CN115853677A - 一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，包括喷嘴叶栅、排气部和涡轮盘，燃烧室内的燃气通过喷嘴叶栅经第一通道喷出，并穿过涡轮盘上的第二通道后进入导流叶栅，带动涡轮盘旋转并输出旋转动力的同时穿过导流叶栅进入喷嘴，燃气在引导面的作用下膨胀产生推力，经过喷嘴后流动速度急剧增大，压力降低，排气部上的引导面将喷嘴的膨胀面积比继续增大，将流出喷嘴的燃气继续加速提高推力，取代传统排气管结构，简化结构复杂程度，降低结构重量，可减小液体火箭发动机整体的结构尺寸及重量，有助于提高液体火箭发动机在不同飞行段的推力和比冲性能，从而提高火箭的运载能力。

Description

一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构

技术领域

本申请涉及液体火箭发动机技术领域，特别涉及一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构。

背景技术

在这一部分中提供的信息是为了一般地呈现本公开的背景的目的。在本部分中描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在提交时可能不构成现有技术的描述的各方面，既不明示地也不暗示地被认为是本公开的现有技术。

涡轮废气排气装置是燃气发生器循环液体火箭发动机的一个重要组件，其作用为将对涡轮做功后的高温燃气经涡轮废气排气管排出并产生一部分推力，以减小发动机的比冲损失。推力和比冲是液体火箭发动机的主要性能指标，尤其是对于真空型发动机，发动机的真空比冲直接决定了火箭的运载能力。

传统液体火箭发动机涡轮废气排气管为固定膨胀比且受结构空间限制膨胀比往往较小，这样就造成了排气管产生的推力较小且随着发动机工作高度的变化其比冲损失也为一个变量，且结构尺寸通常较大、比较笨重，这些都是传统液体火箭发动机涡轮废气排气装置的不足之处。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请提供一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，以解决现有技术中涡轮废气排气装置的结构大、重量重以及比冲损失大的问题。

本申请的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其包括：

喷嘴叶栅，所述喷嘴叶栅用于与涡轮进气集合器连接，且所述喷嘴叶栅上设有多个与所述涡轮进气集合器连通的第一通道；

排气部，所述排气部固定连接在所述喷嘴叶栅远离所述涡轮进气集合器的一侧，所述排气部上设有多个喷嘴，所述喷嘴一侧设有多个用于引导燃气进入的导流叶栅，所述喷嘴的中心线与所述排气部的中心线远离所述喷嘴叶栅的一侧具有交点并形成夹角，所述夹角为锐角，所述喷嘴靠近所述排气部中心线的一侧边沿设有引导面，且沿燃气喷出方向，所述引导面与所述排气部中心线之间的距离呈减小趋势；

涡轮盘，所述涡轮盘可转动的设在所述喷嘴叶栅与所述排气部之间，且所述涡轮盘上设有多个可与所述第一通道对应的第二通道。

进一步地，所述涡轮盘与所述喷嘴叶栅同轴设置。

进一步地，所述涡轮盘上套设有挡块，所述挡块抵持在所述涡轮盘与所述喷嘴叶栅之间。

进一步地，所述引导面为锥形型面。

进一步地，所述引导面为抛物线形面。

进一步地，所述排气部与所述喷嘴叶栅之间通过可拆卸的连接件固定。

进一步地，所述连接件为相互配合的螺母和螺栓。

进一步地，所述排气部与所述喷嘴叶栅之间设有密封圈。

进一步地，所述喷嘴为间隔布置的拉瓦尔喷管结构。

进一步地，所述喷嘴为与所述排气部同布置的环形喷嘴。

与现有技术相比，本申请的优点在于：

本申请通过在燃烧室一侧设置喷嘴叶栅，喷嘴叶栅上设有多个与涡轮进气集合器连通的第一通道，在喷嘴叶栅另一侧设置排气部，排气部上设有多个喷嘴，喷嘴一侧设有多个导流叶栅，喷嘴的中心线与排气部的中心线远离喷嘴叶栅的一侧具有交点并形成夹角，该夹角为锐角，喷嘴靠近排气部中心线的一侧边沿设有引导面，且沿燃气喷出方向，引导面与排气部中心线之间的距离呈减小趋势，在喷嘴叶栅与排气部之间可转动的设有涡轮盘，且涡轮盘上设有多个可与第一通道对应的第二通道，涡轮进气集合器内的燃气通过经第一通道喷出，并穿过涡轮盘上的第二通道后进入导流叶栅，带动涡轮盘旋转并输出旋转动力的同时穿过导流叶栅进入喷嘴，最后喷出喷嘴后的燃气在引导面的作用下，继续膨胀产生推力，燃气经过喷嘴后流动速度急剧增大，压力降低，排气部上的引导面将喷嘴的膨胀面积比继续增大，将流出喷嘴的燃气继续加速，进而在较小的空间里可大幅增大排气膨胀比，并在排气部远离喷嘴叶栅一侧的端面额外产生部分推力，从而大幅提高推力，取代传统排气管结构，简化结构复杂程度，降低结构重量，可减小液体火箭发动机整体的结构尺寸及重量，有助于提高液体火箭发动机在不同飞行段的推力和比冲性能，从而提高火箭的运载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的涡轮废气排气结构的剖示图；

图2为本申请实施例提供的涡轮废气排气结构的侧视图；

图中：1、喷嘴叶栅；11、第一通道；2、排气部；21、喷嘴；22、导流叶栅；23、引导面；3、涡轮盘；31、第二通道；4、挡块；51、螺母；52、螺栓；6、密封圈。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

如图1-2所示，一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，可应用于液氧液氢、液氧煤油或液氧甲烷等推进剂的液体火箭发动机，其包括喷嘴叶栅1、排气部2和涡轮盘3，其中：

所述喷嘴叶栅1用于与涡轮进气集合器连接，且所述喷嘴叶栅1上设有多个与所述涡轮进气集合器连通的第一通道11，该喷嘴叶栅1的第一通道11可以是通过多个片状结构形成的第一通道11，以用于涡轮进气集合器内燃气喷出的时候，第一通道11将燃气引导排出。

如图1所示，所述排气部2固定连接在所述喷嘴叶栅1远离所述涡轮进气集合器的一侧，所述排气部2上设有多个喷嘴21，所述喷嘴21一侧设有多个用于引导燃气进入的导流叶栅22，所述喷嘴21的中心线与所述排气部2的中心线远离所述喷嘴叶栅1的一侧具有交点并形成夹角，所述夹角为锐角，也就是说，进入到喷嘴21内的燃气在喷嘴21的布置方向引导下，以一定的角度进行喷出，且喷吹内燃气的喷出方向与排气部2整体的中心线之间形成锐角的夹角，并通过喷嘴21的中心线与所述排气部2的中心线远离所述喷嘴叶栅1的一侧具有交点约束燃气喷出的方向，相对于排气部2来说，喷嘴21处喷出的燃气以排气部2中心线来说为聚拢状态，如图1所示，所述喷嘴21的中心线与所述排气部2的中心线远离所述喷嘴叶栅1的一侧具有交点并形成夹角，就是图中L1与L2在远离涡轮进气集合器的一侧形成的夹角。

所述喷嘴21靠近所述排气部2中心线的一侧边沿设有引导面23，且沿燃气喷出方向，所述引导面23与所述排气部2中心线之间的距离呈减小趋势，在上述喷嘴21处喷出的燃气以排气部2中心线来说为聚拢状态的前提下，喷嘴21内喷出的燃气在膨胀的过程，对该引导面23形成推动作用力，对于排气部2上的喷嘴21来说，只有一侧设置有引导面23，喷嘴21的另一侧直接是飞行环境，燃气流出排气部2的压力始终与环境大气压力相同，因而排气部2的比冲损失不因发动机工作高度的变化而变化，既有利于提高液体火箭发动机在不同飞行段的推力和比冲性能，又提高飞行可靠性。

所述涡轮盘3可转动的设在所述喷嘴叶栅1与所述排气部2之间，且所述涡轮盘3上设有多个可与所述第一通道11对应的第二通道31，燃气穿过第一通道11后，通过第二通道31进行喷出，并在燃气穿过第二通道31的时候，燃气带动涡轮盘3转动，涡轮盘3可以将旋转动力输出，可以用于其他机构工作的动力源。

本实施例的工作原理是：通过在涡轮进气集合器一侧设置喷嘴叶栅1，喷嘴叶栅1上设有多个与涡轮进气集合器连通的第一通道11，在喷嘴叶栅1另一侧设置排气部2，排气部2上设有多个喷嘴21，喷嘴21一侧设有多个导流叶栅22，喷嘴21的中心线与排气部2的中心线远离喷嘴叶栅1的一侧具有交点并形成夹角，该夹角为锐角，喷嘴21靠近排气部2中心线的一侧边沿设有引导面23，且沿燃气喷出方向，引导面23与排气部2中心线之间的距离呈减小趋势，在喷嘴叶栅1与排气部2之间可转动的设有涡轮盘3，且涡轮盘3上设有多个可与第一通道11对应的第二通道31，涡轮进气集合器内的燃气通过经第一通道11喷出，并穿过涡轮盘3上的第二通道31后进入导流叶栅22，带动涡轮盘3旋转并输出旋转动力的同时穿过导流叶栅22进入喷嘴21，最后喷出喷嘴21后的燃气在引导面23的作用下，继续膨胀产生推力，燃气经过喷嘴21后流动速度急剧增大，压力降低，排气部2上的引导面23将喷嘴21的膨胀面积比继续增大，将流出喷嘴21的燃气继续加速，进而在较小的空间里可大幅增大排气膨胀比，并在排气部远离喷嘴叶栅1一侧的端面额外产生部分推力，从而大幅提高推力，取代传统排气管结构，简化结构复杂程度，降低结构重量，可减小液体火箭发动机整体的结构尺寸及重量，有助于提高液体火箭发动机在不同飞行段的推力和比冲性能，从而提高火箭的运载能力。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述涡轮盘3与所述喷嘴叶栅1同轴设置，涡轮盘3与喷嘴叶栅1同轴设置保持了第一通道11与第二通道31的对应精准性，可以提高燃气穿过时的顺畅性以及对燃气的利用效果，避免不必要的做功浪费。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述涡轮盘3上套设有挡块4，所述挡块4抵持在所述涡轮盘3与所述喷嘴叶栅1之间，挡块4的设置可以保持涡轮盘3在转动的时候，其中心线始终与喷嘴叶栅1保持重合，避免了涡轮盘3转动时产生的震动以及与喷嘴叶栅1出现的撞击，提高整体作业时的稳定性。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述引导面23为锥形型面，保持引导面23的加工便捷性，同时由喷嘴21喷出的燃气在膨胀过程中可以快速的引导面23上形成推动作用力。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述引导面23为抛物线形面，由喷嘴21喷出的燃气在膨胀过程中，在引导面23上形成推动作用力，并得益于抛物线形面的引导面23，有效的提高引导面23区域内燃气的推动效果，更大程度的利用燃气膨胀产生的推力，提高推力和比冲性能。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述排气部2在远离所述喷嘴叶栅1的一侧端面为平端面，并得益于排气部2的平端面，流出引导面23的燃气在平端面额外产生部分推力。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述排气部2与所述喷嘴叶栅1之间通过可拆卸的连接件固定，便于拆装以及部件之间相对独立的进行更换维护。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述连接件为相互配合的螺母51和螺栓52，既保持了可拆卸的便捷性，又可以形成稳定的装配连接关系。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述排气部2与所述喷嘴叶栅1之间设有密封圈6，燃烧产生的燃气可以更完全的通过排气部2引导，避免在不同抖动工况中产生间隙而导致燃气外泄，进而避免推力和比冲性能的损失。

进一步地，在上述实施例的基础上，所述喷嘴21为间隔布置的拉瓦尔喷管结构，将喷嘴21进行多个且间隔的布置，且设置为拉瓦尔喷管结构，拉瓦尔喷管结构是中间设置窄喉，窄喉之后由小变大向外扩张，可使燃气的速度因喷截面积的变化而变化，使燃气从亚音速到音速，直至加速至超音速，以获得更好的推力和比冲性能。

如图2所示，进一步地，在上述实施例的基础上，所述喷嘴21为与所述排气部2同布置的环形喷嘴21，直接设置成一个连续的环形结构，可以获得更轻的整体质量，且环形喷嘴21的截面通道也可以设置为拉瓦尔喷管形状。

应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元，并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该公开产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。

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”、“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。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

Claims (10)

1.一种液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于，其包括：

喷嘴叶栅，所述喷嘴叶栅用于与涡轮进气集合器连接，且所述喷嘴叶栅上设有多个与所述涡轮进气集合器连通的第一通道；

排气部，所述排气部固定连接在所述喷嘴叶栅远离所述涡轮进气集合器的一侧，所述排气部上设有多个喷嘴，所述喷嘴一侧设有多个用于引导燃气进入的导流叶栅，所述喷嘴的中心线与所述排气部的中心线远离所述喷嘴叶栅的一侧具有交点并形成夹角，所述夹角为锐角，所述喷嘴靠近所述排气部中心线的一侧边沿设有引导面，沿燃气喷出方向，所述引导面与所述排气部中心线之间的距离呈减小趋势，所述排气部在远离所述喷嘴叶栅的一侧端面设为平端面；

涡轮盘，所述涡轮盘可转动的设在所述喷嘴叶栅与所述排气部之间，且所述涡轮盘上设有多个可与所述第一通道对应的第二通道。

2.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述涡轮盘与所述喷嘴叶栅同轴设置。

3.如权利要求2所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述涡轮盘上套设有挡块，所述挡块抵持在所述涡轮盘与所述喷嘴叶栅之间。

4.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述引导面为锥形型面。

5.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述引导面为抛物线形面。

6.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述排气部与所述喷嘴叶栅之间通过可拆卸的连接件固定。

7.如权利要求6所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述连接件为相互配合的螺母和螺栓。

8.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述排气部与所述喷嘴叶栅之间设有密封圈。

9.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述喷嘴为间隔布置的拉瓦尔喷管结构。

10.如权利要求1所述液体火箭发动机的涡轮废气排气结构，其特征在于：所述喷嘴为与所述排气部同布置的环形喷嘴。

Images