CN109798202B - 一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器 - Google Patents

Abstract

一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器。本发明组成包括：底板、外筒、燃料喷嘴、氧化剂喷嘴、顶盖和电嘴，外筒与顶盖连接，外筒具有中心轴，中心轴与外筒筒壁之间通过环形横板连接，环形横板将外筒内腔分为上腔和下腔，下腔的侧壁上设置燃料通孔；下腔的底部连接底板，底板上均匀设置多个燃料喷嘴固定孔，环形横板上均匀设置多个氧化剂喷嘴固定孔，氧化剂喷嘴固定孔与燃料喷嘴固定孔的位置一一对应，燃料喷嘴和氧化剂喷嘴相适应的连接在每一对燃料喷嘴固定孔和氧化剂喷嘴固定孔之间；上腔部分的中心轴侧壁上均匀设置氧化剂通孔，下腔部分的中心轴侧壁上均匀设置一组上燃料通孔与一组下燃料通孔。本发明适用于双组元液体火箭发动机，将电点火器与喷注器集于一体，实现了系统简化设计。

Description

一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器

技术领域：

本发明涉及一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器。

背景技术：

火箭发动机的发展方向是简化结构以提高发动机可靠性，同时保证发动机性能。

传统火箭发动机的喷注器负责组织氧化剂与燃料的混合，电点火器作为一个组件，通过螺栓或者焊接等方式固定于喷注器上，电点火器产生的高能燃气通过喷注器中心预留的点火孔点燃氧化剂与燃料。

传统火箭发动机的电点火器为一个独立的组件，通常由数个零件通过螺栓与焊接等方式连接组成，单独供应的氧化剂与燃料经电嘴点燃后形成火炬，实现高能点火，其氧化剂与燃料需要额外的管路与阀门进行控制，结构相对复杂。

此外，由于传统火箭发动机电点火器单独供应的氧化剂与燃料受限于气瓶大小与重量等因素，导致电点火器不能长时间工作，对于某些火箭发动机在空间的多次起动是不利的。

发明内容：

本发明的目的是针对现有电点火器结构复杂，氧化剂与燃料需要单独供应，不能长时间可靠工作的问题，提供一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其组成包括：底板、外筒、燃料喷嘴、氧化剂喷嘴、顶盖和电嘴，所述的外筒与顶盖连接，所述外筒具有中心轴，中心轴与外筒筒壁之间通过环形横板连接，环形横板将外筒内腔分为上腔和下腔，下腔的侧壁上设置燃料通孔；

所述下腔的底部连接底板，底板上均匀设置多个燃料喷嘴固定孔，环形横板上均匀设置多个氧化剂喷嘴固定孔，氧化剂喷嘴固定孔与燃料喷嘴固定孔的位置一一对应，燃料喷嘴和氧化剂喷嘴相适应的连接在每一对燃料喷嘴固定孔和氧化剂喷嘴固定孔之间，并在燃料喷嘴内壁和氧化剂喷嘴外壁之间形成燃料环形通道；

所述中心轴上设置中心轴向孔，所述中心轴上方与电嘴连接，上腔部分的中心轴侧壁上均匀设置氧化剂通孔，下腔部分的中心轴侧壁上均匀设置一组上燃料通孔与一组下燃料通孔。

所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，所述顶盖设置氧化剂进入孔。

所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，所述燃料喷嘴呈圆筒形，燃料喷嘴的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个径向燃料入口。

所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，所述氧化剂喷嘴设置中心轴向孔。

所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，所述底板和外筒之间通过氩弧焊、电子束焊或钎焊等方式连接，外筒和顶盖之间通过氩弧焊、电子束焊或钎焊等方式连接，外筒和电嘴之间通过螺纹方式连接。

所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，所述燃料喷嘴和底板之间通过螺纹或焊接方式连接，氧化剂喷嘴和外筒之间通过螺纹或焊接方式连接，燃料喷嘴和氧化剂喷嘴之间通过钎焊方式连接。

本发明的有益效果：

本发明适用于双组元液体火箭发动机，它以外筒为一体化设计的基础，通过外筒与底板的结合，为燃料喷嘴和氧化剂喷嘴提供安放固定的空间。通过上腔部分中心轴的氧化剂流通孔与下腔部分中心轴的燃料流通孔实现对电点火器工作所必需的氧化剂与燃料的供应，在电嘴的作用下实现对氧化剂与燃料的点燃，实现了电点火器与喷注器的一体化设计。

本发明所述喷注器的结构，在简化了电点火器结构的基础上，实现了系统简化设计，相比于传统的电点火器，不再需要额外的氧化剂与燃料供应管路与阀门，提高了系统可靠性。

本发明所述喷注器的结构，在电嘴附近的氧化剂占比较大，有利于点燃电点火器的氧化剂与燃料，同时燃气温度相对较低，有利于保护外筒中心轴材料；部分燃料通过在下腔部分中心轴靠近底部的燃料流通孔进入点火通道，与富氧的燃气燃烧，从而实现点火燃气能量的进一步升高。

本发明在简化电点火器结构，将电点火器与喷注器集于一体，实现了系统简化设计，省去了额外的电点火器所用氧化剂与燃料供应管路与阀门。精简系统设计的基础上，实现了点火能量的提高，同时可以长时间工作，为发动机的可靠工作提供保障。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是附图1的俯视图。

附图3是本发明底板的结构示意图。

附图4是附图3的俯视图。

附图5是本发明外筒的结构示意图。

附图6是附图5的俯视图。

附图7是本发明燃料喷嘴的结构示意图。

附图8是本发明氧化剂喷嘴的结构示意图。

附图9是本发明顶盖的结构示意图。

附图10是附图9的俯视图。

附图11是本发明电嘴的结构示意图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本发明提供了一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，结合附图1至附图11所示，包括：底板1、外筒2、燃料喷嘴3、氧化剂喷嘴4、顶盖5和电嘴6，所述外筒2具有中心轴201，中心轴201与外筒2筒壁之间通过环形横板202连接，环形横板202将外筒2内腔分为上腔和下腔；所述下腔的侧壁上设置燃料孔203，下腔的底部连接底板1；

底板1上均匀设置多个燃料喷嘴固定孔101，环形横板202上均匀设置多个氧化剂喷嘴固定孔204，氧化剂喷嘴固定孔204与燃料喷嘴固定孔101的位置一一对应；燃料喷嘴3和氧化剂喷嘴4相适应的连接在每一对燃料喷嘴固定孔101和氧化剂喷嘴固定孔204之间；并在燃料喷嘴3内壁和氧化剂喷嘴4外壁之间形成燃料环形通道；

所述氧化剂喷嘴固定孔204与燃料喷嘴固定孔101的个数相同，位置一一对应，用于对应连接燃料喷嘴3与氧化剂喷嘴4，简化了喷嘴的装配。以燃料喷嘴固定孔101为例，燃料喷嘴固定孔101在底板1上沿径向和圆周向均匀分布，如图4所示。

作为示例，所述底板1的厚度可以为2-8mm，燃料喷嘴固定孔101数目可以为4-360个，在底板1上形成多圈的均匀分布。燃料喷嘴固定孔101的孔径大小与燃料喷嘴3相适应。

作为示例，所述燃料孔203均匀分布在外筒2的筒壁上，其孔径可以为Φ4mm-Φ40mm，孔数可以为1-4个。

作为示例，所述氧化剂喷嘴固定孔204的个数与燃料喷嘴固定孔101相同，也可以为4-360个。氧化剂喷嘴固定孔204的孔径大小与氧化剂喷嘴4相适应。

作为示例，所述环形横板202可通过中心孔与中心轴201焊接固定；环形横板202与外筒2筒壁之间也可以采用焊接固定。所述焊接固定包括电子束及氩弧焊等焊接固定方式。

作为示例，所述燃料喷嘴固定孔101与燃料喷嘴3之间可以采用螺纹或焊接方式固定，所述焊接方式包括电子束及钎焊等焊接方式。氧化剂喷嘴固定孔204与氧化剂喷嘴4之间也可以采用螺纹或焊接方式固定，所述焊接方式包括电子束及钎焊等焊接方式。

本实施方式中，部分氧化剂通过外筒2上腔部分的中心轴侧壁通孔206进入中心轴向孔205，部分燃料通过外筒2下腔部分的中心轴侧壁上燃料通孔207进入中心轴向孔205，通过电嘴6点燃此部分氧化剂与燃料；部分燃料通过外筒2下腔部分的中心轴侧壁下燃料通孔208进入中心轴向孔205，与富氧的燃气燃烧，从而实现点火燃气能量的进一步升高。

作为示例，外筒2上腔部分的中心轴侧壁的氧化剂通孔206的个数为3~8，孔径为0.5mm~2mm。

作为示例，外筒2下腔部分的中心轴侧壁的上燃料通孔207的个数为为3~8，孔径为0.5mm~2mm。

作为示例，外筒2下腔部分的中心轴侧壁的下燃料通孔208的个数为为3~8，孔径为0.5mm~2mm。

进一步，结合图5所示，所述中心轴201上设置中心轴向孔205。

所述中心轴向孔205用于提供电点火器的点火通道。

作为示例，所述中心轴向孔205的孔径可以为Φ4mm-Φ20mm。

再进一步，结合图7所示，所述燃料喷嘴3呈圆筒形，燃料喷嘴3的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个径向燃料入口301。燃料由燃料通孔203进入外筒2的下腔，再通过径向燃料入口301进入到燃料环形通道，由于燃料环形通道的空间狭小，可实现燃料由燃料喷嘴3出口的高速喷出。

作为示例，所述径向燃料入口301的孔径可以为Φ1-Φ4mm，径向燃料入口301沿圆周方向设置3-60个。

再进一步，结合图8所示，所述氧化剂喷嘴4具有周向通孔，同于通过氧化剂。

作为示例，所述氧化剂喷嘴4轴向通孔401的孔径可以为Φ0.5-Φ6mm；

作为示例，结合图1所示，所述燃料喷嘴3和氧化剂喷嘴4之间通过钎焊等方式进行连接。

基于所述的一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，液体火箭发动机的喷注方法为：

由燃料通孔203向所述下腔通入燃料，燃料经径向燃料入口301进入到燃料喷嘴3与氧化剂喷嘴4之间的燃料环形通道，由燃料喷嘴3高速喷出；氧化剂通过氧化剂喷嘴4轴向通孔401进行喷出；氧化剂在燃料喷嘴3高速喷出的燃料带动下，进一步雾化，并与燃料相混合。

通过上腔部分中心轴的氧化剂流通孔206与下腔部分中心轴的上燃料通孔207与下燃料通孔208实现对电点火器工作所必需的氧化剂与燃料的供应，在电嘴的作用下点燃氧化剂与燃料。电嘴附近氧化剂占比较大，有利于点燃氧化剂与燃料，燃气温度相对较低，可以保护外筒中心轴材料；部分燃料通过在下腔部分中心轴靠近底部的下燃料通孔208进入点火通道，与富氧燃气燃烧，从而实现点火燃气能量的进一步升高，同时保证了长时间稳定工作，为发动机的可靠工作提供保障。

氧化剂与燃料的混合物经本发明所述喷注器喷注后，在一体化设计的电点火器产生的高能燃气的带动下在推力室内部进行燃烧，形成高温高压燃气，最后经收缩-扩张的拉瓦尔喷管高速喷出。

本发明适用于高性能双组元液体火箭发动机，例如液氧煤油、液氧甲烷、液氧液氢、四氧化二氮偏二甲肼等火箭发动机。其中，所述氧化剂包括液氧或四氧化二氮；燃料包括氢、甲烷或偏二甲肼。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (6)

1.一种集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其组成包括：底板（1）、外筒（2）、燃料喷嘴（3）、氧化剂喷嘴（4）、顶盖（5）和电嘴（6），其特征是：所述外筒（2）具有中心轴（201），中心轴（201）与外筒（2）筒壁之间通过环形横板（202）连接，环形横板（202）将外筒（2）内腔分为上腔和下腔，下腔的侧壁上设置燃料通孔（203）；

所述下腔的底部连接底板（1），底板（1）上均匀设置多个燃料喷嘴固定孔（101），环形横板（202）上均匀设置多个氧化剂喷嘴固定孔（204），氧化剂喷嘴固定孔（204）与燃料喷嘴固定孔（101）的位置一一对应，燃料喷嘴（3）和氧化剂喷嘴（4）相适应的连接在每一对燃料喷嘴固定孔（101）和氧化剂喷嘴固定孔（204）之间，并在燃料喷嘴（3）内壁和氧化剂喷嘴（4）外壁之间形成燃料环形通道；

所述中心轴（201）上设置中心轴向孔（205），所述中心轴（201）上方与电嘴（6）连接，上腔部分的中心轴侧壁上均匀设置氧化剂通孔（206），下腔部分的中心轴侧壁上均匀设置一组上燃料通孔（207）与一组下燃料通孔（208）。

2.根据权利要求1所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其特征是：所述顶盖（5）设置氧化剂进入孔（501）。

3.根据权利要求2所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其特征是：所述燃料喷嘴（3）呈圆筒形，燃料喷嘴（3）的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个径向燃料入口（301）。

4.根据权利要求1或2或3所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其特征是：所述氧化剂喷嘴（4）设置中心轴向孔（401）。

5.根据权利要求4所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其特征是：所述底板（1）和外筒（2）之间通过氩弧焊、电子束焊或钎焊连接，外筒（2）和顶盖（5）之间通过氩弧焊、电子束焊或钎焊连接，外筒（2）和电嘴（6）之间通过螺纹方式连接。

6.根据权利要求5所述的集电点火器于一体的液体火箭发动机喷注器，其特征是：所述燃料喷嘴（3）和底板（1）之间通过螺纹或焊接方式连接，氧化剂喷嘴（4）和外筒（2）之间通过螺纹或焊接方式连接，燃料喷嘴（3）和氧化剂喷嘴（4）之间通过钎焊方式连接。