CN112431693B - 针栓式喷注器、火箭发动机及火箭 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针栓式喷注器、火箭发动机及火箭，涉及运载工具技术领域，该针栓式喷注器包括针栓和套设于针栓的轴套，轴套与针栓之间形成环状的液体通道；液体通道包括沿针栓的轴向设置的中心流道和自激振荡腔；自激振荡腔包括收缩段、突扩段和直圆段，直圆段的流道直径介于收缩段与突扩段之间；中心流道连通收缩段，且中心流道的流道直径大于收缩段的流道直径；针栓的一端与所述轴套的出口端之间形成径向环缝；该火箭发动机包括针栓式喷注器；该火箭机包括火箭发动机。通过该针栓式喷注器，解决了现有技术中存在的在推进剂大流量工况下，径向液膜不易在轴向气流的作用下发生破碎和进一步雾化的技术问题。

Description

针栓式喷注器、火箭发动机及火箭

技术领域

本发明涉及运载工具技术领域，尤其是涉及一种针栓式喷注器、火箭发动机及火箭。

背景技术

针栓式变推力火箭发动机具有燃烧效率高、调节能力强、面关机特性和可靠性高的特点，可用于星际入轨和降落。其中，最具代表性的是阿波罗计划的登月下降发动机LMDE和我国探月工程的7500N变推力下降发动机。

一般技术中，推进剂从针栓喷注器喷出后的雾化效果和蒸发、掺混过程直接影响变推力火箭发动机的燃烧效率和稳定性。

气液针栓式喷注器通常采用液体中心式设计，即液体推进剂经过针栓中心流道，由针栓头部的径向环缝或者一系列小孔呈径向放射状喷注，气体推进剂通过针栓外侧的径向环缝轴向喷注。径向放射状射流与轴向环形射流呈90度交叉撞击，使推进剂雾化混合。

在采用气液环缝式针栓喷注器的变推力火箭发动机中，在保持混合比不变条件下，推进剂流量随工况升高、推力增大而增大。其中，中心流道径向环缝开度随液体推进剂流量增加而增大，形成较厚且连续的径向环形液膜；由于气体的膨胀作用，从外侧轴向径向环缝进入推力室的气体推进剂只有一部分作用在径向液膜上。因此，在推进剂大流量工况下，径向液膜不易在轴向气流的作用下发生破碎和进一步雾化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针栓式喷注器、火箭发动机及火箭，以缓解现有技术中存在的在推进剂大流量工况下，径向液膜不易在轴向气流的作用下发生破碎和进一步雾化的技术问题。

第一方面，本发明提供一种针栓式喷注器，包括：针栓和套设于所述针栓的轴套，所述轴套与所述针栓之间形成环状的液体通道；所述液体通道包括沿所述针栓的轴向设置的中心流道和自激振荡腔；所述自激振荡腔包括收缩段、突扩段和直圆段，所述直圆段的流道直径介于所述收缩段与所述突扩段之间；所述中心流道连通所述收缩段，且所述中心流道的流道直径大于所述收缩段的流道直径；所述针栓的一端与所述轴套的出口端之间形成径向环缝。

进一步的，所述轴套采用分体式结构；所述轴套包括相连接的轴套身部、自激腔部以及轴套出口部，所述自激腔部具有相平行设置的收缩内型面和突扩内型面，所述轴套出口部具有直圆内型面。

进一步的，所述轴套身部的外周面沿所述轴向设有第一凹台；所述自激腔部包括本体、分别凸出于所述本体的两侧且沿所述轴向延伸的第一凸台和第二凸台；所述轴套出口部的内周面沿轴向设有第二凹台；所述第一凸台固定连接于所述第一凹台，所述第二凸台固定连接于所述第二凹台；所述收缩内型面设置于所述本体，所述突扩内型面设置于所述第二凸台。

进一步的，所述第一凸台与所述第一凹台螺纹连接；所述第二凸台与所述第二凹台螺纹连接。

进一步的，所述针栓式喷注器的液体推进剂经过所述自激振荡腔后，自击振荡频率为：

其中，所述中心流道靠近所述收缩段处设有直管段，d₀为所述直管段的管径，1₀为所述直管段的管长；d₁为所述收缩段的流道直径，d₂为所述直圆段的流道直径；D为所述突扩段的流道直径，L为所述突扩段的流道长度；α为下喷嘴碰撞壁夹角。

进一步的，对于所述自激振荡，d₁-d为等效上喷嘴入口流道直径，d₂-d为等效下喷嘴出口流道直径，D-d为等效自激振荡腔室直径；

所述自激振荡腔的参数配比：(d₂-d)/(d₁-d)∶1.5～2.3，L/(D-d)：0.4～0.7，(D-d)/(d₂-d)∶6～9；

其中，d为所述针栓的针栓连接杆的直径。

进一步的，所述针栓包括相连接的针栓身部、针栓连接杆以及针栓头部，所述针栓头部沿所述轴向凸出于所述轴套的出口端。

进一步的，所述针栓式喷注器还包括喷注器壳体；所述喷注器壳体与所述轴套之间形成环状的气体通道；所述气体通道用于提供轴向气流。

有益效果：

本发明提供的针栓式喷注器，液体通道包括沿针栓的轴向设置的中心流道和自激振荡腔；其中，自激振荡腔包括收缩段、突扩段和直圆段，直圆段的流道直径介于收缩段与突扩段之间；中心流道连通收缩段，且中心流道的流道直径大于收缩段的流道直径；针栓的一端与轴套的出口端之间形成径向环缝；该针栓式喷注器在具体工作过程中，通过前述设置，液体推进剂射流经过中心流道进入自激振荡腔，高速射流中的离散涡在自激振荡腔室内的剪切层中被选择性放大，形成大尺度涡旋结构，进而形成沿轴向对称分布的空化气囊；空化气囊对入口来流产生周期性的能量聚集与释放，使连续射流转变为脉冲射流，并使射流具有压力的波动和一定的空化效应；同时，自激振荡腔内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力的振荡效应，将导致自激振荡腔内漩涡空化和振荡空化的形成，从而加强空化效果。

另外，该针栓式喷注器结合气体流道工作时，液体推进剂经过中心流道和自激振荡腔作用后，可从径向环缝喷出即为离散的液滴，液滴在轴向气流(气体流道能够产生轴向气流)的作用下进一步破碎雾化；离散液滴能够充分与轴向气流作用，二次雾化形成的小液滴空间分布为实心圆锥区域，充满整个喷注器下游流场。

第二方面，本发明提供一种火箭发动机，包括：前述实施方式任一项所述的针栓式喷注器。

有益效果：

本发明提供的火箭发动机包括前述的针栓式喷注器，其中，该火箭发动机所达到的技术优势及效果同样包括针栓式喷注器所达到的技术优势及效果，此处不再赘述。

第三方面，本发明提供一种火箭，包括：前述实施方式所述的火箭发动机。

有益效果：

本发明提供的火箭包括前述的火箭发动机，其中，该火箭所达到的技术优势及效果同样包括火箭发动机所达到的技术优势及效果，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的针栓式喷注器的剖视图；

图2为本发明实施例提供的针栓式喷注器的尺寸标注示意图；

图3为图1所示A处的局部放大示意图；

图4为本发明实施例提供的针栓式喷注器中的自激腔部的空化效应的示意图。

图标：

10-中心流道；11-直管段；

21-收缩段；22-突扩段；23-直圆段；

30-径向环缝；

110-针栓身部；120-针栓连接杆；130-针栓头部；

210-轴套身部；220-自激腔部；230-轴套出口部；221-本体；222-第一凸台；223-第二凸台；

300-喷注器壳体；

W代表离散涡；N代表空气气囊；P代表空气泡。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供一种针栓式喷注器，如图1所示，该针栓式喷注器包括针栓和套设于针栓的轴套，轴套与针栓之间形成环状的液体通道；液体通道包括沿针栓的轴向设置的中心流道10和自激振荡腔；自激振荡腔包括收缩段21、突扩段22和直圆段23，直圆段23的流道直径介于收缩段21与突扩段22之间；中心流道10连通收缩段21，且中心流道10的流道直径大于收缩段21的流道直径；针栓的一端与轴套的出口端之间形成径向环缝30。

如图2所示，该针栓式喷注器在具体工作过程中，通过前述设置，液体推进剂射流经过中心流道10进入自激振荡腔，高速射流中的离散涡在自激振荡腔室内的剪切层中被选择性放大，形成大尺度涡旋结构，进而形成沿轴向对称分布的空化气囊；空化气囊对入口来流产生周期性的能量聚集与释放，使连续射流转变为脉冲射流，并使射流具有压力的波动和一定的空化效应；同时，自激振荡腔内存在着的大尺度漩涡以及脉冲压力的振荡效应，将导致自激振荡腔内漩涡空化和振荡空化的形成，从而加强空化效果。

另外，该针栓式喷注器结合气体流道工作时，液体推进剂经过中心流道10和自激振荡腔作用后，可从径向环缝30喷出即为离散的液滴，液滴在轴向气流(气体流道能够产生轴向气流)的作用下进一步破碎雾化；离散液滴能够充分与轴向气流作用，二次雾化形成的小液滴空间分布为实心圆锥区域，充满整个喷注器下游流场。此外，该针栓式喷注器在发动机大推力、推进剂大流量的工况下，能够实现较好的雾化效果。

具体的，轴套采用分体式结构；轴套包括相连接的轴套身部210、自激腔部220以及轴套出口部230，自激腔部220具有相平行设置的收缩内型面和突扩内型面，轴套出口部230具有直圆内型面。

进一步的，如图3所示，轴套身部210的外周面沿轴向设有第一凹台；自激腔部220包括本体221、分别凸出于本体221的两侧且沿轴向延伸的第一凸台222和第二凸台223；轴套出口部230的内周面沿轴向设有第二凹台；第一凸台222固定连接于第一凹台，第二凸台223固定连接于第二凹台；收缩内型面设置于本体221，突扩内型面设置于第二凸台223。

在本申请的一个实施方式中，第一凸台222与第一凹台螺纹连接；第二凸台223与第二凹台螺纹连接。

需要说明的是，现有技术中的针栓喷注器，针栓中心流道10没有设计本申请的自激振荡腔结构；在发动机大推力、推进剂大流量的工况下，径向环缝30出口为连续液膜；连续液膜在气流的作用下首先失稳破碎成液丝或液带，随后液丝或液带进一步破碎成小液滴。由于连续液膜会遮挡轴向气流，并使气流发生偏折，最终的小液滴空间分布为空心圆锥区域，没有充满整个喷注器下游流场。

本实施例中，如图4所示，针栓式喷注器的液体推进剂经过自激振荡腔后，自击振荡频率为：

其中，中心流道10靠近收缩段21处设有直管段11，d₀为直管段11的管径，1₀为直管段11的管长；d₁为收缩段21的流道直径，d₂为直圆段23的流道直径；D为突扩段22的流道直径，L为突扩段22的流道长度；α为下喷嘴碰撞壁夹角。

本实施例中，α为180°。

进一步的，对于自激振荡，d₁-d为等效上喷嘴入口流道直径，d₂-d为等效下喷嘴出口流道直径，D-d为等效自激振荡腔室直径；

自激振荡腔的参数配比：(d₂-d)/(d₁-d)∶1.5～2.3，L/(D-d)∶0.4～0.7，(D-d)/(d₂-d)：6～9；

其中，d为针栓的针栓连接杆120的直径。

自激振荡腔结构的参数配比范围内，设计加工一系列不同尺寸的试验件，利用冷态雾化测量手段，筛选和比较不同自击振荡腔结构参数的雾化性能，得到较优的设计方案。

在上述实施例的基础上，针栓包括相连接的针栓身部110、针栓连接杆120以及针栓头部130，针栓头部130沿轴向凸出于轴套的出口端。

具体的，针栓头部130与轴套的出口端之间形成径向环缝30。

如图1所示，针栓式喷注器还包括喷注器壳体300；喷注器壳体300与轴套之间形成环状的气体通道；气体通道用于提供轴向气流。

综合以上，该针栓式喷注器具有以下优势：通过在中心流道10设计自激振荡腔，在不需要提高喷注压力的情况下，可实现径向环缝30喷出离散液滴，加剧了轴向气流作用下的雾化效果，得到SMD更小的雾化液滴；同时，避免了传统设计出现的连续液膜，得到液雾在喷注器下游更均匀的空间分布。

本实施例还提供一种火箭发动机，该火箭发动机包括前述的针栓式喷注器。本实施例提供的火箭发动机包括前述的针栓式喷注器，其中，该火箭发动机所达到的技术优势及效果同样包括针栓式喷注器所达到的技术优势及效果，此处不再赘述。

优选的，火箭发动机可以为变推力火箭发动机。

本实施例还提供一种火箭，该火箭包括前述的火箭发动机。本本实施例提供的火箭包括前述的火箭发动机，其中，该火箭所达到的技术优势及效果同样包括火箭发动机所达到的技术优势及效果，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种针栓式喷注器，其特征在于，包括：针栓和套设于所述针栓的轴套，所述轴套与所述针栓之间形成环状的液体通道；所述液体通道包括沿所述针栓的轴向设置的中心流道(10)和自激振荡腔；

所述自激振荡腔包括收缩段(21)、突扩段(22)和直圆段(23)，所述直圆段(23)的流道直径介于所述收缩段(21)与所述突扩段(22)之间；所述中心流道(10)连通所述收缩段(21)，且所述中心流道(10)的流道直径大于所述收缩段(21)的流道直径；

所述针栓的一端与所述轴套的出口端之间形成径向环缝(30)。

2.根据权利要求1所述的针栓式喷注器，其特征在于，所述轴套采用分体式结构；

所述轴套包括相连接的轴套身部(210)、自激腔部(220)以及轴套出口部(230)，所述自激腔部(220)具有相平行设置的收缩内型面和突扩内型面，所述轴套出口部(230)具有直圆内型面。

3.根据权利要求2所述的针栓式喷注器，其特征在于，所述轴套身部(210)的外周面沿所述轴向设有第一凹台；所述自激腔部(220)包括本体(221)、分别凸出于所述本体(221)的两侧且沿所述轴向延伸的第一凸台(222)和第二凸台(223)；所述轴套出口部(230)的内周面沿轴向设有第二凹台；所述第一凸台(222)固定连接于所述第一凹台，所述第二凸台(223)固定连接于所述第二凹台；

所述收缩内型面设置于所述本体(221)，所述突扩内型面设置于所述第二凸台(223)。

4.根据权利要求3所述的针栓式喷注器，其特征在于，所述第一凸台(222)与所述第一凹台螺纹连接；

所述第二凸台(223)与所述第二凹台螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的针栓式喷注器，其特征在于，所述针栓式喷注器的液体推进剂经过所述自激振荡腔后，自击振荡频率为：

其中，所述中心流道(10)靠近所述收缩段(21)处设有直管段(11)，d₀为所述直管段(11)的管径，l₀为所述直管段(11)的管长；d₁为所述收缩段(21)的流道直径，d₂为所述直圆段(23)的流道直径；D为所述突扩段(22)的流道直径，L为所述突扩段(22)的流道长度；α为下喷嘴碰撞壁夹角。

6.根据权利要求5所述的针栓式喷注器，其特征在于，对于所述自激振荡，d₁-d为等效上喷嘴入口流道直径，d₂-d为等效下喷嘴出口流道直径，D-d为等效自激振荡腔室直径；

所述自激振荡腔的参数配比：(d₂-d)/(d₁-d)：1.5～2.3，L/(D-d)：0.4～0.7，(D-d)/(d₂-d)：6～9；

其中，d为所述针栓的针栓连接杆(120)的直径。

7.根据权利要求1-6任一项所述的针栓式喷注器，其特征在于，所述针栓包括相连接的针栓身部(110)、针栓连接杆(120)以及针栓头部(130)，所述针栓头部(130)沿所述轴向凸出于所述轴套的出口端。

8.根据权利要求1-6任一项所述的针栓式喷注器，其特征在于，所述针栓式喷注器还包括喷注器壳体(300)；

所述喷注器壳体(300)与所述轴套之间形成环状的气体通道；所述气体通道用于提供轴向气流。

9.一种火箭发动机，其特征在于，包括：权利要求1-8任一项所述的针栓式喷注器。

10.一种火箭，其特征在于，包括：权利要求9所述的火箭发动机。

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