一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ业闹谱鞣椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ摇０ㄖ行耐才c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(guò)主彈簧和墊環(huán)與中心筒相連；內(nèi)套筒上端通過(guò)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(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ摇?br> 【專利說(shuō)明】一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，涉及一種無(wú)液膜冷卻推力室，尤其涉及一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ??？捎糜诖笸屏?、高室壓、快響?yīng)的液體火箭軌控發(fā)動(dòng)機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]在我國(guó)軍事航天器高速發(fā)展的形勢(shì)下，提高現(xiàn)有的液體軌控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能力刻不容緩，這要求軌控發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)內(nèi)還未能開(kāi)發(fā)出響應(yīng)時(shí)間小于30ms、推力萬(wàn)牛級(jí)、推質(zhì)比大于500的常規(guī)液體軌控發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0003]傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器如直流式噴注器離心式噴注器及針?biāo)ㄊ絿娮⑵魇菓?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(shí)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(dòng)、響應(yīng)時(shí)間的限制，目前軌姿控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(wú)法達(dá)到最高，另外起動(dòng)時(shí)液膜冷卻腔需要充填和關(guān)機(jī)時(shí)殘留的推進(jìn)劑慢慢流動(dòng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)較差。傳統(tǒng)的針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍馊ν七M(jìn)劑與內(nèi)圈推進(jìn)劑以環(huán)形液膜的形式在針?biāo)敹诉M(jìn)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(jìn)劑流量較大時(shí)，很難形成較好的徑向混合比分布，無(wú)法有效實(shí)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(guò)射流撞擊優(yōu)化達(dá)到可靠冷卻身部的目標(biāo)，因而技術(shù)難度較大。為了實(shí)現(xiàn)目前軌控發(fā)動(dòng)機(jī)大推力快響應(yīng)高性能的目標(biāo)，開(kāi)發(fā)了一種無(wú)專門冷卻的開(kāi)槽噴注結(jié)構(gòu)的雙套筒“面關(guān)機(jī)”針?biāo)ㄊ酵屏κ医Y(jié)構(gòu)。采用雙套筒的燃料中心開(kāi)槽方案使得中心推進(jìn)劑以束狀射流與外圈推進(jìn)劑液膜撞擊，不但增大燃料與氧化劑接觸面積，強(qiáng)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(qiáng)、混合比分布的參差相錯(cuò)、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(wèn)題，本發(fā)明提出了一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ摇?br> [0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ遥涮厥庵幵谟?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(guò)主彈簧和墊環(huán)與中心筒相連；
[0011]上述內(nèi)套筒上端通過(guò)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(diǎn)是:1.本發(fā)明推力室由于采用無(wú)單獨(dú)液膜冷卻結(jié)構(gòu)，雙套筒獨(dú)立密封結(jié)構(gòu)，高剛度、大變形特型彈簧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，克服了傳統(tǒng)軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)因單獨(dú)液膜冷卻帶來(lái)的響應(yīng)特性差，性能偏低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)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(kāi)槽針?biāo)ㄊ絿娮⑿问?，?chuàng)新設(shè)計(jì)的新型高窄主槽結(jié)構(gòu)，使得中心推進(jìn)劑以束狀射流與外圈推進(jìn)劑液膜撞擊，不但增大燃料與氧化劑接觸面積，強(qiáng)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(guò)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(qiáng)、混合比分布的參差相錯(cuò)、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(dá)到0.97。
[0016]3.本發(fā)明采用新型的高窄主槽結(jié)構(gòu)，強(qiáng)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(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)了推力室長(zhǎng)壽命可靠冷卻。
[0017]4.本發(fā)明噴注器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，加工零件數(shù)量少、工藝簡(jiǎn)單，具有響應(yīng)快，效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)機(jī)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(dòng)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?biāo)^。

【具體實(shí)施方式】
[0023]參見(jiàn)圖1-4，本發(fā)明是一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ?，包括中心?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(guò)主彈簧
5、墊環(huán)8與中心筒7相連；內(nèi)套筒4上端通過(guò)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(wú)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(dòng)控制起動(dòng)和關(guān)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，圖3給出了推進(jìn)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(kāi)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(shí)施本發(fā)明。
[0025]在圖1和圖2中，在“面關(guān)機(jī)”噴注器中設(shè)置高壓液體作動(dòng)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(dòng)時(shí)高壓推進(jìn)劑進(jìn)入高壓腔，其作動(dòng)力作用外套筒2向上運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)外套筒2和內(nèi)套筒4的密封處，兩路推進(jìn)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(jī)時(shí)，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(yùn)動(dòng)并實(shí)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(shí)現(xiàn)了不同開(kāi)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(guò)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(dòng)機(jī)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(guò)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(dòng)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(dòng)機(jī)所要求的推力大小設(shè)計(jì)不同的噴注直徑和噴注角度實(shí)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(dòng)機(jī)所要求的推力大小設(shè)計(jì)不同的高窄主槽和矮寬輔槽實(shí)現(xiàn)噴注面積的調(diào)整，滿足設(shè)計(jì)的噴注壓降(速度)。外套筒2和內(nèi)套筒4的運(yùn)動(dòng)由高液壓力的作用實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明采用的是液壓力打開(kāi)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(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整變形梁的寬度及厚度實(shí)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(shí)施例，在設(shè)計(jì)的推力范圍內(nèi)可按比例放大，達(dá)到的性能基本上與推力無(wú)關(guān)。在做大的尺寸變化時(shí)(即大推力設(shè)計(jì))，只需要做最小的改變就能達(dá)到所要求的性能和室壁相容性，實(shí)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?biāo)^17可以抵抗高溫回流燃?xì)猓?br> [0032]實(shí)施例一
[0033]如圖1、圖4所示的中心筒7是實(shí)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(cuò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)穿透的部分燃料充分冷卻身部。部分射流在撞擊點(diǎn)擊壁后，沿著濺板9表面流動(dòng)。槽口設(shè)計(jì)根據(jù)阻塞率、輔槽比例和槽數(shù)、噴注壓降比(或動(dòng)量比)、針?biāo)ㄖ睆降冗M(jìn)行優(yōu)化。
[0034]實(shí)施例二
[0035]主彈簧5，副彈簧6是實(shí)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(qiáng)壓處理等過(guò)程，滿足設(shè)計(jì)要求的高彈簧剛度及大壓縮量。關(guān)機(jī)時(shí)，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(shí)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(cuò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)穿透的部分燃料充分冷卻身部。部分射流在撞擊點(diǎn)擊壁后，沿著濺板9表面流動(dòng)。
[0038]本實(shí)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(jì)要求和設(shè)計(jì)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(jìn)行各種增補(bǔ)、改進(jìn)和更換，因此，本發(fā)明是廣泛的。
【權(quán)利要求】
1.一種開(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ遥涮卣髟谟?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(guò)主彈簧和墊環(huán)與中心筒相連； 所述內(nèi)套筒上端通過(guò)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(kāi)槽同軸針?biāo)ㄊ絿娮⑵魍屏κ遥涮卣髟谟?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(hào)】F02K9/52GK104234870SQ201410264384
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)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(yáng), 劉永興, 豐雪平 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第六研究院第十一研究所