一种双互击式针栓喷注器及设计方法与流程

1.本发明涉及火箭发动机技术领域，具体是涉及一种双互击式针栓喷注器及设计方法。


背景技术：

2.液体火箭发动机推力室对喷注器的设计提出了两点关键要求：组织射流掺混的燃烧效率要高，启动关机与稳态工作过程的稳定性要好，现有的针栓喷注器通常包含有作动机构(如针阀、滑动套筒等)，在工况发生变化时，通过遮挡槽孔改变喷注面积稳定喷注参数，来保证燃烧效率下降幅度不至于过大。
3.然而由于针栓喷注器在推力室中仅有一个喷注单元的独特属性，推进剂撞击掺混的接触面积受限，在较大流量情况下，燃烧效率提升困难，且对喷注参数较为敏感，动量比稍微偏离，燃烧效率就会大幅下降，意味着发动机的高效率工作范围极窄，抗干扰能力较弱，国内现有的使用了针栓喷注器多为小推力液体发动机，结构形式的针栓喷注器无法在中大推力(≥50kn)发动机上应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种双互击式针栓喷注器及设计方法。
5.第一方面，本发明提供一种双互击式针栓喷注器，包括：
6.针栓主体，呈圆柱结构，所述针栓主体包括针栓头部和针栓底部，所述针栓底部的内部形成腔体结构，所述针栓头部的内部形成环形凹槽，腔体和凹槽连通，所述针栓头部的外表面设置有多个喷孔，所述喷孔与凹槽连通。
7.进一步地，多个所述喷孔沿针栓头部中心环形呈一圈设置。
8.进一步地，所述喷孔从上至下呈多圈设置，多个所述喷孔之间等距离分布，所述喷孔呈倾斜角度结构，多个相邻所述喷孔相互对应。
9.进一步地，所述喷注器还包括壳体机构，设置在针栓主体上，所述壳体机构包括外壳体，设置在针栓主体上，所述外壳体呈环形结构，外壳体中部开设有安装孔，所述针栓主体设置在所述安装孔内部。
10.进一步地，所述外壳体的外表面开设有呈环形的环形腔，所述环形腔的内部设置有压环，所述压环的内壁设置有多根整流栅柱，多根整流栅柱之间形成通道。
11.进一步地，所述外壳体的下端面设置有呈环形结构的外喷嘴壳体，所述外喷嘴壳体与针栓主体之间形成环形喷口，环形喷口与环形腔连通。
12.进一步地，所述外壳体的下端面开设有固定槽，所述外喷嘴壳体设置于固定槽内部。
13.一种双互击式针栓喷注器的设计方法，包括上述任一方案的双互击式针栓喷注器，还包括以下步骤：
14.将针栓主体呈圆柱设计，且针栓主体分为针栓头部和针栓底部；
15.将针栓头部的内部设计腔体，将针栓底部的内部设计凹槽；
16.将针栓头部的外表面设计多个角度倾斜的喷孔，多个喷孔呈环形一圈设计，喷孔从上至下等距离分布设计多个环形圈。
17.进一步地，将喷注器的壳体机构的外壳体呈环形设计，将外壳体的外表面沿环形开设环形腔，将压环的内壁上设计多个整流栅柱。
18.进一步地，将外壳体的外喷嘴壳体呈环形设计，将外喷嘴壳体设计在外壳体上，用于外喷嘴壳体和针栓主体之间形成喷口。
19.与现有技术相比，本发明的优点如下：通过对针栓主体和壳体机构的互击设计，强制加剧了氧化剂的破碎雾化，同时扩大了扇形喷雾的空间分布，利于与来流燃料环形射流掺混，从而提升燃烧效率，有利于大流量推进剂雾化混合，一方面解决了针栓喷注器在中大推力发动机性能难以提升的难题，一方面释放出其良好的稳定燃烧特性，解决中大推力室发动机不稳定燃烧深层次难题。
附图说明
20.图1是本发明整体正面剖视示意图。
21.图中：
22.1、外壳体；
23.2、外喷嘴壳体；
24.3、压环；
25.4、针栓主体；
26.5、针栓头部；51、喷孔。
具体实施方式
27.现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。
28.为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
29.注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。
30.然而由于针栓喷注器在推力室中仅有一个喷注单元的独特属性，推进剂撞击掺混的接触面积受限，在较大流量情况下，燃烧效率提升困难，且对喷注参数较为敏感，动量比稍微偏离，燃烧效率就会大幅下降，意味着发动机的高效率工作范围极窄，抗干扰能力较弱，国内现有的使用了针栓喷注器多为小推力液体发动机，结构形式的针栓喷注器无法在中大推力(≥50kn)发动机上应用。
31.为了解决上述针栓喷注器存在的问题，本发明提出的一种双互击式针栓喷注器及设计方法，本实施例中，包括：针栓主体4，呈圆柱结构，针栓主体4包括针栓头部5和针栓底部，针栓底部的内部形成腔体结构，针栓头部5的内部形成环形凹槽，腔体和凹槽连通，针栓头部5的外表面设置有多个喷孔51，喷孔51与凹槽连通；
32.本技术中，针栓主体4的内部呈空心结构，且整体采用圆柱结构，针栓主体4的的针栓底部的顶部为开口结构，针栓头部5的底部为封闭状，针栓头部5内的中部延伸出立柱结构，使针栓头部5内形成环形凹槽，从而使推进剂从喷孔51喷出时，压力更大，方便推进剂喷射；
33.其中一种推进剂通过针栓底部内的腔体通道流入，经过针栓头部5侧壁设置的喷喷出，上下两圈一一对应的喷孔51喷出的液柱互击后形成径向扇形射流，之后轴向环形射流与径向扇形射流相互撞击掺混、雾化燃烧。
34.本实施例中，多个喷孔51沿针栓头部5中心环形呈一圈设置，喷孔51从上至下呈多圈设置，多个喷孔51之间等距离分布，喷孔51呈倾斜角度结构，多个相邻喷孔51相互对应；
35.本技术中，针栓头部5上的喷孔51沿针栓轴线方向有两圈设置，单圈喷孔51在针栓头部5侧壁周向均匀分布，两圈相邻圈喷孔51一一对应，两对喷孔51中心轴线成角度相交，保证从喷孔51喷出的氧化剂液柱进行互击破碎；
36.在另一些实施例中，针栓头部5上的喷孔51沿针栓轴线方向可以有四圈及以上设置，两对相邻互击组喷孔51与其他互击组喷孔51的侧壁位置为周向交错均匀分布，以增加与燃料来流的撞击接触面，不同互击组喷孔51尺寸规格、互击角度、合成角度可以灵活组合，使得氧化剂沿针栓轴线方向形成两个及以上扇形喷雾，喷孔51可为圆形孔或异形孔，不同圈的喷孔51在相互一一对应均匀分布。
37.本实施例中，所述喷注器还包括壳体机构，设置在针栓主体4上，壳体机构包括外壳体1，设置在针栓主体4上，外壳体1呈环形结构，外壳体1中部开设有安装孔，针栓主体4设置在安装孔内部；
38.本技术中，外壳体1整体呈圆柱结构，且外壳体1的弧形外表面部分镂空状，且中部开设安装孔，使针栓主体4能设置在外壳体1的内部，两者组合，方便后续喷射出推进剂。
39.本实施例中，外壳体1的外表面开设有呈环形的环形腔，环形腔的内部设置有压环3，压环3的内壁设置有多根整流栅柱，多根整流栅柱之间形成通道；
40.本技术中，多个环形腔等距离的开设在外壳体1弧形外表面上，且环形腔延伸至外壳体1的内部，多个内部的环形腔相互贯通，且环形腔内部设置有压环3，压环3的内壁呈多根整流栅柱，对流入的推进剂进行引导，从而使推进剂能够稳定平缓的流出，形成轴向环形射流。
41.本实施例中，外壳体1的下端面设置有呈环形结构的外喷嘴壳体2，外喷嘴壳体2与针栓主体4之间形成环形喷口，环形喷口与环形腔连通；
42.本技术中，另一种推进剂流入由外壳体1内凹台上的外喷嘴壳体2与针栓主体4外壁面形成的环形腔体中，并且外喷嘴壳体2呈环形空心结构，设置在针栓主体4的外表面位置，针栓主体4和外喷嘴壳体2之间的通道形成喷口，从而从形成了轴向环形喷口喷出，和喷孔51喷出的另外一种推进剂发生碰撞，从而产生互击效果。
43.本实施例中，外壳体1的下端面开设有固定槽，外喷嘴壳体2设置于固定槽内部；
44.本技术中，能使外喷嘴壳体2案子在外壳体1内，方便后续两种推进剂发生碰撞双互。
45.本实施例中的一种双互击式针栓喷注器的设计方法，包括以下步骤：
46.将针栓主体4呈圆柱设计，且针栓主体4分为针栓头部5和针栓底部；
47.将针栓头部5的内部设计腔体，将针栓底部的内部设计凹槽；
48.将针栓头部5的外表面设计多个角度倾斜的喷孔51，多个喷孔51呈环形一圈设计，喷孔51从上至下等距离分布设计多个环形圈。
49.将喷注器的壳体机构的外壳体1呈环形设计，将外壳体1的外表面沿环形开设环形腔，将压环3的内壁上设计多个整流栅柱。
50.将外壳体1的外喷嘴壳体2呈环形设计，将外喷嘴壳体2设计在外壳体1上，用于外喷嘴壳体2和针栓主体4之间形成喷口。
51.在使用本发明时，燃料与氧化剂两种推进剂由供应管路导流入喷注器，其中，一种推进剂流入由外壳体1内凹台上的外喷嘴壳体2与针栓主体4外壁面形成的环形腔体中，由外喷嘴壳体2与针栓主体4形成了轴向环形喷口喷出，形成轴向环形射流，另一种推进剂通过针栓主体4内的腔体通道流入，经过针栓头部5侧壁设置的喷孔51喷出，上下两圈一一对应的喷孔51喷出的液柱互击后形成径向扇形射流，之后轴向环形射流与径向扇形射流相互撞击掺混、雾化燃烧，形成互击。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。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。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。
53.需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
54.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，包括：针栓主体(4)，呈圆柱结构，所述针栓主体(4)包括针栓头部(5)和针栓底部，所述针栓底部的内部形成腔体结构，所述针栓头部(5)的内部形成环形凹槽，腔体和凹槽连通，所述针栓头部(5)的外表面设置有多个喷孔(51)，所述喷孔(51)与凹槽连通。2.如权利要求1所述的一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，多个所述喷孔(51)沿针栓头部(5)中心环形呈一圈设置。3.如权利要求2所述的一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，所述喷孔(51)从上至下呈多圈设置，多个所述喷孔(51)之间等距离分布，所述喷孔(51)呈倾斜角度结构，多个相邻所述喷孔(51)相互对应。4.如权利要求1所述的一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，所述喷注器还包括壳体机构，设置在针栓主体(4)上，所述壳体机构包括外壳体(1)，设置在针栓主体(4)上，所述外壳体(1)呈环形结构，外壳体(1)中部开设有安装孔，所述针栓主体(4)设置在所述安装孔内部。5.如权利要求4所述的一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，所述外壳体(1)的外表面开设有呈环形的环形腔，所述环形腔的内部设置有压环(3)，所述压环(3)的内壁设置有多根整流栅柱，多根整流栅柱之间形成通道。6.如权利要求5所述的一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，所述外壳体(1)的下端面设置有呈环形结构的外喷嘴壳体(2)，所述外喷嘴壳体(2)与针栓主体(4)之间形成环形喷口，环形喷口与环形腔连通。7.如权利要求6所述的一种双互击式针栓喷注器，其特征在于，所述外壳体(1)的下端面开设有固定槽，所述外喷嘴壳体(2)设置于固定槽内部。8.一种如权利要求1-7任一项所述的双互击式针栓喷注器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：将针栓主体(4)呈圆柱设计，且针栓主体(4)分为针栓头部(5)和针栓底部；将针栓头部(5)的内部设计腔体，将针栓底部的内部设计凹槽；将针栓头部(5)的外表面设计多个角度倾斜的喷孔(51)，多个喷孔(51)呈环形一圈设计，喷孔(51)从上至下等距离分布设计多个环形圈。9.如权利要求8所述的一种双互击式针栓喷注器的设计方法，其特征在于，将喷注器的壳体机构的外壳体(1)呈环形设计，将外壳体(1)的外表面沿环形开设环形腔，将压环(3)的内壁上设计多个整流栅柱。10.如权利要求9所述的一种双互击式针栓喷注器的设计方法，其特征在于，将外壳体(1)的外喷嘴壳体(2)呈环形设计，将外喷嘴壳体(2)设计在外壳体(1)上，用于外喷嘴壳体(2)和针栓主体(4)之间形成喷口。

技术总结
本发明公开了一种双互击式针栓喷注器及设计方法，涉及火箭发动机技术领域，包括：针栓主体，呈圆柱结构，所述针栓主体包括针栓头部和针栓底部，所述针栓底部的内部形成腔体结构，所述针栓头部的内部形成环形凹槽，腔体和凹槽连通，所述针栓头部的外表面设置有多个喷孔，所述喷孔与凹槽连通。本发明的有益效果是：通过对针栓主体和壳体机构的互击设计，强制加剧了氧化剂的破碎雾化，同时扩大了扇形喷雾的空间分布，利于与来流燃料环形射流掺混，从而提升燃烧效率，有利于大流量推进剂雾化混合，一方面解决了针栓喷注器在中大推力发动机性能难以提升的难题，一方面释放出其良好的稳定燃烧特性，解决中大推力室发动机不稳定燃烧深层次难题。层次难题。层次难题。


技术研发人员：李慧强 徐亚兴 刘章龙 方欢 王小雨 王金水 潘晓璇 王涛峰 纪禺山 熊瑞婧
受保护的技术使用者：湖北航天技术研究院总体设计所
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/6/14