插入到所述凹槽限制第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的径向活动以使二者保持在预设的同轴度，从而提供了一种工况相对稳定的技术方案。

Description

一种液体火箭发动机及其同轴式喷嘴组件

技术领域

本申请涉及液体火箭发动机技术领域，尤其涉及一种液体火箭发动机及其同轴式喷嘴组件。

背景技术

现有技术中，液体火箭发动机上常采用同轴式结构的喷注器，而同轴式喷嘴作为同轴式结构喷注器的重要构件，其组件的同轴度影响着喷嘴的工作质量，这种影响尤其是在同轴式离心喷嘴上的体现更为显著。

同轴式离心喷嘴中的分体喷嘴组件的在组装过程易出现安装误差、使用过程中分体喷嘴组件受到推进剂流体力等的作用也易使组件偏离预设的同轴度，诸如此类的因素可能会使同轴式离心喷嘴的分体喷嘴组件间不能够保持在预设的同轴度。

申请号为CN202010609949.7的发明专利，提供了一种气液同轴撞击式燃油喷嘴，包括：同轴设置的撞击式燃油内喷嘴和旋流式气体外喷嘴；所述撞击式燃油内喷嘴包括多个环向均匀对称设置的喷油孔，多个所述喷油孔呈竖直-倾斜设置，使得经过喷油孔喷出的燃油在内喷嘴前方发生撞击；所述旋流式气体外喷嘴设置在撞击式燃油内喷嘴的外周，外喷嘴的气道和出气口呈环形，所述气道初始段为收缩扩张式，气体在外喷嘴气道的引导下形成旋流气体喷出，喷出后的气体与撞击后的液滴作用。

申请号为CN201920075210.5的实用新型专利，公开了一种火箭发动机喷注结构，包括：内喷嘴结构，所述内喷嘴结构具有内喷口，所述内喷嘴结构具有周向分布的内壁结构，所述内壁结构向外一体延伸并形成外壁结构，所述喷注结构在所述内壁结构与延伸出的所述外壁结构之间形成环绕所述内喷嘴结构的环形腔，所述环形腔内开设有外进口，并具有与所述内喷口同向的外喷口。

可见，以上专利中的发明虽公开了一种同轴式喷嘴，但是未就如何保持同轴式离心喷嘴组件中的分体组件内、外喷嘴保持在预设同轴度的问题做讨论也未批露相关技术方案，而上述的实用新型专利公开的是一种一体式喷注结构，更是未就前述问题做讨论、也未提出相关技术方案。

因此，需要提供一种能够使同轴式离心喷嘴组件的分体喷嘴间的同轴度保持在预设状态的相关技术方案。

发明内容

本申请实施例提供一种能够使同轴式离心喷嘴组件的分体喷嘴间的同轴度保持在预设状态的技术方案，以解决同轴式离心喷嘴组件因安装误差等因素导致的预设同轴度难以保持的问题。

在本申请提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，包括：

第一离心喷嘴，包括头部、设置于所述头部上的第一柱状部，所述第一柱状部内部设置有第一喷嘴旋流室，所述头部上环第一柱状部设置有凹槽；

第二离心喷嘴，包括上端开口的中空第二柱状部、设置于所述开口外围及第二柱状部上的插接部，自开口处所述第二柱状部中空处设置有与所述开口连通的第二喷嘴旋流室；

其中，

所述第一柱状部经所述开口插入到第二柱状部中空处；

所述插接部插入到所述凹槽限制第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的径向活动以使二者保持在预设的同轴度。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述开口的形态设置与第一柱状部的形态相适应并与第一柱状部紧密配合。进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，凹槽的深度和插接部的长度至少为所述头部的半高长且小于所述头部的整体高度。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，推进剂在第一喷嘴旋流室中的旋转方向与在第二喷嘴旋流室中的旋转方向不同。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述第一离心喷嘴用于输送第一推进剂，所述第二离心喷嘴用于输送第二推进剂。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，

所述头部上设置有第一喷嘴入口，所述第一喷嘴旋流室一端延伸至所述头部与第一喷嘴入口连通设置，所述第一喷嘴旋流室的另一端对应的第一柱状部上设置有与所述第一喷嘴旋流室连通的第一喷嘴出口；

环第二喷嘴旋流室的第二柱状部周壁上设置有与所述第二喷嘴旋流室连通的第二喷嘴入口，所述第二柱状部的底端设置有与所述第二喷嘴旋流室连通的第二喷嘴出口。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述第一喷嘴出口相对第二喷嘴出口缩进设置或者平齐设置。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述第一喷嘴出口、第二喷嘴出口的设置形态为收口、扩口、直筒口中的一种。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述第一喷嘴入口和/或第二喷嘴入口设置的数量为多个。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，所述第一离心喷嘴、第二离心喷嘴固定连接。

进一步的，在本申请提供的一种优选实施方式中，还包括用于安装所述第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的安装结构。

在本申请还提供一种液体火箭发动机，包括上述任一所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件。

本申请提供的实施例至少具有以下有益效果：

所述插接部插入到所述凹槽限制第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的径向活动以使二者保持在预设的同轴度。

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为本申请实施例提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件的立体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种第一离心喷嘴的立体结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种第二离心喷嘴的立体结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件的示意性主视图；

图5为本申请实施例提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件的示意性剖视图；

图6为本申请实施例提供的一种第一离心喷嘴的示意性剖视图；

图7为本申请实施例提供的一种第二离心喷嘴的示意性剖视图。

2 第一离心喷嘴

20 头部

200 凹槽

202 第一喷嘴入口

22 第一柱状部

220 第一喷嘴旋流室

222 第一喷嘴出口

4 第二离心喷嘴

40 第二柱状部

400 开口

402 第二喷嘴旋流室

404 第二喷嘴入口

406 第二喷嘴出口

42 插接部

6 安装结构 。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统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申请的限制，另有说明的除外。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申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的设定和限定，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。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申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的设定和限定，术语“第一”、“第二”等相似术语仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是为了限定本本申请，另有说明的除外。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的设定和限定，术语“一端”、“另一端”等术语仅是为了便于描述本本申请和简化描述，为了区别同一对象的不同端所做的描述，而不是为了限定本申请。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语在本申请中的具体含义。

近几年，国内外商业航天的蓬勃发展，降低商业航天的发射成本迫在眉睫，

液体火箭发动机作为中大型火箭的核心部件，其燃烧效率的高低则直接决定了火箭的运载能力以及发射成本。让发动机喷嘴拥有高效的液滴破碎质量是提升发动机燃烧效率很重要的一个环节，而同轴式离心喷嘴作为做常用的喷嘴结构，其构成中各喷嘴的同轴度则影响着同轴式离心喷嘴的工作质量，因此如何优化同轴式离心喷嘴组件的设计以获取同轴度始终能够保持在优良状态的同轴式离心喷嘴成为了当前研究的热门课题。

正是在上述的契机下本申请应运而生。

如图所示，图1为本申请实施例提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件的立体结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种第一离心喷嘴的立体结构示意图，图3为本申请实施例提供的一种第二离心喷嘴的立体结构示意图，图4为本申请实施例提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件的示意性主视图，图5为本申请实施例提供的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件的示意性剖视图，图6为本申请实施例提供的一种第一离心喷嘴的示意性剖视图，图7为本申请实施例提供的一种第二离心喷嘴的示意性剖视图，具体的，图2、图3可以为图1中同轴式喷嘴组件中的相应的分体喷嘴构件，图4可以为图1中同轴式喷嘴组件立体结构的示意性主视图，图5可以为图1中喷嘴组件设置安装结构后沿着中轴线剖切后的结构示意性剖视图，图6可以为图2中的第一离心喷嘴沿着A-A剖切后的示意性剖视图，图7可以为图3中的第二离心喷嘴沿着B-B剖切后的示意性剖视图。

参阅图1-7，本申请提供一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，所述同轴式喷嘴组件可以是包括第一离心喷嘴2、第二离心喷嘴4。

第一离心喷嘴2可以是包括头部20、设置于所述头部20上的第一柱状部22，所述第一柱状部22内部设置有第一喷嘴旋流室220，所述头部20上环第一柱状部22设置有凹槽200，其中，凹槽200垂直于第一柱状部轴向的截面可以为环形。

第二离心喷嘴4可以是包括上端开口的中空第二柱状部40、设置于所述开

口400外围及第二柱状部40上的插接部42，自开口400处所述第二柱状部40中空处设置有与所述开口400连通的第二喷嘴旋流室402。

其中，所述第一柱状部22经所述开口400插入到第二柱状部40中空处；所述插接部42插入到所述凹槽200限制第一离心喷嘴2、第二离心喷嘴4的径向活动以使二者保持在预设的同轴度，所述预设的同轴度指的是设计的想要达到的同轴度标准状态，如此，保证了第一离心喷嘴和第二离心喷嘴始终保持着较高的同轴度，为喷嘴组件的良好作业奠定了基础。可以理解的是，插接部42的形态的设置只要能够与凹槽200实现插接配合可保证第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的同轴度的方案均可。

优选的，所述开口400的形态设置与第一柱状部22的形态相适应并与第一柱状部紧密配合，如此设置，可进一步限制第一离心喷嘴和第二离心喷嘴的径向活动，还能增加离心喷嘴组件同轴度保持结构的整体的机械强度，此外，还可使第二喷嘴旋流室402的上方无多余的空间，进而可避免对第二喷嘴旋流室402的作业造成不良影响。

优选的，凹槽的深度和插接部的长度至少为所述头部的半高长且小于所述头部的整体高度，如此可使二者的配合对分体喷嘴组件的活动限制更为稳固。

可以理解的是，所述第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的连接方式优选固定连接，具体的可以是采用焊接的方式实现固定连接，更具体的可以是采用激光焊接方式实现固定连接。

在一个实施例中，一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，还可包括用于安装所述第一离心喷嘴2、第二离心喷嘴4的安装结构6。

所述第一离心喷嘴可以是用于输送第一推进剂，所述第二离心喷嘴可以是用于输送第二推进剂，即两个离心喷嘴可以是用于输送不同的推进剂，更具体的，一个离心喷嘴可以是用于输送氧化剂，另一个离心喷嘴可以是用于输送燃料剂。如此即获得了一种一体化喷嘴组件，可同时用于氧化剂、燃料剂。

推进剂在第一喷嘴旋流室220中的旋转方向与在第二喷嘴旋流室402中的旋转方向可以是不同，优选的，二者的方向相反，具体的，一个方向可以为顺时针方向、另一个的方向可以为逆时针的方向。

推进剂在两个旋流室旋转的方向不同进而可使得从第一离心喷嘴、第二离心喷嘴喷出的推进剂间易发生碰撞利于推进剂的破碎雾化。

推进剂可以是在第一喷嘴旋流室220、第二喷嘴旋流室402内完成离心、旋转、加速。

在一个实施例中，氧化剂、燃料剂分别在第一喷嘴旋流室220、第二喷嘴

旋流室402内离心、旋转、加速，且氧化剂和燃料剂的旋转方向相反，具体的，氧化剂的旋转方向可以为逆时针的旋转方向，燃料剂的旋转方向可以为顺时针的旋转方向，氧化剂和燃料剂经旋转加速后分别从第一喷嘴出口222、第二喷嘴出口406喷出。

进一步，可以是，所述头部20上设置有第一喷嘴入口202，所述第一喷嘴旋流室220一端延伸至所述头部20与第一喷嘴入口202连通设置，所述第一喷嘴旋流室220的另一端对应的第一柱状部22上设置有与所述第一喷嘴旋流室220连通的第一喷嘴出口222，也就是第二柱状部40的中空腔整体被划分为了第一喷嘴旋流室220段和第一喷嘴出口222段；环第二喷嘴旋流室402的第二柱状部40周壁上设置有与所述第二喷嘴旋流室402连通的第二喷嘴入口404，所述第二柱状部40的底端设置有与所述第二喷嘴旋流室402连通的第二喷嘴出口406。

其中，第一喷嘴出口222相对第二喷嘴出口406可以是缩进设置或者平齐设置，即，第一喷嘴出口相对第二喷嘴出口可以是平齐或者缩进一段距离设置，实际中可根据具体推进剂的性质进行优化选择，例如，在一个实施例中，第一离心喷嘴中输送的为氧化剂液氧，第二离心喷嘴中输送的为燃料剂甲烷，选择缩进设置，利于雾化提高燃烧效率；所述第一喷嘴出口、第二喷嘴出口的设置形态为收口、扩口、直筒口中的一种，所述收、扩、直筒是相对该喷嘴的旋流室的直径而言，具体的，如图4、图5所示的第一喷嘴出口设置成为了扩口形、第二喷嘴出口设置成为了收口形态，通过喷嘴出口形态的选择设置可控制喷出推进剂的活动范围；所述第一喷嘴入口和/或第二喷嘴入口设置的数量为多个，多个喷嘴入口的设置可保证相应旋流室内的供液量，优选喷嘴入口的个数设置成2至8个。

在一个实施例中，第一离心喷嘴为涡流器式喷嘴，第二离心喷嘴为切向孔式喷嘴，此时，第一喷嘴入口202设置在头部20的轴向位于头部的上面。在另一个实施例中，第一离心喷嘴和第二离心喷嘴均为切向孔式喷嘴，二者的喷嘴入口均位于各自的周向。

在一个实施例中，第一离心喷嘴2为氧化剂喷嘴，第一喷嘴出口222设置为了扩口形式，第二离心喷嘴4为燃料剂喷嘴，第二喷嘴出口406设置成为了收口形式，具体的，第一喷嘴出口222相对第二喷嘴出口406可以是缩进1mm设置，氧化剂和燃料剂经对应旋流室旋转加速后从各自的喷嘴出口喷出。

在一个实施例中，第一喷嘴入口202的个数可以是设置为3个，可以是沿着第一离心喷嘴2的头部20周向均布，第二喷嘴入口404的个数可以是设置为8个，可以是均分为两排沿第二柱状部40的周向均布，第一喷嘴入口202的设置可以是使得进入第一喷嘴旋流室220内的推进剂液体流动方向为逆时针方向，第二喷嘴入口404的设置可以是使得进入第二喷嘴旋流室402内的推进剂液体流动方向为顺时针方向，具体效果可以是分别如图6、7所示。

参阅图1-7，在一个实施例中，包括第一离心喷嘴2、第二离心喷嘴4、安装结构6；第一离心喷嘴2可以是包括头部20、设置于所述头部20上的第一柱状部22，所述第一柱状部22内部设置有第一喷嘴旋流室220，所述头部20上环第一柱状部22设置有凹槽200，第二离心喷嘴4可以是包括上端开口的中空第二柱状部40、设置于所述开口400外围及第二柱状部40上的插接部42，自开口400处所述第二柱状部40中空处设置有与所述开口400连通的第二喷嘴旋流室402，所述第一柱状部22经所述开口400插入到第二柱状部40中空处，其中，所述插接部42插入到所述凹槽200限制第一离心喷嘴2、第二离心喷嘴4的径向活动以使二者保持在预设的同轴度，如此，保证了第一离心喷嘴和第二离心喷嘴始终保持着较高的同轴度，为喷嘴组件的良好作业奠定了基础，

优选的，可以是所述开口400的形态设置与第一柱状部22的形态相适应并与第一柱状部紧密配合，凹槽的深度和插接部的长度大于所述头部的半高长且小于所述头部的整体高度，进一步，可以是，所述头部20上设置有第一喷嘴入口202，所述第一喷嘴旋流室220一端延伸至所述头部20与第一喷嘴入口202连通设置，所述第一喷嘴旋流室220的另一端对应的第一柱状部22上设置有与所述第一喷嘴旋流室220连通的第一喷嘴出口222，环第二喷嘴旋流室402的第二柱状部40周壁上设置有与所述第二喷嘴旋流室402连通的第二喷嘴入口404，所述第二柱状部40的底端设置有与所述第二喷嘴旋流室402连通的第二喷嘴出口406，其中，第一喷嘴入口202、第二喷嘴入口404可以是分别用于将氧化剂、燃料剂分别输送进第一离心喷嘴2、第二离心喷嘴4，更具体的是分别输送进第一喷嘴旋流室220、第二喷嘴旋流室402，第一喷嘴旋流室220、第二喷嘴旋流室402对其内的推进剂进行离心、旋转以及加速，而后分别经第一喷嘴出口222、第二喷嘴出口406喷出；安装结构6用于安装喷嘴组件；在本实施例中，氧化剂、燃料剂分别通过第一喷嘴入口、第二喷嘴入口分别进入第一喷嘴旋流室、第二喷嘴旋流室进行旋转加速，其中，氧化剂沿逆时针方向旋转加速，燃料剂沿顺时针方向旋转加速，二者在第一喷嘴出口和第二喷嘴出口处碰撞成微小液滴，完成液滴破碎雾化及混合，该同轴逆流式双离心喷嘴组件，解决了现有技术中液滴破碎效果差、燃烧效率低的问题。

本申请还提供了一种液体火箭发动机，可以是本申请中任一所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，具体的，可以是包括图1中所示的同轴式喷嘴组件。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，包括：

第一离心喷嘴，包括头部、设置于所述头部上的第一柱状部，所述第一柱状部内部设置有第一喷嘴旋流室，所述头部上环第一柱状部设置有凹槽；

第二离心喷嘴，包括上端开口的中空第二柱状部、设置于所述开口外围及第二柱状部上的插接部，自开口处所述第二柱状部中空处设置有与所述开口连通的第二喷嘴旋流室；

其中，

所述第一柱状部经所述开口插入到第二柱状部中空处；

所述插接部插入到所述凹槽限制第一离心喷嘴、第二离心喷嘴的径向活动以使二者保持在预设的同轴度。

2.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，所述开口的形态设置与第一柱状部的形态相适应并与第一柱状部紧密配合。

3.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，凹槽的深度和插接部的长度至少为所述头部的半高长且小于所述头部的整体高度。

4.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，推进剂在第一喷嘴旋流室中的旋转方向与在第二喷嘴旋流室中的旋转方向不同。

5.根据权利要求1所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，所述第一离心喷嘴用于输送第一推进剂，所述第二离心喷嘴用于输送第二推进剂。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，

所述头部上设置有第一喷嘴入口，所述第一喷嘴旋流室一端延伸至所述头部与第一喷嘴入口连通设置，所述第一喷嘴旋流室的另一端对应的第一柱状部上设置有与所述第一喷嘴旋流室连通的第一喷嘴出口；

环第二喷嘴旋流室的第二柱状部周壁上设置有与所述第二喷嘴旋流室连通的第二喷嘴入口，所述第二柱状部的底端设置有与所述第二喷嘴旋流室连通的第二喷嘴出口。

7.根据权利要求6所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，所述第一喷嘴出口相对第二喷嘴出口缩进设置或者平齐设置。

8.根据权利要求6所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，所述第一喷嘴出口、第二喷嘴出口的设置形态为收口、扩口、直筒口中的一种。

9.根据权利要求6所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件，其特征在于，所述第一喷嘴入口和/或第二喷嘴入口设置的数量为多个。

10.一种液体火箭发动机，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的一种液体火箭发动机的同轴式喷嘴组件。

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