CN203978643U - 一种开槽同轴针栓式喷注器推力室 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种开槽同轴针栓式喷注器推力室。包括中心筒与壳体，中心筒与壳体之间还设置有内套筒与外套筒；外套筒与壳体形成外圈通道及环形喷嘴；内套筒与中心筒形成中心通道及径向喷嘴；外套筒上端通过主弹簧和垫环与中心筒相连；内套筒上端通过副弹簧和垫环与中心筒相连。本实用新型提供了一种高效率、成本低的开槽同轴针栓式喷注器推力室。

Description

一种开槽同轴针栓式喷注器推力室

技术领域

本实用新型属于液体火箭发动机领域，涉及一种无液膜冷却推力室，尤其涉及一种开槽同轴针栓式喷注器推力室。可用于大推力、高室压、快响应的液体火箭轨控发动机。

背景技术

在我国军事航天器高速发展的形势下，提高现有的液体轨控火箭发动机能力刻不容缓，这要求轨控发动机具备快响应、高性能、轻质化能力。由于技术难度大，目前国内还未能开发出响应时间小于30ms、推力万牛级、推质比大于500的常规液体轨控发动机。

传统的液体火箭发动机喷注器如直流式喷注器离心式喷注器及针栓式喷注器是应用较早、较多的喷注形式，它依靠喷注器外圈采用专门的冷却孔实现边区的低温控制，在兼顾稳定性和冷却的条件下，获取合理的性能。在某些任务要求下，由于入口压力和多次起动、响应时间的限制，目前轨姿控液体火箭发动机普遍采用耐高温铌合金辐射冷却方案，推力室身部最优选择仍然是辐射冷却的铌合金和陶瓷基复合材料身部。

对于辐射冷却推力室而言，需要专门的液膜冷却，将较高比例的液膜设置于近壁区，使得燃烧性能无法达到最高，另外起动时液膜冷却腔需要充填和关机时残留的推进剂慢慢流动，造成发动机响应较差。传统的针栓式喷注器外圈推进剂与内圈推进剂以环形液膜的形式在针栓顶端进行撞击、混合，这种喷注撞击后空间混合区域较小，特别是在推进剂流量较大时，很难形成较好的径向混合比分布，无法有效实现性能和冷却的兼顾。

由于依靠喷注器既要组织高效燃烧，又要通过射流撞击优化达到可靠冷却身部的目标，因而技术难度较大。为了实现目前轨控发动机大推力快响应高性能的目标，开发了一种无专门冷却的开槽喷注结构的双套筒“面关机”针栓式推力室结构。采用双套筒的燃料中心开槽方案使得中心推进剂以束状射流与外圈推进剂液膜撞击，不但增大燃料与氧化剂接触面积，强化了射流局部穿透能力，使得部分束状射流更容易穿透外圈液膜，形成空间上(径向与轴向)的不同流强、混合比分布的参差相错、射角不同的合成射流为能够有效降低边区温度。

实用新型内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本实用新型提出了一种开槽同轴针栓式喷注器推力室。

本实用新型的技术方案是：一种开槽同轴针栓式喷注器推力室，其特殊之处在于：包括中心筒与壳体，中心筒与壳体之间还设置有内套筒与外套筒；

上述外套筒与壳体形成外圈通道及环形喷嘴；

上述内套筒与中心筒形成中心通道及径向喷嘴；

上述外套筒上端通过主弹簧和垫环与中心筒相连；

上述内套筒上端通过副弹簧和垫环与中心筒相连；

上述中心筒下端设置有端头槽口；端头槽口由主槽和辅槽构成；

上述主槽高度高于辅槽，辅槽宽度宽于主槽。

本实用新型的优点是：1.本实用新型推力室由于采用无单独液膜冷却结构，双套筒独立密封结构，高刚度、大变形特型弹簧，结构简单，克服了传统轨姿控发动机因单独液膜冷却带来的响应特性差，性能偏低的问题，实现了大推力发动机的快速响应，响应时间由原先的数百毫秒缩短至30ms。

2.本实用新型喷注器采用燃料中心开槽针栓式喷注形式，创新设计的新型高窄主槽结构，使得中心推进剂以束状射流与外圈推进剂液膜撞击，不但增大燃料与氧化剂接触面积，强化了射流局部穿透能力，使得部分束状射流更容易穿透外圈液膜。通过矮宽辅槽优化混合比分布，形成了空间上(径向与轴向)的不同流强、混合比分布的参差相错、射角不同的合成射流，从而使得燃烧性能大大提高，燃烧效率可达到0.97。

3.本实用新型采用新型的高窄主槽结构，强化燃料射流，使得部分燃料穿透外圈氧化剂并冷却内壁，通过矮宽辅槽优化混合比分布，以及设置带角度的导向板，减小了撞击后射流击壁时的溅击效应，并使更多的富燃喷雾扇流下，有效控制了身部壁温低于1300℃，实现了推力室长寿命可靠冷却。

4.本实用新型喷注器结构设计简单，加工零件数量少、工艺简单，具有响应快，效率高等优点，应用前景广阔，尤其适用于大推力、高室压、快响应的轨控发动机。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型的推力室控制腔作动结构原理图；

图3为本实用新型的喷注器外圈和中心流道/密封结构剖面图；

图4为本实用新型的中心筒端头槽口径向截面图；

其中1-壳体、2-外套筒、3-液压控制腔、4-内套筒、5-主弹簧、6-副弹簧、7-中心筒、8-垫环、9-导流板、10-溅板、11-中心杆、12-中心通道、13-径向喷嘴、14-外圈通道、15-环形喷嘴、16-端头槽口、17-针栓头。

具体实施方式

参见图1-4，本实用新型是一种开槽同轴针栓式喷注器推力室，包括中心筒7与壳体1，中心筒7与壳体1之间还设置有内套筒4与外套筒2；外套筒2与壳体1形成外圈通道14及环形喷嘴15；内套筒4与中心筒7形成中心通道及径向喷嘴；外套筒2上端通过主弹簧5、垫环8与中心筒7相连；内套筒4上端通过副弹簧6、垫环8与中心筒7相连；中心筒7下端设置有端头槽口16；端头槽口16由主槽和辅槽构成；主槽高度高于辅槽，辅槽宽度宽于主槽。

图1给出了本实用新型的一种无专门液膜冷却的推力室结构原理，图2给出了喷注器作动控制起动和关机的结构原理，图3给出了推进剂喷注和密封的结构示意图，图4给出了中心元件端头上开槽的排列示意图，图5给出了双套筒高压密封所需的高刚度特型弹簧的结构示意图，通过结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明，使本技术领域技术人员能够理解实施本实用新型。

在图1和图2中，在“面关机”喷注器中设置高压液体作动系统和高刚度大变形特型弹簧，双套筒密封结构，包括喷注器壳体1与外套筒2形成的液压控制腔3，内套筒4，主弹簧5，副弹簧6，中心筒7，用于调整预压缩量的垫环8，用于调整外套筒2和内套筒4的垫片，起动时高压推进剂进入高压腔，其作动力作用外套筒2向上运动，打开外套筒2和内套筒4的密封处，两路推进剂喷入燃烧室9，撞击后在溅板10上形成低温富燃射流冷却身部。关机时，高压腔关闭并排放，外套筒2和内套筒4在弹簧力作用下向下运动并实现喷注面密封。

在图3中，中心杆11和中心筒7形成中心通道12，实现了不同开槽结构的径向喷注，中心筒7下端加工成不同结构的高窄主槽和矮宽辅槽，并与中心杆11构成径向喷嘴13，燃料通过中心通道12、径向喷嘴13形成多股辐射状的径向射流，喷射入燃烧室9内。内套筒4的下端与中心杆11的平面在副弹簧6作用下形成中心平面密封处，采用的高刚度、大变形的特型弹簧满足了大推力发动机喷注行程和喷孔密封。

在图3中，在喷注器壳体1与外套筒2形成外圈通道14，该外圈通道14的出口与外套筒2构成环形喷嘴15(喷注面，也可在主弹簧4的作用下形成外圈锥面密封)，氧化剂通过外圈通道14流向环形喷嘴15喷入燃烧室9内，沿外套筒2外型面形成沿轴向流动的环形射流，并以均匀的速度周向分布。

如图3所示，本实用新型的外套筒2可以根据发动机所要求的推力大小设计不同的喷注直径和喷注角度实现喷注面积的调整，中心筒7的端头槽口16可以根据发动机所要求的推力大小设计不同的高窄主槽和矮宽辅槽实现喷注面积的调整，满足设计的喷注压降(速度)。外套筒2和内套筒4的运动由高液压力的作用实现，本实用新型采用的是液压力打开和弹簧力关闭的方式。

本实用新型的主弹簧5，副弹簧6可以根据所需的密封初始预紧力、预压缩量及工作总行程进行设计，通过调整变形梁的宽度及厚度实现所需的弹簧刚度。

本实用新型的中心筒7的端头槽口16至少提供如下一种优选实施例，在设计的推力范围内可按比例放大，达到的性能基本上与推力无关。在做大的尺寸变化时(即大推力设计)，只需要做最小的改变就能达到所要求的性能和室壁相容性，实现推力室在未设置专门的液膜条件下的可靠边区冷却。

本实用新型的中心杆11的端头安装有带抗氧化涂层的铌合金材料的针栓头17可以抵抗高温回流燃气，

实施例一

如图1、图4所示的中心筒7是实施方案的关键零件之一，中心筒7的端头槽口16为间隔均匀、大小不同、交错排列的T型槽和矩形槽，其T型槽13为主槽，矩形槽14为辅槽，从径向喷嘴13喷出多股辐射状径向射流与环形喷嘴15喷出的轴向外圈环形液膜的撞击，保证两股推进剂撞击后形成良好的有较大梯度的径向混合比分布，既提高效率又能实现穿透的部分燃料充分冷却身部。部分射流在撞击点击壁后，沿着溅板9表面流动。槽口设计根据阻塞率、辅槽比例和槽数、喷注压降比(或动量比)、针栓直径等进行优化。

实施例二

如图5所示的主弹簧5，副弹簧6是实施方案的关键零件之一，采用65Mn弹簧钢经热处理、线切割、表面处理及强压处理等过程，满足设计要求的高弹簧刚度及大压缩量。关机时，依靠预压缩的预紧力使得外套筒2和内套筒4处于密封状态。

实施例三

如图1、图4所示，中心筒7的端头槽口16为间隔均匀、大小不同、交错排列的T型槽和矩形槽，其T型槽13为主槽，矩形槽14为辅槽，从径向喷嘴13喷出多股辐射状径向射流与环形喷嘴15喷出的轴向外圈环形液膜的撞击，保证两股推进剂撞击后形成良好的有较大梯度的径向混合比分布，既提高效率又能实现穿透的部分燃料充分冷却身部。部分射流在撞击点击壁后，沿着溅板9表面流动。

本实施例的上述描述和附图代表了本实用新型的优选方案，本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本实用新型权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进和更换，因此，本实用新型是广泛的。

Claims (2)

1.一种开槽同轴针栓式喷注器推力室，其特征在于：包括中心筒与壳体，中心筒与壳体之间还设置有内套筒与外套筒；

所述外套筒与壳体形成外圈通道及环形喷嘴；

所述内套筒与中心筒形成中心通道及径向喷嘴；

所述外套筒上端通过主弹簧和垫环与中心筒相连；

所述内套筒上端通过副弹簧和垫环与中心筒相连。

2.根据权利要求1所述的一种开槽同轴针栓式喷注器推力室，其特征在于：所述中心筒下端设置有端头槽口；端头槽口由主槽和辅槽构成；所述主槽高度高于辅槽，辅槽宽度宽于主槽。