CN103590921B - 可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置；包括盘型基座，液体射流撞击喷注器,气体射流二次喷注器和气体射流三次撞击喷注器；该盘型基座包括可用于调整液体射流撞击喷注器间距的执行机构，液体射流撞击喷注器包括可用于调整射流角度的执行机构，气体射流三次撞击喷注器包括可用于调整气流掺混区域轴向位置的执行机构；本发明基于简单零部件设计而成，具有液体射流姿态在三维空间中高度可调，液体射流撞击喷注器在盘型基座上环形均布等特点，能够满足多种粘性凝胶推进剂雾化的要求。

Description

可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置

技术领域

本发明属于固体火箭发动机技术领域，特别是一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置。

背景技术

凝胶推进剂是在液体推进剂中均匀溶入固体颗粒（金属或非金属），再通过胶凝剂和助剂作用而生成的静态“有形”，并在一定剪应力作用下能恢复液态，且能与原推进剂有相近物理性质的混合物。凝胶推进剂具有不易泄露，对冲击和碰撞等敏感度低，添加金属后性能高等优点，所以国内外对凝胶推进剂生成，流变，雾化和燃烧特性，尤其是雾化特性进行了大量研究。

凝胶推进剂属于非牛顿流体，其在动力***中的流动特性与牛顿型流体的主要差异在于剪切粘度随剪切速率而变化，当剪切速率达到一定值后，凝胶推进剂的剪切粘度将趋于极限剪切粘度。为了让凝胶推进剂获得高效燃烧必须是使其具有很好的雾化效果，而对于凝胶推进剂的撞击式雾化，影响凝胶推进剂雾化性能的因素有射流撞击夹角、速度以及凝胶推进剂的物性。目前，凝胶推进剂雾化研究尚在探索阶段，研究结果主要是获得的喷雾图像，并未得到雾化特性参数（破碎长度、液滴尺寸及分布等）与喷嘴几何、工作参数以及凝胶推进剂物性之间的数学关系。

现今广为熟知撞击式喷注器，多以双股射流的动态碰撞产生雾化效果。如美国陆军研究所的撞击涡流发动机，以色列研究所及德国宇航中心的凝胶式实验发动机都在应用撞击式喷注器。以上皆说明了撞击式喷注器在实际应用中的广阔潜力。丹麦格兰富NONOX公司的“针对尿素的撞击雾化装置”（设计者：克里斯蒂安·博，专利号：200680017160.0）是一种应用在化工领域的实用型产品，该装置引用多股射流撞击的方案，取得了理想的雾化效果。虽然这套装置并不是针对凝胶推进剂的特性而设计，但是仍然具备一定的参考价值，其一是实现多股射流在某一平面内撞击雾化方案的可行性，其二是将这套方案应用于凝胶推进剂的可能性。并且，从这套方案中也能发现这套装置的不足：喷嘴为固定结构，射流的姿态无法调节，影响雾化效果。西安航天动力研究所的张蒙正等人在《推进技术》2009年第1期发表了“撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征”一文，使用到了三股式射流在平面内以“T字型”撞击角雾化方案，同样，该方案也是在某一平面内固定角度，无法随雾化要求灵活调节。西北工业大学的王枫等人在《实验技术与管理》2012年第1期发表了“凝胶推进剂流动雾化特性实验***的改进及应用”一文，该文提出了一种针对凝胶推进剂的撞击式雾化实验装置，该装置虽然解决了喷嘴动态可调，能够适用于多种凝胶推进剂的雾化，但是仍然存在不足：该装置对凝胶推进剂的液膜破碎质量不高，对于粘性大的凝胶推进剂不能起到有效的二次雾化作用；综上所述，如何从已有的装置中发现不足，完善其不足，有针对的改进创新，并克服现有的技术不足成为当今火箭发动机领域中的重难点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有喷嘴在三维空间中可调和可根据凝胶推进剂粘度提供二次雾化，能够满足对凝胶推进剂雾化效果实验研究的可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，包括基座、液体射流撞击喷注器、气体射流二次喷注器和气体射流三次撞击喷注器；基座包括盘型基座和间距调整滑块，盘型基座上有三条滑槽以120°环向均匀分布，间距调整滑块设置在滑槽内；液体射流撞击喷注器包括L型支撑架、撞击角调节平台、喷嘴固定块、液体射流喷嘴导管连接套、液体射流喷嘴和液体射流外接导管，L型支撑架分别固连在间距调整滑块上，撞击角调节平台的底部固连在L型支撑架上，并且L型支撑架与间距调整滑块的连接面和与撞击角调节平台底部的连接面垂直，喷嘴固定块固连在撞击角调节平台的顶部，液体射流喷嘴导管连接套套于喷嘴固定块的通孔内，液体射流喷嘴和液体射流外接导管分别固连在液体射流喷嘴导管连接套的两端，且液体射流喷嘴轴线的旋转平面与盘型基座的中轴线共面；气体射流喷注器包括气体射流喷嘴，气体射流喷嘴导管连接套，气体射流外接导管，气体射流喷嘴、气体射流外接导管分别固连在气体射流喷嘴导管连接套的两端，气体射流喷注器设置在盘型基座的中轴线上，与安放该雾化装置的台座固连；撞击式气体射流二次喷注器包括环形支撑架、双导轨、撞击式气体射流喷嘴、撞击式气体射流喷嘴导管连接套和撞击式气体射流外接导管，双导轨固连在盘型基座一侧的母线上，环形支撑架与盘形基座同轴设置在双导轨上，三个撞击式气体射流喷嘴导管连接套以120°环向均匀分布在环形支撑架上，且与环形支撑架轴线成60°角，撞击式气体射流喷嘴和撞击式气体射流外接导管分别固连在撞击式气体射流喷嘴导管连接套的两端。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明以空间三维撞击式雾化为考虑对象，并实现撞击角可调，克服了现有技术中三股射流在同一平面内实现，且角度不可调的问题。

（2）本发明考虑到了大粘性流体的特点，引入了气体参与的二次、三次雾化，并且可以提供两种形式的再次雾化，一是直吹式的与液体小液滴外部掺混雾化，二是引入多股气流互撞形成一定作用范围的雾化区域，从而得到大粘性流体较理想的雾化效果。

（3）本发明基于改造已有零部件，并重新设计新的承接零部件，使已有零部件在保证其原有功能特点的基础上，满足撞击式雾化实验要求，降低了制造成本。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基座与液体射流撞击喷注器的结构示意图。

图2是本发明气体射流三次撞击喷注器的结构示意图。

图3是本发明可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置立体结构示意图。

图4是本发明液体射流撞击喷注器正视图。

图5是本发明液体射流撞击喷注器俯视图。

具体实施方式

本发明一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，包括基座、液体射流撞击喷注器、气体射流二次喷注器和气体射流三次撞击喷注器。

基座包括盘型基座1和间距调整滑块2，盘型基座1上有三条滑槽以120°环向均匀分布，间距调整滑块2设置在滑槽内。

液体射流撞击喷注器包括L型支撑架3、撞击角调节平台6、喷嘴固定块5、液体射流喷嘴导管连接套4、液体射流喷嘴7和液体射流外接导管14，L型支撑架3分别固连在间距调整滑块2上，撞击角调节平台6的底部固连在L型支撑架3上，并且L型支撑架3与间距调整滑块2的连接面和与撞击角调节平台6底部的连接面垂直，喷嘴固定块5固连在撞击角调节平台6的顶部，液体射流喷嘴导管连接套4套于喷嘴固定块5的通孔内，液体射流喷嘴7和液体射流外接导管14分别固连在液体射流喷嘴导管连接套4的两端，且液体射流喷嘴7轴线的旋转平面与盘型基座1的中轴线共面。

通过操控间距调整滑块2在盘型基座1半径方向的直线运动以及操控撞击角调节平台6自身的旋转，可以控制液体射流在三维空间中的姿态，从而使的三股液体射流以不同的撞击角形成雾化液滴。

气体射流喷注器包括气体射流喷嘴9，气体射流喷嘴导管连接套8，气体射流外接导管15，气体射流喷嘴9、气体射流外接导管15分别固连在气体射流喷嘴导管连接套8的两端，气体射流喷注器设置在盘型基座1的中轴线上，并以独立方式与安放该雾化装置的台座固连。

撞击式气体射流二次喷注器包括环形支撑架12、双导轨13、撞击式气体射流喷嘴11、撞击式气体射流喷嘴导管连接套10和撞击式气体射流外接导管16，双导轨13固连在盘型基座1一侧的母线上，环形支撑架12与盘形基座1同轴设置在双导轨13上，三个撞击式气体射流喷嘴导管连接套10以120°环向均匀分布在环形支撑架12上，且与环形支撑架12轴线成60°角，撞击式气体射流喷嘴11和撞击式气体射流外接导管16分别固连在撞击式气体射流喷嘴导管连接套10的两端。

液体射流喷嘴导管连接套4以螺纹连接形式固连于喷嘴固定块5的螺纹孔内。

液体射流外接导管14，气体射流外接导管15，撞击式气体射流外接导管16均为耐压软管。

撞击式气体射流喷嘴导管连接套10与环形支撑架12为焊接形式固连。

液体射流喷嘴7，气体射流喷嘴8的材质均为耐高温合金。

滑槽侧边刻有刻度，间距调整滑块2于滑槽刻有刻度的一侧也刻有标尺。

L型支撑架3与间距调整滑块2之间、撞击角调节平台6与L型支撑架3之间、喷嘴固定块5与撞击角调节平台6之间均采用螺钉固定连接。

引入气体射流喷注器和撞击式气体射流二次喷注器则是针对粘性大的流体依靠自身动能无法取得理想雾化效果时，可加入气流与射流撞击后形成的较大液滴相互扰动，从而提高雾化效果。其中，气体射流喷注器喷射的是单股气流，撞击式气体射流二次喷注器则是引入三股气流。

此外，根据液体射流在三维空间中的姿态可调，即撞击点位置可调，所以，本发面设计了可供气体射流三次撞击喷注器平行于装置轴线滑移的双导轨13，从而依据撞击点位置调整气流掺混区域。

本发明利用凝胶推进剂的剪切响应特性，使凝胶推进剂从三联喷嘴中喷出，以增大其剪切速度来降低凝胶推进剂粘性，从而提高雾化效果。同时利用三股高速喷射的凝胶射流在空间中碰撞，使其动能转化成液膜破碎及雾化所需的能量，顺利实现雾化。针对粘性较大的凝胶推进剂，可启动气体射流二次喷注器。使气体射流喷注器喷出的高速气体与凝胶射流撞击，由于气体液体之间存在速度差，因此液体将受到气体的扰动作用而加速液体液膜的破碎，从而提高雾化质量。当凝胶推进剂粘性进一步增大时，可开启气体射流三次次喷注器，使高速气体与撞击后的液体颗粒再次碰撞，实现再次雾化，能够大大降低雾化颗粒直径，以获得满意的雾化效果。

实施例：

结合图1～图5，一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，包括基座，液体射流撞击喷注器,气体射流二次喷注器和气体射流三次撞击喷注器。

基座包括盘型基座1、间距调整滑块2，盘型基座1上有三条滑槽以120°环向均匀分布，间距调整滑块2安嵌在滑槽内。每个滑槽侧边刻有刻度，间距调整滑块2于滑槽刻有刻度的一侧也刻有标尺，以方便分别调整三个间距调整滑块2的运动距离。

液体射流撞击喷注器包括L型支撑架3、撞击角调节平台6、喷嘴固定块5、液体射流喷嘴导管连接套4、液体射流喷嘴7和液体射流外接导管14，L型支撑架3分别以螺钉方式固连在间距调整滑块2上，撞击角调节平台6的底部以螺钉方式固连在L型支撑架3上，并且L型支撑架3与间距调整滑块2的连接面和与撞击角调节平台6底部的连接面垂直；喷嘴固定块5以螺钉方式固连在撞击角调节平台6的顶部，液体射流喷嘴导管连接套4通过自身的螺纹固连于喷嘴固定块5内，液体射流喷嘴7和液体射流外接导管14也分别通过螺纹固连在液体射流喷嘴导管连接套4的两端，且液体射流喷嘴7轴线的旋转平面与盘型基座1的中轴线共面。撞击角调节平台6为千分旋转平台，自身含有粗精调、锁紧机构；此外，L型支撑架3、撞击角调节平台6、喷嘴固定块5三者设计成高度满足液体射流喷嘴7轴线在盘型基座1面上的投影重合于其半径，使液体射流喷嘴7轴线的旋转平面与盘型基座1的中轴线共面。

气体射流喷注器包括气体射流喷嘴9，气体射流喷嘴导管连接套8，气体射流外接导管15；气体射流喷嘴9、气体射流外接导管15分别固连在气体射流喷嘴导管连接套8的两端，气体射流喷注器设置在盘型基座1的中轴线上，并以独立方式与安放该雾化装置的台座固连。

撞击式气体射流二次喷注器包括环形支撑架12、双导轨13、撞击式气体射流喷嘴11、撞击式气体射流喷嘴导管连接套10和撞击式气体射流外接导管16，双导轨13固连在盘型基座1一侧的母线上，环形支撑架12与盘形基座1同轴设置在双导轨13上，三个撞击式气体射流喷嘴导管连接套10以120°环向均匀分布在环形支撑架12上，且与环形支撑架12轴线成60°角，撞击式气体射流喷嘴11和撞击式气体射流外接导管16分别通过螺纹固连在撞击式气体射流喷嘴导管连接套10的两端。通过滑移环形支撑架12，即可调整气体射流三次撞击喷注器在轴线方向吹入气流的区域。

结合图1～图5，本发明的主要操作过程为：一，分别调整间距调整滑块2至目标位置并锁紧。二，通过转动撞击角调节平台6粗调，使液体射流喷嘴7转动至应目标角度，通过自身锁紧旋钮锁紧。三，开启外部凝胶输送管道开关。四，凝胶推进剂从液体射流喷嘴7喷出后，通过转动撞击角调节平台6的精调旋钮精调，使三股凝胶推进剂在同一点上撞击，调整好后锁紧旋钮。五，当推进剂粘性较大时，开启外部气源输送管道开关，使气体射流二次喷注器开始工作。六，当推进剂粘性很大时，可根据液体射流的撞击点，滑动环形支撑架12至合适位置，然后开启外部气源输送管道开关，使气体射流三次撞击喷注器开始工作。

操作过程中需要注意的是，间距调整滑块2之间的距离不能过近，这样做既不方便操作撞击角调节平台6；也可能使液体射流外接导管14与盘型基座1发生干涉。启动试验时应首先以小股射流调整撞击点，待撞击点确定，再锁紧撞击角调节平台6，然后再提供实验所需射流观察雾化效果。

本发明主要部件的设计参数为：L型支撑架3为长95mm，高65mm，宽50mm，板厚20mm。可在半径方向离圆心50mm至150mm距离范围内调节。锥形喷嘴锥角为25°至40°，锥形喷嘴锥角的大小与凝胶推进剂粘性的大小成正比。需要设计凝胶推进剂喷射速度为45m/s至90m/s时，喷嘴的直径为0.3mm至1.5mm，撞击角为60°至120°。

Claims (7)

1.一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：包括基座、液体射流撞击喷注器、气体射流喷注器和撞击式气体射流二次喷注器；基座包括盘型基座(1)和间距调整滑块(2)，盘型基座(1)上有三条滑槽以120°环向均匀分布，间距调整滑块(2)设置在滑槽内；液体射流撞击喷注器包括L型支撑架(3)、撞击角调节平台(6)、喷嘴固定块(5)、液体射流喷嘴导管连接套(4)、液体射流喷嘴(7)和液体射流外接导管(14)，L型支撑架(3)分别固连在间距调整滑块(2)上，撞击角调节平台(6)的底部固连在L型支撑架(3)上，并且L型支撑架(3)与间距调整滑块(2)的连接面和与撞击角调节平台(6)底部的连接面垂直，喷嘴固定块(5)固连在撞击角调节平台(6)的顶部，液体射流喷嘴导管连接套(4)套于喷嘴固定块(5)的通孔内，液体射流喷嘴(7)和液体射流外接导管(14)分别固连在液体射流喷嘴导管连接套(4)的两端，且液体射流喷嘴(7)轴线的旋转平面与盘型基座(1)的中轴线共面；气体射流喷注器包括气体射流喷嘴(9)，气体射流喷嘴导管连接套(8)，气体射流外接导管(15)，气体射流喷嘴(9)、气体射流外接导管(15)分别固连在气体射流喷嘴导管连接套(8)的两端，气体射流喷注器设置在盘型基座(1)的中轴线上，与安放该雾化装置的台座固连；撞击式气体射流二次喷注器包括环形支撑架(12)、双导轨(13)、撞击式气体射流喷嘴(11)、撞击式气体射流喷嘴导管连接套(10)和撞击式气体射流外接导管(16)，双导轨(13)固连在盘型基座(1)一侧的母线上，环形支撑架(12)与盘形基座(1)同轴设置在双导轨(13)上，三个撞击式气体射流喷嘴导管连接套(10)以120°环向均匀分布在环形支撑架(12)上，且与环形支撑架(12)轴线成60°角，撞击式气体射流喷嘴(11)和撞击式气体射流外接导管(16)分别固连在撞击式气体射流喷嘴导管连接套(10)的两端。

2.根据权利要求1所述的一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：所述的液体射流喷嘴导管连接套(4)以螺纹连接形式固连于喷嘴固定块(5)的螺纹孔内。

3.根据权利要求1所述的一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：所述的液体射流外接导管(14)，气体射流外接导管(15)，撞击式气体射流外接导管(16)均为耐压软管。

4.根据权利要求1所述的一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：所述的撞击式气体射流喷嘴导管连接套(10)与环形支撑架(12)为焊接形式固连。

5.根据权利要求1所述的一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：所述的液体射流喷嘴(7)，气体射流喷嘴的材质均为耐高温合金。

6.根据权利要求1所述的一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：所述的L型支撑架(3)与间距调整滑块(2)之间、撞击角调节平台(6)与L型支撑架(3)之间、喷嘴固定块(5)与撞击角调节平台(6)之间均采用螺钉固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种可调式凝胶推进剂三射流撞击雾化装置，其特征在于：所述的滑槽侧边刻有刻度，间距调整滑块(2)于滑槽刻有刻度的一侧也刻有标尺。