一種開槽同軸針栓式噴注器推力室的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種開槽同軸針栓式噴注器推力室。包括中心筒與殼體，中心筒與殼體之間還設(shè)置有內(nèi)套筒與外套筒；外套筒與殼體形成外圈通道及環(huán)形噴嘴；內(nèi)套筒與中心筒形成中心通道及徑向噴嘴；外套筒上端通過主彈簧和墊環(huán)與中心筒相連；內(nèi)套筒上端通過副彈簧和墊環(huán)與中心筒相連。本發(fā)明提供了一種高效率、成本低的開槽同軸針栓式噴注器推力室。
【專利說明】一種開槽同軸針栓式噴注器推力室

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于液體火箭發(fā)動機領(lǐng)域，涉及一種無液膜冷卻推力室，尤其涉及一種開槽同軸針栓式噴注器推力室。可用于大推力、高室壓、快響應(yīng)的液體火箭軌控發(fā)動機。

【背景技術(shù)】
[0002]在我國軍事航天器高速發(fā)展的形勢下，提高現(xiàn)有的液體軌控火箭發(fā)動機能力刻不容緩，這要求軌控發(fā)動機具備快響應(yīng)、高性能、輕質(zhì)化能力。由于技術(shù)難度大，目前國內(nèi)還未能開發(fā)出響應(yīng)時間小于30ms、推力萬牛級、推質(zhì)比大于500的常規(guī)液體軌控發(fā)動機。
[0003]傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機噴注器如直流式噴注器離心式噴注器及針栓式噴注器是應(yīng)用較早、較多的噴注形式，它依靠噴注器外圈采用專門的冷卻孔實現(xiàn)邊區(qū)的低溫控制，在兼顧穩(wěn)定性和冷卻的條件下，獲取合理的性能。在某些任務(wù)要求下，由于入口壓力和多次起動、響應(yīng)時間的限制，目前軌姿控液體火箭發(fā)動機普遍采用耐高溫鈮合金輻射冷卻方案，推力室身部最優(yōu)選擇仍然是輻射冷卻的鈮合金和陶瓷基復(fù)合材料身部。
[0004]對于輻射冷卻推力室而言，需要專門的液膜冷卻，將較高比例的液膜設(shè)置于近壁區(qū)，使得燃燒性能無法達到最高，另外起動時液膜冷卻腔需要充填和關(guān)機時殘留的推進劑慢慢流動，造成發(fā)動機響應(yīng)較差。傳統(tǒng)的針栓式噴注器外圈推進劑與內(nèi)圈推進劑以環(huán)形液膜的形式在針栓頂端進行撞擊、混合，這種噴注撞擊后空間混合區(qū)域較小，特別是在推進劑流量較大時，很難形成較好的徑向混合比分布，無法有效實現(xiàn)性能和冷卻的兼顧。
[0005]由于依靠噴注器既要組織高效燃燒，又要通過射流撞擊優(yōu)化達到可靠冷卻身部的目標，因而技術(shù)難度較大。為了實現(xiàn)目前軌控發(fā)動機大推力快響應(yīng)高性能的目標，開發(fā)了一種無專門冷卻的開槽噴注結(jié)構(gòu)的雙套筒“面關(guān)機”針栓式推力室結(jié)構(gòu)。采用雙套筒的燃料中心開槽方案使得中心推進劑以束狀射流與外圈推進劑液膜撞擊，不但增大燃料與氧化劑接觸面積，強化了射流局部穿透能力，使得部分束狀射流更容易穿透外圈液膜，形成空間上(徑向與軸向)的不同流強、混合比分布的參差相錯、射角不同的合成射流為能夠有效降低邊區(qū)溫度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種開槽同軸針栓式噴注器推力室。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種開槽同軸針栓式噴注器推力室，其特殊之處在于:包括中心筒與殼體，中心筒與殼體之間還設(shè)置有內(nèi)套筒與外套筒；
[0008]上述外套筒與殼體形成外圈通道及環(huán)形噴嘴；
[0009]上述內(nèi)套筒與中心筒形成中心通道及徑向噴嘴；
[0010]上述外套筒上端通過主彈簧和墊環(huán)與中心筒相連；
[0011]上述內(nèi)套筒上端通過副彈簧和墊環(huán)與中心筒相連；
[0012]上述中心筒下端設(shè)置有端頭槽口 ；端頭槽口由主槽和輔槽構(gòu)成；
[0013]上述主槽高度高于輔槽，輔槽寬度寬于主槽。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點是:1.本發(fā)明推力室由于采用無單獨液膜冷卻結(jié)構(gòu)，雙套筒獨立密封結(jié)構(gòu)，高剛度、大變形特型彈簧，結(jié)構(gòu)簡單，克服了傳統(tǒng)軌姿控發(fā)動機因單獨液膜冷卻帶來的響應(yīng)特性差，性能偏低的問題，實現(xiàn)了大推力發(fā)動機的快速響應(yīng)，響應(yīng)時間由原先的數(shù)百毫秒縮短至30ms。
[0015]2.本發(fā)明噴注器采用燃料中心開槽針栓式噴注形式，創(chuàng)新設(shè)計的新型高窄主槽結(jié)構(gòu)，使得中心推進劑以束狀射流與外圈推進劑液膜撞擊，不但增大燃料與氧化劑接觸面積，強化了射流局部穿透能力，使得部分束狀射流更容易穿透外圈液膜。通過矮寬輔槽優(yōu)化混合比分布，形成了空間上(徑向與軸向)的不同流強、混合比分布的參差相錯、射角不同的合成射流，從而使得燃燒性能大大提高，燃燒效率可達到0.97。
[0016]3.本發(fā)明采用新型的高窄主槽結(jié)構(gòu)，強化燃料射流，使得部分燃料穿透外圈氧化劑并冷卻內(nèi)壁，通過矮寬輔槽優(yōu)化混合比分布，以及設(shè)置帶角度的導(dǎo)向板，減小了撞擊后射流擊壁時的濺擊效應(yīng)，并使更多的富燃噴霧扇流下，有效控制了身部壁溫低于1300°C，實現(xiàn)了推力室長壽命可靠冷卻。
[0017]4.本發(fā)明噴注器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，加工零件數(shù)量少、工藝簡單，具有響應(yīng)快，效率高等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊，尤其適用于大推力、高室壓、快響應(yīng)的軌控發(fā)動機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明的推力室控制腔作動結(jié)構(gòu)原理圖；
[0020]圖3為本發(fā)明的噴注器外圈和中心流道/密封結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0021]圖4為本發(fā)明的中心筒端頭槽口徑向截面圖；
[0022]其中1-殼體、2-外套筒、3-液壓控制腔、4-內(nèi)套筒、5-主彈簧、6_副彈簧、7_中心筒、8-墊環(huán)、9-導(dǎo)流板、10-濺板、11-中心桿、12-中心通道、13-徑向噴嘴、14-外圈通道、15-環(huán)形噴嘴、16-端頭槽口、17-針栓頭。

【具體實施方式】
[0023]參見圖1-4，本發(fā)明是一種開槽同軸針栓式噴注器推力室，包括中心筒7與殼體1，中心筒7與殼體I之間還設(shè)置有內(nèi)套筒4與外套筒2 ;外套筒2與殼體I形成外圈通道14及環(huán)形噴嘴15 ;內(nèi)套筒4與中心筒7形成中心通道及徑向噴嘴；外套筒2上端通過主彈簧
5、墊環(huán)8與中心筒7相連；內(nèi)套筒4上端通過副彈簧6、墊環(huán)8與中心筒7相連；中心筒7下端設(shè)置有端頭槽口 16 ;端頭槽口 16由主槽和輔槽構(gòu)成；主槽高度高于輔槽，輔槽寬度寬于主槽。
[0024]圖1給出了本發(fā)明的一種無專門液膜冷卻的推力室結(jié)構(gòu)原理，圖2給出了噴注器作動控制起動和關(guān)機的結(jié)構(gòu)原理，圖3給出了推進劑噴注和密封的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4給出了中心元件端頭上開槽的排列示意圖，使本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員能夠理解實施本發(fā)明。
[0025]在圖1和圖2中，在“面關(guān)機”噴注器中設(shè)置高壓液體作動系統(tǒng)和高剛度大變形特型彈簧，雙套筒密封結(jié)構(gòu)，包括噴注器殼體I與外套筒2形成的液壓控制腔3，內(nèi)套筒4，主彈簧5，副彈簧6，中心筒7，用于調(diào)整預(yù)壓縮量的墊環(huán)8，用于調(diào)整外套筒2和內(nèi)套筒4的墊片，起動時高壓推進劑進入高壓腔，其作動力作用外套筒2向上運動，打開外套筒2和內(nèi)套筒4的密封處，兩路推進劑噴入燃燒室9，撞擊后在濺板10上形成低溫富燃射流冷卻身部。關(guān)機時，高壓腔關(guān)閉并排放，外套筒2和內(nèi)套筒4在彈簧力作用下向下運動并實現(xiàn)噴注面密封。
[0026]在圖3中，中心桿11和中心筒7形成中心通道12，實現(xiàn)了不同開槽結(jié)構(gòu)的徑向噴注，中心筒7下端加工成不同結(jié)構(gòu)的高窄主槽和矮寬輔槽，并與中心桿11構(gòu)成徑向噴嘴13，燃料通過中心通道12、徑向噴嘴13形成多股輻射狀的徑向射流，噴射入燃燒室9內(nèi)。內(nèi)套筒4的下端與中心桿11的平面在副彈簧6作用下形成中心平面密封處，采用的高剛度、大變形的特型彈簧滿足了大推力發(fā)動機噴注行程和噴孔密封。
[0027]在圖3中，在噴注器殼體I與外套筒2形成外圈通道14，該外圈通道14的出口與外套筒2構(gòu)成環(huán)形噴嘴15 (噴注面，也可在主彈簧4的作用下形成外圈錐面密封)，氧化劑通過外圈通道14流向環(huán)形噴嘴15噴入燃燒室9內(nèi)，沿外套筒2外型面形成沿軸向流動的環(huán)形射流，并以均勻的速度周向分布。
[0028]如圖3所示，本發(fā)明的外套筒2可以根據(jù)發(fā)動機所要求的推力大小設(shè)計不同的噴注直徑和噴注角度實現(xiàn)噴注面積的調(diào)整，中心筒7的端頭槽口 16可以根據(jù)發(fā)動機所要求的推力大小設(shè)計不同的高窄主槽和矮寬輔槽實現(xiàn)噴注面積的調(diào)整，滿足設(shè)計的噴注壓降(速度)。外套筒2和內(nèi)套筒4的運動由高液壓力的作用實現(xiàn)，本發(fā)明采用的是液壓力打開和彈簧力關(guān)閉的方式。
[0029]本發(fā)明的主彈簧5，副彈簧6可以根據(jù)所需的密封初始預(yù)緊力、預(yù)壓縮量及工作總行程進行設(shè)計，通過調(diào)整變形梁的寬度及厚度實現(xiàn)所需的彈簧剛度。
[0030]本發(fā)明的中心筒7的端頭槽口 16至少提供如下一種優(yōu)選實施例，在設(shè)計的推力范圍內(nèi)可按比例放大，達到的性能基本上與推力無關(guān)。在做大的尺寸變化時(即大推力設(shè)計)，只需要做最小的改變就能達到所要求的性能和室壁相容性，實現(xiàn)推力室在未設(shè)置專門的液膜條件下的可靠邊區(qū)冷卻。
[0031]本發(fā)明的中心桿11的端頭安裝有帶抗氧化涂層的鈮合金材料的針栓頭17可以抵抗高溫回流燃氣，
[0032]實施例一
[0033]如圖1、圖4所示的中心筒7是實施方案的關(guān)鍵零件之一，中心筒7的端頭槽口 16為間隔均勻、大小不同、交錯排列的T型槽和矩形槽，其T型槽13為主槽，矩形槽14為輔槽，從徑向噴嘴13噴出多股輻射狀徑向射流與環(huán)形噴嘴15噴出的軸向外圈環(huán)形液膜的撞擊，保證兩股推進劑撞擊后形成良好的有較大梯度的徑向混合比分布，既提高效率又能實現(xiàn)穿透的部分燃料充分冷卻身部。部分射流在撞擊點擊壁后，沿著濺板9表面流動。槽口設(shè)計根據(jù)阻塞率、輔槽比例和槽數(shù)、噴注壓降比(或動量比)、針栓直徑等進行優(yōu)化。
[0034]實施例二
[0035]主彈簧5，副彈簧6是實施方案的關(guān)鍵零件之一，采用65Mn彈簧鋼經(jīng)熱處理、線切害I]、表面處理及強壓處理等過程，滿足設(shè)計要求的高彈簧剛度及大壓縮量。關(guān)機時，依靠預(yù)壓縮的預(yù)緊力使得外套筒2和內(nèi)套筒4處于密封狀態(tài)。
[0036]實施例三
[0037]如圖1、圖4所示，中心筒7的端頭槽口 16為間隔均勻、大小不同、交錯排列的T型槽和矩形槽，其T型槽13為主槽，矩形槽14為輔槽，從徑向噴嘴13噴出多股輻射狀徑向射流與環(huán)形噴嘴15噴出的軸向外圈環(huán)形液膜的撞擊，保證兩股推進劑撞擊后形成良好的有較大梯度的徑向混合比分布，既提高效率又能實現(xiàn)穿透的部分燃料充分冷卻身部。部分射流在撞擊點擊壁后，沿著濺板9表面流動。
[0038]本實施例的上述描述和附圖代表了本發(fā)明的優(yōu)選方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)不同的設(shè)計要求和設(shè)計參數(shù)在不偏離本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍內(nèi)進行各種增補、改進和更換，因此，本發(fā)明是廣泛的。
【權(quán)利要求】
1.一種開槽同軸針栓式噴注器推力室，其特征在于:包括中心筒與殼體，中心筒與殼體之間還設(shè)置有內(nèi)套筒與外套筒； 所述外套筒與殼體形成外圈通道及環(huán)形噴嘴； 所述內(nèi)套筒與中心筒形成中心通道及徑向噴嘴； 所述外套筒上端通過主彈簧和墊環(huán)與中心筒相連； 所述內(nèi)套筒上端通過副彈簧和墊環(huán)與中心筒相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開槽同軸針栓式噴注器推力室，其特征在于:所述中心筒下端設(shè)置有端頭槽口 ；端頭槽口由主槽和輔槽構(gòu)成；所述主槽高度高于輔槽，輔槽寬度寬于主槽。
【文檔編號】F02K9/52GK104234870SQ201410264384
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】凌前程, 高坤, 林革, 李軍, 劉新華, 章榮軍, 宋大亮, 種衡陽, 劉永興, 豐雪平 申請人:中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所