CN117703629A - 一种均匀分配推进剂的平面喷注器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种均匀分配推进剂的平面喷注器，包括入口法兰、顶盖、均流环、外喷嘴、内喷嘴、一底和二底；所述顶盖中心设有中心孔，中心孔侧面加工的圆弧过渡段与入口法兰连接，顶盖外缘与均流环连接，顶盖、入口法兰和均流环构成推进剂容腔；所述二底位于推进剂容腔内，包括燃气喷管和二底板件，所述二底板件为以燃气喷管为中心的圆盘结构，外缘与均流环推进剂容腔内壁连接，板面上以燃气喷管为中心均匀分布若干圈喷嘴组件安装孔，内喷嘴与喷嘴组件安装孔固连；燃气喷管的燃气入口端固定至顶盖的中心孔内，燃气出口端固定至一底上；所述一底上加工燃气喷管安装孔和喷嘴组件安装孔，相对二底板件安装，与固定外喷嘴和燃气喷管燃气出口端连接。
Description
技术领域
本发明属于液体火箭发动机技术领域，特别涉及一种均匀分配推进剂的平面喷注器。
背景技术
液体火箭发动机性能高，稳定可靠，可重复使用，结构质量小，在航天器和运载火箭等方面都有广泛应用。
燃气发生器作为液体火箭发动机的重要组成部分，可用于燃气发生器循环或补燃循环火箭发动机，主要用于将进入燃气发生器的氧化剂和燃料以一定混合比进行掺混燃烧，将化学能转化为机械能，产生的高温燃气驱动涡轮泵做功。
喷注器作为燃气发生器的重要组件，其作用是将推进剂均匀掺混、充分雾化、高效燃烧，喷注器的设计优劣直接关系到燃烧效率、出口温度均匀性以及燃烧稳定性等关键特性。因此通过合理设计喷注器结构，确保推进剂能够均匀进入每个喷嘴非常重要。现阶段大推力液体火箭发动机所用燃气发生器头腔内一般设有均流板等结构，用于保证燃气发生器头腔内推进剂掺混均匀，但此种结构会导致头腔内部容积偏大，关机过程中头腔内残留的推进剂会继续燃烧，给发动机带来额外的后效冲量，容易造成发射任务偏差等后果。因此在确保推进剂均匀分布到各个喷嘴内的同时，尽可能的减少喷注器头腔容积对于液体火箭发动机燃气发生器结构设计具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提出一种新型燃气发生器喷注器结构，用于降低液体火箭发动机的后效冲量，促进燃气发生器内推进剂均匀掺混，高效雾化，进而提高燃气发生器燃烧效率，增强推进剂燃烧稳定性。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种均匀分配推进剂的平面喷注器，包括入口法兰、顶盖、均流环、外喷嘴、内喷嘴、一底和二底；
所述内喷嘴和外喷嘴焊接形成喷嘴组件；
所述顶盖中心设有中心孔，中心孔侧面加工的圆弧过渡段与入口法兰连接，顶盖外缘与均流环连接，顶盖、入口法兰和均流环构成推进剂容腔；
所述二底位于推进剂容腔内，包括燃气喷管和二底板件，所述二底板件为以燃气喷管为中心的圆盘结构，外缘与均流环推进剂容腔内壁连接，板面上以燃气喷管为中心均匀分布若干圈喷嘴组件安装孔，内喷嘴与喷嘴组件安装孔固连；燃气喷管的燃气入口端固定至顶盖的中心孔内，燃气出口端固定至一底上；
所述一底上加工燃气喷管安装孔和喷嘴组件安装孔，相对二底板件安装，与固定外喷嘴和燃气喷管燃气出口端连接；
推进剂组分I自入口法兰1进入二底板件一侧头腔内，并自内喷嘴流体入口流入分布的内喷嘴中，推进剂组分II自均流环进入二底板件另一侧容腔，并自外喷嘴流体入口流入外喷嘴和内喷嘴之间的环缝流道中，推进剂组分I和推进剂组分II在喷嘴组件的缩进区中混合，自外喷嘴喷出时被点火器产生的高温燃气点燃。
第二方面，一种均匀分配推进剂的燃气发生器，所述燃气发生器带有第一方面所述的一种均匀分配推进剂的平面喷注器。
根据本发明提供的一种均匀分配推进剂的平面喷注器，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种均匀分配推进剂的平面喷注器，入口法兰采用圆弧轴线均匀过渡的圆柱结构，通过3D打印增材制造工艺一体生产，使推进剂在进入燃气发生器过程中流动顺畅，降低局部湍流出现的可能性；
(2)本发明提供的一种均匀分配推进剂的平面喷注器，入口法兰与顶盖的圆弧过渡段连接形成的第一圆角过渡结构为弯管状；第一圆角过渡结构与顶盖的连接处为入口过渡段，入口过渡段采用圆角过渡变径结构，第一圆角过渡结构的横截面从入口法兰端开始由圆形过渡变化为椭圆形，使推进剂在进入燃气发生器过程中流动顺畅，降低局部湍流出现的可能性；
(3)本发明提供的一种均匀分配推进剂的平面喷注器，顶盖与二底板件间采用尽可能小的腔体容积，通过合理设计内型面，提高流体通过性，降低局部湍流出现的可能性，同时尽可能的降低液体火箭发动机的后效冲量；
(4)本发明提供的一种均匀分配推进剂的平面喷注器，均流环的侧面采用配备了大圆角结构的均流孔，能够让推进剂在流动过程中尽可能的流动顺畅，降低局部湍流出现的可能性，进而促进推进剂均匀分布。
附图说明
图1为燃气发生器中喷注器的结构示意图；
图2为燃气发生器中喷注器的剖视图；
图3为喷注器均流环的剖视图；
图4为喷注器顶盖的示意图；
图5为喷注器入口法兰的剖视图；
图6为燃气发生器的剖视图；
图7为燃气发生器中集合器的结构示意图；
图8为燃气发生器中整流栅的结构示意图。
附图标号说明
1-入口法兰；2-顶盖；21-入口过渡段；3-均流环；4-外喷嘴；5-内喷嘴；6-一底；7-二底；8-燃气发生器身部；9-集合器；91-第二入口法兰；92-球形本体；10-整流栅；101-球面径向均流孔；102-倒圆角结构。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
如图1和图2所示，本发明提供了一种均匀分配推进剂的平面喷注器，包括入口法兰1、顶盖2、均流环3、外喷嘴4、内喷嘴5、一底6和二底7；
所述内喷嘴5和外喷嘴4通过电子束焊等方式焊接在一起形成喷嘴组件；
所述顶盖2中心设有中心孔，中心孔侧面加工的圆弧过渡段与入口法兰1连接，顶盖2外缘与均流环3连接，顶盖2、入口法兰1和均流环3构成推进剂容腔；
所述二底7位于推进剂容腔内，包括燃气喷管和二底板件，所述二底板件为以燃气喷管为中心的圆盘结构，外缘与均流环3推进剂容腔内壁连接，板面上以燃气喷管为中心均匀分布若干圈喷嘴组件安装孔，内喷嘴与喷嘴组件安装孔固连；燃气喷管用于输送点火器产生的高温燃气，通过高温燃气点燃掺混后的推进剂，燃气入口端固定至顶盖2的中心孔内，燃气出口端固定至一底6上；
所述一底6上加工燃气喷管安装孔和喷嘴组件安装孔，相对二底板件安装，与固定外喷嘴4和燃气喷管燃气出口端连接；
推进剂组分I(燃料或氧化剂)自入口法兰1进入二底板件一侧头腔内，并自内喷嘴流体入口流入分布的内喷嘴5中，推进剂组分II(燃料或氧化剂)自均流环3进入二底板件另一侧容腔，并自外喷嘴流体入口流入外喷嘴4和内喷嘴5之间的环缝流道中，推进剂组分I和推进剂组分II在喷嘴组件的缩进区中混合，自外喷嘴4喷出时被点火器产生的高温燃气点燃。
如图3所示，均流环3的侧壁上开设周向均流孔，优选该均流孔为圆角均流孔(孔缘倒圆角)，能够让推进剂在流动过程中尽可能的流动顺畅，降低局部湍流出现的可能性，进而促进推进剂均匀分布。
如图4和图5所示，入口法兰1为圆弧轴线均匀过渡结构，与顶盖2的圆弧过渡段连接，形成第一圆角过渡结构，第一圆角过渡结构为弯管状。
第一圆角过渡结构与顶盖2的连接处为入口过渡段21，入口过渡段采用圆角过渡变径结构，第一圆角过渡结构的横截面从入口法兰端开始由圆形过渡变化为椭圆形。
如图4所示，顶盖2为弧顶结构，均流环3通过圆弧过渡段与顶盖2连接，在二底板件一侧形成扩大的弧顶结构，该扩大的弧顶结构对应的圆心角≤60°，减小了顶盖与二底间腔体容积，降低发动机的后效冲量，提高流体通过性，降低局部湍流出现的可能性。
本发明中均匀分配推进剂的平面喷注器的安装方法，包括：首先将内喷嘴5与外喷嘴4通过电子束焊的方式焊接在一起形成喷嘴组件；其次将喷嘴组件安装到二底7上，并安装一底6结构，通过钎焊的方式将喷嘴组合件、均流环3、一底6、二底7焊接在一起；然后，将顶盖2与均流环3通过电子束焊进行焊接，形成封闭头腔；最后，通过电子束焊将入口法兰1与顶盖2焊接在一起，形成燃气发生器喷注器。
本发明中均匀分配推进剂的平面喷注器结构工作方式如下：流量较小的推进剂组分I(具体氧化剂或燃料根据产品特点选用)通过入口法兰1进入头腔内，入口法兰1采用增材制造工艺生产，具备圆弧轴线均匀过渡结构，推进剂组分I流经此处时能够顺利地进入头腔内部，避免了局部回流区或湍流区域的出现；然后通过具有大圆角过渡段的喷注器顶盖2，同时，该顶盖2在法兰管路与头腔过渡段采用了流线型变内径的结构，推进剂组分I在流经此处时便于向周围扩散，该顶盖2通过增材制造工艺加工得到；推进剂组分I进入喷注器头腔后，再均匀地从内喷嘴流体入口进入内喷嘴内部；流量较大的推进剂组分II通过均流环3的大圆角均流孔结构进入腔体，再均匀地进入外喷嘴4进行推进剂间的雾化掺混和燃烧过程。
如图6所示，本发明还提供了一种均匀分配推进剂的燃气发生器，该燃气发生器带有上述所述的一种均匀分配推进剂的平面喷注器。具体地，该燃气发生器包括平面喷注器、燃气发生器身部8、集合器9和整流栅10；
燃气发生器身部8一端与均流环3连接，另一端与整流栅10连接；集合器9与均流环3和燃气发生器身部8连接，形成套在均流环3和燃气发生器身部8外部的腔体，用于向均流环3输送流量较大的推进剂组分II。
如图7所示，集合器9的第二入口法兰91与球形本体92通过第二圆角过渡结构93过渡连接，球形本体92上设置喷注器安装孔和身部安装孔，第二入口法兰91设置在球形本体92侧面。
如图8所示，整流栅10通过增材制造工艺制成，整流面呈球面构型，沿球径方向均匀分布若干圈球面径向均流孔101，位于同一圈上的球面径向均流孔101的半径相同，在球面径向均流孔101的上下游均设置倒圆角结构102；以整流栅10的中心点为圆心，位于奇数圈上的各圈球面径向均流孔101的半径大小相同，位于偶数圈上的各圈球面径向均流孔101的半径大小相同，相邻两圈上的球面径向均流孔101的半径大小不同；整流栅10中各圈之间均流孔内径交错排布，有助于错频，避免燃烧不稳定现象的出现，并且在球面径向均流孔的上下游均设计了倒圆角结构，利于流体均匀通过，同时降低整流栅10的流阻特性。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种均匀分配推进剂的平面喷注器，其特征在于，包括入口法兰(1)、顶盖(2)、均流环(3)、外喷嘴(4)、内喷嘴(5)、一底(6)和二底(7)；
所述内喷嘴(5)和外喷嘴(4)焊接形成喷嘴组件；
所述顶盖(2)中心设有中心孔，中心孔侧面加工的圆弧过渡段与入口法兰(1)连接，顶盖(2)外缘与均流环(3)连接，顶盖(2)、入口法兰(1)和均流环(3)构成推进剂容腔；
所述二底(7)位于推进剂容腔内，包括燃气喷管和二底板件，所述二底板件为以燃气喷管为中心的圆盘结构，外缘与均流环(3)推进剂容腔内壁连接，板面上以燃气喷管为中心均匀分布若干圈喷嘴组件安装孔，内喷嘴与喷嘴组件安装孔固连；燃气喷管的燃气入口端固定至顶盖(2)的中心孔内，燃气出口端固定至一底(6)上；
所述一底(6)上加工燃气喷管安装孔和喷嘴组件安装孔，相对二底板件安装，与固定外喷嘴(4)和燃气喷管燃气出口端连接；
推进剂组分I自入口法兰(1)进入二底板件一侧头腔内，并自内喷嘴流体入口流入分布的内喷嘴(5)中，推进剂组分II自均流环(3)进入二底板件另一侧容腔，并自外喷嘴流体入口流入外喷嘴(4)和内喷嘴(5)之间的环缝流道中，推进剂组分I和推进剂组分II在喷嘴组件的缩进区中混合，自外喷嘴(4)喷出时被点火器产生的高温燃气点燃。
2.根据权利要求1所述的均匀分配推进剂的平面喷注器，其特征在于，均流环(3)的侧壁上开设周向均流孔，优选该均流孔为圆角均流孔。
3.根据权利要求1所述的均匀分配推进剂的平面喷注器，其特征在于，所述入口法兰(1)为圆弧轴线均匀过渡结构，与顶盖(2)的圆弧过渡段连接，形成第一圆角过渡结构，第一圆角过渡结构为弯管状。
4.根据权利要求3所述的均匀分配推进剂的平面喷注器，其特征在于，所述第一圆角过渡结构与顶盖(2)的连接处为入口过渡段(21)，入口过渡段采用圆角过渡变径结构，第一圆角过渡结构的横截面从入口法兰端开始由圆形过渡变化为椭圆形。
5.根据权利要求1所述的均匀分配推进剂的平面喷注器，其特征在于，顶盖(2)为弧顶结构，均流环(3)通过圆弧过渡段与顶盖(2)连接，在二底板件一侧形成扩大的弧顶结构，该扩大的弧顶结构对应的圆心角≤60°。
6.根据权利要求1所述的均匀分配推进剂的平面喷注器，其特征在于，所述自入口法兰(1)进入二底板件一侧头腔内的推进剂组分I的流量不大于所述自均流环(3)进入二底板件另一侧容腔的推进剂组分II的流量。
7.一种均匀分配推进剂的燃气发生器，其特征在于，所述燃气发生器带有权利要求1至6之一所述的一种均匀分配推进剂的平面喷注器。
8.根据权利要求7所述的均匀分配推进剂的燃气发生器，其特征在于，所述燃气发生器包括平面喷注器、燃气发生器身部(8)、集合器(9)和整流栅(10)；
燃气发生器身部(8)一端与均流环(3)连接，另一端与整流栅(10)连接；集合器(9)与均流环(3)和燃气发生器身部(8)连接，形成套在均流环(3)和燃气发生器身部(8)外部的腔体，用于向均流环(3)输送推进剂组分II。
9.根据权利要求7所述的均匀分配推进剂的燃气发生器，其特征在于，所述集合器(9)的第二入口法兰(91)与球形本体(92)通过第二圆角过渡结构(93)过渡连接，球形本体(92)上设置喷注器安装孔和身部安装孔，第二入口法兰(91)设置在球形本体(92)侧面。
10.根据权利要求7所述的均匀分配推进剂的燃气发生器，其特征在于，所述整流栅(10)的整流面呈球面构型，沿球径方向均匀分布若干圈球面径向均流孔(101)，位于同一圈上的球面径向均流孔(101)的半径相同，在球面径向均流孔(101)的上下游均设置倒圆角结构(102)；以整流栅(10)的中心点为圆心，位于奇数圈上的各圈球面径向均流孔(101)的半径大小相同，位于偶数圈上的各圈球面径向均流孔(101)的半径大小相同，相邻两圈上的球面径向均流孔(101)的半径大小不同。
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