CN116906214A - 一种喷注器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喷注器，涉及航空航天发动机技术领域，用于减少与喷注器接触的高温燃气量，提升对于喷注器的冷却效果。喷注器包括壳体、隔离板、第一喷嘴和第二喷嘴，壳体具有第一容纳腔和第二容纳腔。第一喷嘴包括内喷嘴和外喷嘴，内喷嘴的第三端为封闭端，第四端密封穿过隔离板后连接于面板，内喷嘴与燃烧室连通。内喷嘴上开设有第一流道，第一流道与第一容纳腔连通。外喷嘴套设于第四端外，外喷嘴上开设有第二流道，外喷嘴的内壁与内喷嘴的外壁之间形成第三流道，第二流道与第二容纳腔和第三流道连通。第二喷嘴内设置有第四流道，第四流道沿第二喷嘴的轴线方向螺旋延伸，第二喷嘴用于喷注第二推进剂至燃烧室，并形成液锥膜。

Description

一种喷注器

技术领域

本发明涉及航空航天发动机技术领域，尤其涉及一种喷注器。

背景技术

液体火箭发动机是航天飞行器的核心部件，是使用液态化学物质作为能源和工质的化学火箭推进系统，发动机的推力室是将液体推进剂的化学能转变成推力的重要组件。推力室由喷注器、燃烧室、喷管组成，液体推进剂经喷注器进入燃烧室，经雾化、混合和燃烧等过程生成燃烧产物，从喷管高速喷出产生推力。

喷注器作为推力室的关键组件，对发动机的工作性能起决定性作用。喷注器的工作环境具有高温、高压、高热流密度的显著特点，喷注器工作过程中直接与燃烧室高温燃气接触，必须保证其可靠冷却。

为了确保喷注器冷却的可靠性，现有技术中，一般采用提高推进剂流速或者喷注器靠近燃烧室一侧的面板采用导热系数高的材料的方式，但是上述方法在实际使用过程中，喷注器面板会受到燃烧室内的高温燃气的烧蚀，并不能较好的实现对喷注器的冷却作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷注器，用于减少与喷注器接触的高温燃气量，提升对于喷注器的冷却效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种喷注器，包括壳体、隔离板、第一喷嘴和第二喷嘴，壳体具有相对设置的第一端和第二端，第一端和第二端分别设置有盖板和面板。隔离板的边缘密封连接于壳体的内壁，隔离板、壳体和盖板之间围设形成用于容纳第一推进剂的第一容纳腔，隔离板、壳体和面板之间围设形成用于容纳第二推进剂的第二容纳腔。第一喷嘴包括内喷嘴和外喷嘴，内喷嘴具有相对设置的第三端和第四端，第三端位于靠近第一端位置处，第三端为封闭端，第四端穿过隔离板后连接于面板，内喷嘴与燃烧室连通。内喷嘴上开设有第一流道，第一流道与第一容纳腔连通，用于使第一推进剂经第一流道流动至内喷嘴。外喷嘴套设于第四端外，外喷嘴上开设有第二流道，外喷嘴的内壁与内喷嘴的外壁之间形成第三流道，第二流道与第二容纳腔和第三流道连通，第三流道还与燃烧室连通。第二喷嘴设置于面板，第二喷嘴内设置有第四流道，第四流道沿第二喷嘴的轴线方向螺旋延伸；第四流道的两端分别连通第二容纳腔和燃烧室，第二喷嘴用于喷注第二推进剂至燃烧室，并形成液锥膜。

采用上述技术方案时，本发明提供的喷注器包括壳体、隔离板和第一喷嘴，隔离板、壳体和盖板之间围设形成用于容纳第一推进剂的第一容纳腔，第一喷嘴包括内喷嘴和外喷嘴，内喷嘴上开设有第一流道，第一流道与第一容纳腔连通，用于使第一推进剂经第一流道流动至内喷嘴，然后从内喷嘴的第四端喷注至燃烧室内。外喷嘴套设于第四端外，外喷嘴上开设有第二流道，外喷嘴的内壁与内喷嘴的外壁之间形成第三流道，第二流道与第二容纳腔和第三流道连通，第三流道还与燃烧室连通，如此设置，使得第二推进剂经第二流道、第三流道后，喷注至燃烧室内，第一推进剂和第二推进剂在燃烧室内雾化、混合并燃烧，产生高温燃气。另外，本发明提供的喷注器还包括第二喷嘴，第二喷嘴设置于面板，第二喷嘴内设置有第四流道，第四流道沿第二喷嘴的轴线方向螺旋延伸，第四流道的两端分别连通第二容纳腔和燃烧室，使得第二容纳腔内的第二推进剂经第四流道进入燃烧室，由此使第二喷嘴将第二推进剂喷注至燃烧室，并形成液锥膜，液锥膜使得喷注器的面板与高温燃气分离，避免高温燃气与面板直接接触烧蚀面板，进一步地，可以提升喷注器的冷却效果，延长喷注器的使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的喷注器的仰视图；

图2为图1中A-A的局部示意图；

图3为图2中B处放大示意图。

附图标记：

1—壳体，11—面板，2—隔离板，3—第一容纳腔，4—第二容纳腔，

5—第一喷嘴，51—内喷嘴，511—第一流道，512—台阶，52—外喷嘴，

521—第二流道，522—第三流道，53—混合腔，6—第二喷嘴，61—外壳，62—喷嘴本体，63—第四流道。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于液氧煤油发动机推力室而言，其工作环境具有高温(约3600K)、高压(约20MPa)、高热流密度(约60MW/m²)的显著特点，喷注器作为推力室的关键组件，用来将推进剂组元进行喷射、雾化、混合，保证发动机稳定高效工作，对发动机的工作性能起决定性作用。喷注器工作过程中直接与燃烧室内的高温燃气接触，必须保证其可靠冷却，喷注器面可靠冷却成为开式循环液氧煤油发动机的关键之一。现有技术中，一般采用提高推进剂流速或者喷注器靠近燃烧室一侧的面板采用导热系数高的材料的方式，但是上述方法在实际使用过程中，喷注器面板会受到燃烧室内的高温燃气的烧蚀，并不能较好的实现对喷注器的冷却作用。

另外，目前，液氧液氢、液氧甲烷等发动机推力室喷注器面板一般采用发汗面板，通过液氢或甲烷渗透在喷注器面形成低温环境。但发汗冷却结构复杂，且煤油易于结焦、积碳，容易堵塞微小发汗冷却孔，使用煤油作为燃料时，由于煤油易结焦，喷注器无法使用发汗冷却方式。补燃循环发动机采用高室压、高导热的铜合金材料和铜钢钎焊连接，结构复杂，加工工序多，周期长，成本非常高。

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种喷注器，包括壳体1、隔离板2、第一喷嘴5和第二喷嘴6，壳体1具有相对设置的第一端和第二端，第一端和第二端分别设置有盖板和面板11。隔离板2的边缘密封连接于壳体1的内壁，隔离板2、壳体1和盖板之间围设形成用于容纳第一推进剂的第一容纳腔3，隔离板2、壳体1和面板11之间围设形成用于容纳第二推进剂的第二容纳腔4。第一喷嘴5包括内喷嘴51和外喷嘴52，内喷嘴51具有相对设置的第三端和第四端，第三端位于靠近第一端位置处，第三端为封闭端，第四端穿过隔离板2后连接于面板11，内喷嘴51与燃烧室连通。内喷嘴51上开设有第一流道511，第一流道511与第一容纳腔3连通，用于使第一推进剂经第一流道511流动至内喷嘴51。外喷嘴52套设于第四端外，外喷嘴52上开设有第二流道521，外喷嘴52的内壁与内喷嘴51的外壁之间形成第三流道522，第二流道521与第二容纳腔4和第三流道522连通，第三流道522还与燃烧室连通。第二喷嘴6设置于面板11，第二喷嘴6内设置有第四流道63，第四流道63沿第二喷嘴6的轴线方向螺旋延伸，第四流道63的两端分别连通第二容纳腔4和燃烧室，第二喷嘴6用于喷注第二推进剂至燃烧室，并形成液锥膜。

采用上述技术方案时，本发明实施例提供的喷注器包括壳体1、隔离板2和第一喷嘴5，隔离板2、壳体1和盖板之间围设形成用于容纳第一推进剂的第一容纳腔3，第一喷嘴5包括内喷嘴51和外喷嘴52，内喷嘴51上开设有第一流道511，第一流道511与第一容纳腔3连通，用于使第一推进剂经第一流道511流动至内喷嘴51，然后从内喷嘴51的第四端喷注至燃烧室内。外喷嘴52套设于第四端外，外喷嘴52上开设有第二流道521，外喷嘴52的内壁与内喷嘴51的外壁之间形成第三流道522，第二流道521与第二容纳腔4和第三流道522连通，第三流道522还与燃烧室连通，如此设置，使得第二推进剂经第二流道521、第三流道522后，喷注至燃烧室内，第一推进剂和第二推进剂在燃烧室内雾化、混合并燃烧，产生高温燃气。另外，本发明提供的喷注器还包括第二喷嘴6，第二喷嘴6设置于面板11，第二喷嘴6内设置有第四流道63，第四流道63沿第二喷嘴6的轴线方向螺旋延伸，第四流道63的两端分别连通第二容纳腔4和燃烧室，使得第二容纳腔4内的第二推进剂经第四流道63进入燃烧室，由此使第二喷嘴6将第二推进剂喷注至燃烧室，并形成液锥膜，液锥膜使得喷注器的面板11与高温燃气分离，避免高温燃气与面板11直接接触烧蚀面板11，进一步地，可以提升喷注器的冷却效果，延长喷注器的使用寿命，降低喷注器的使用成本。

具体实施时，第一推进剂可以为液氧，第二推进剂可以为燃料，燃料可以为煤油，当然，此处只是举例说明，并不作为具体限定。需要说明的是，随着低成本液氧煤油发动机的发展，液氧煤油发动机的显著特点是中等室压、低成本和快速研制生产，基于增材制造的高性能、开式循环液氧煤油发动机成为发展的主要方向之一。开式循环液氧煤油发动机推力采用同轴离心式喷注器形式，即在本发明实施例提供的喷注器中，内喷嘴51和外喷嘴52同轴设置。实际情况下，在面板11上开设用于安装第一喷嘴5和第二喷嘴6的安装孔，第一喷嘴5和第二喷嘴6的出口端均与燃烧室连通。面板11可以为不锈钢材质，相较于现有技术中面板11采用铜合金材质，面板11的成本较低，如此，能够降低喷注器的成本。需要说明的是，从第二喷嘴6喷注的第二推进剂形成液锥膜后，在燃烧室内参与燃烧，避免第二推进剂的浪费。

在一种示例中，参见图3所示，第二喷嘴6包括外壳61和喷嘴本体62，外壳61固定设置于面板11，喷嘴本体62套设于外壳61内，喷嘴本体62的外壁上开设有旋流槽，旋流槽与外壳61的内壁之间形成第四流道63。旋流槽从第二喷嘴6的远离燃烧室的一端延伸至靠近燃烧室的一端，进一步地，使得第四流道63的两端分别与第二容纳腔和燃烧室连通，旋流槽可以理解为类似于在喷嘴本体62的外壁上开设的外螺纹，第二推进剂沿着旋流槽的延伸方向流动，如此，便于液锥膜的形成。

在另一种示例中，第二喷嘴6为柱形结构，自第二喷嘴6的远离燃烧室的一端至第二喷嘴6的靠近燃烧室的一端的方向，第二喷嘴6内开设有螺旋设置的切向孔，切向孔为第四流道63，此种情况下，切向孔以第二喷嘴6的轴线为轴线螺旋延伸。

在一种可能的实现方式中，自第二喷嘴6的远离燃烧室的一端至第二喷嘴6的靠近燃烧室的一端的方向，外壳61的内壁具有相互连接的第一圆柱段、收缩段和第二圆柱段，喷嘴本体62与第一圆柱段相配合。收缩段的结构可以为锥台状结构，第二圆柱段的直径小于第一圆柱段的直径，如此，便于液锥膜的形成，且使得形成的液锥膜的直径较大，使液锥膜所覆盖的面板11的面积增大，尽量减少与面板11直接接触的高温燃气的面积，增强对于面板11的保护作用。

在一些实施例中，如图1所示，第一喷嘴5的数量为多个，多个第一喷嘴5形成多个第一喷嘴组，每个第一喷嘴组所包括的多个第一喷嘴5沿壳体1的周向布设，多个第一喷嘴组沿壳体1的径向依次布设。此时，能够提升第一推进剂和第二推进剂在燃烧室内分布的均匀性，增强第一推进剂和第二推进剂混合的效果，提升燃烧室的燃烧效率和效果。

在一种可能的实现方式中，如图1和图2所示，第二喷嘴6的数量为多个，任意相邻的第一喷嘴5之间设置有至少一个第二喷嘴6。具体实施时，尽可能的在面板11上除第一喷嘴5外的其它裸露位置均设置第二喷嘴6，如此，可以增大液锥膜所覆盖的面板11的面积，增强对于面板11的保护作用。第二喷嘴6的直径可以为4mm-5mm，当然，具体根据实际情况而定。

需要说明的是，在保证面板11可靠冷却的同时，还需要考虑燃烧室的燃烧效率，从第二喷嘴6喷注的第二推进剂的流量不能过大，否则影响喷注器上的第一喷嘴5的混合比分布。具体实施时，用于冷却的第二推进剂流量与从喷注器喷出的第二推进剂总流量比例约为3％～10％，第二喷嘴6可以为小流量喷嘴，第二喷嘴6能够在≯10g/s的流量下稳定工作，同时能够在第二喷嘴6出口形成角度很大的液膜锥，这些液膜锥能够尽可能地覆盖面板11上除设置有第一喷嘴5和第二喷嘴6外的裸露位置，有效防止高温燃气回流，起到保护喷注器面板11的作用。

作为一种可选方式，内喷嘴51的第四端容纳于外喷嘴52内，使得内喷嘴51与外喷嘴52之间形成混合腔53，如此，使得从第一喷嘴5喷注的第一推进剂和第二推进剂可以在混合腔53内雾化、混合，能够提升第一推进剂和第二推进剂的混合效果。

作为一种可能的实现方式，外壳61与喷嘴本体62过盈配合，如此，使得第二喷嘴6的安装方式方便快捷，当然，外壳61也可以通过焊接方式与喷嘴本体62连接，此处只是举例说明，并不作为具体限定。

在一种可选方式中，内喷嘴51的与隔离板2连接位置处具有台阶512，台阶512抵挡限位于隔离板2靠近第二容纳腔的一面，如此，能够增强第一喷嘴5安装在壳体1内的稳定性，提升喷注器的结构稳固性。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种喷注器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端和所述第二端分别设置有盖板和面板；

隔离板，所述隔离板的边缘密封连接于所述壳体的内壁，所述隔离板、所述壳体和所述盖板之间围设形成用于容纳第一推进剂的第一容纳腔；所述隔离板、所述壳体和所述面板之间围设形成用于容纳第二推进剂的第二容纳腔；

第一喷嘴，包括内喷嘴和外喷嘴；所述内喷嘴具有相对设置的第三端和第四端，所述第三端位于靠近所述第一端位置处，所述第三端为封闭端，所述第四端穿过所述隔离板后连接于所述面板，所述内喷嘴与燃烧室连通；所述内喷嘴上开设有第一流道，所述第一流道与所述第一容纳腔连通，用于使所述第一推进剂经所述第一流道流动至所述内喷嘴；所述外喷嘴套设于所述第四端外，所述外喷嘴上开设有第二流道，所述外喷嘴的内壁与所述内喷嘴的外壁之间形成第三流道，所述第二流道与所述第二容纳腔和所述第三流道连通，所述第三流道还与所述燃烧室连通；

第二喷嘴，设置于所述面板，所述第二喷嘴内设置有第四流道，所述第四流道沿所述第二喷嘴的轴线方向螺旋延伸；所述第四流道的两端分别连通所述第二容纳腔和所述燃烧室，所述第二喷嘴用于喷注所述第二推进剂至所述燃烧室，并形成液锥膜。

2.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于，所述第二喷嘴包括：

外壳，设置于所述面板；

喷嘴本体，套设于所述外壳内；所述喷嘴本体的外壁上开设有旋流槽，所述旋流槽与所述外壳的内壁之间形成所述第四流道。

3.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于，所述第二喷嘴为柱形结构，自所述第二喷嘴的远离所述燃烧室的一端至靠近所述燃烧室一端的方向，所述第二喷嘴内开设有螺旋设置的切向孔，所述切向孔为第四所述流道。

4.根据权利要求2所述的喷注器，其特征在于，自所述第二喷嘴的远离所述燃烧室的一端至靠近所述燃烧室一端的方向，所述外壳的内壁具有相互连接的第一圆柱段、收缩段和第二圆柱段；所述喷嘴本体与所述第一圆柱段相配合。

5.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于，所述第一喷嘴的数量为多个，多个所述第一喷嘴形成多个第一喷嘴组，每个所述第一喷嘴组所包括的多个所述第一喷嘴沿所述壳体的周向布设；多个所述第一喷嘴组沿所述壳体的径向依次布设。

6.根据权利要求5所述的喷注器，其特征在于，所述第二喷嘴的数量为多个，任意相邻的所述第一喷嘴之间设置有至少一个所述第二喷嘴。

7.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于，所述面板为不锈钢材质。

8.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于，所述内喷嘴的所述第四端容纳于所述外喷嘴内，使得所述内喷嘴与所述外喷嘴之间形成混合腔。

9.根据权利要求2所述的喷注器，其特征在于，所述外壳与所述喷嘴本体过盈配合。

10.根据权利要求1所述的喷注器，其特征在于，所述内喷嘴的与所述隔离板连接位置处具有台阶，所述台阶抵挡限位于所述隔离板靠近所述第二容纳腔的一面。