一种推力室撞击式喷注器的制作方法

1.本发明涉及喷注器技术，具体涉及一种推力室撞击喷注器。


背景技术：

2.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，决定了推进剂的燃烧完全程度、燃烧稳定性、工作可靠性和可重复使用性。
3.大推力开式循环液氧煤油发动机推力室工作环境具有高温(～3600k)、高室压(》8mpa)、高热流密度(～60mw/m2)的显著特点。大推力开式循环液氧煤油发动机推力室多采用撞击式喷注器或离心式喷注器：如rd-107系列发动机推力室采用同轴离心式喷注器，数百个喷嘴与喷注器采用钎焊方式连接。f-1、h-1发动机喷注器采用撞击式喷注器，结构相对简单，加工工艺成熟，但在新品研制过程中流场均匀性难以控制，导致燃烧效率不理想。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种推力室撞击喷注器。
5.为此，本发明所提供的推力室撞击喷注器包括喷注器主体，该喷注器主体为盘状结构，喷注器主体内沿轴向依次设有第一氧化剂流通通道、第一隔板、组元流通通道分布层、第二隔板、组元腔分布层和第三隔板；
6.所述第一氧化剂流通通道朝外的端部为氧化剂入口；
7.所述组元流通通道分布层设有多个燃料流通通道和多个第二氧化剂流通通道，所述燃料流通通道沿喷注器的径向设置，燃料流通通道朝外的端部为燃料入口，且燃料流通通道与第二氧化剂流通通道相隔，同时燃料流通通道与第二氧化剂流通通道间隔分布；
8.所述组元腔分布层分布有多个氧化剂腔和多个燃料腔，且氧化剂腔和燃料腔相隔，同时氧化剂腔和燃料腔间隔分布；
9.所述第一隔板上设有多个第一氧化剂流通口，第一氧化剂流通通道通过相应第一氧化剂流通口与各第二氧化剂流通通道相通；
10.所述第二隔板上设有多个第二氧化剂流通口，各第二氧化剂流通通道通过相应第二氧化剂流通口与一个以上氧化剂腔相通；
11.所述第二隔板上设有多个燃料流通口，各燃料流通通道通过相应燃料流通口与一个以上燃料腔相通；
12.所述第三隔板上设有多个氧化剂出孔和多个燃料出孔，且氧化剂出孔和燃料出孔间隔分布，同时相邻氧化剂出孔喷出的氧化剂发生碰撞、相邻燃料出孔喷出的燃料能发生碰撞、或者，相邻氧化剂出孔和燃料出孔喷出的氧化剂和燃料发生碰撞；所述氧化剂出孔与氧化剂腔相通，燃料流出孔与燃料腔相通。
13.可选的方案是，所述多个燃料流通通道沿喷注器的周向均匀分布，将第一隔板与第二隔板之间的空间分隔形成为多个第二氧化剂流通通道；所述多个燃料流通通道和多个氧化剂流通通道沿喷注器主体的周向间隔分布。可选的方案是，所述氧化剂流通口与第二
氧化剂流通通道的横截面均为扇形。
14.可选的方案是，所述氧化剂腔和燃料腔均为围绕喷注器轴向的环腔结构，且沿喷注器的径向，氧化剂腔和燃料腔间隔分布。
15.可选的方案是，所述第三隔板上围绕喷注器轴向分布有多圈氧化剂出口和多圈燃料出口，每圈氧化剂出口分布有若干个氧化剂出口，每圈燃料出口分布有若干个燃料出口；沿喷注器的径向，单圈氧化剂出口与单圈燃料出口间隔分布，或两圈以上氧化剂出口与两圈以上燃料出口间隔分布。
16.可选的方案是，所述第三隔板为独立部件。
17.可选的方案是，所述第三隔板由多个环结构的喷注器环组装而成，且各喷注器环与组元腔分布层的各氧化剂腔和燃料腔一一对应；各喷注器环上开设有多个组元出口。
18.可选的方案是，各喷注器环上开设有至少一圈组元出口。
19.可选的方案是，所述第三隔板的材质为铜合金材料；喷注器主体的材质为不锈钢材质。
20.可选的方案是，位于同一圈上的组元出口成对分布，每一对有两个组元出口，且同一对内的两个组元出口的开设轴向相交，使得从两个组元出口喷出的组元能发生撞击。
21.可选的方案是，同一圈内的各组元出口的孔径大小相同；相邻圈的组元出口孔径大小不同。
22.可选的方案是，撞击发生的位点与喷注器表面的距离为6～30mm。
23.可选的方案是，燃料组元的撞击发生位点与喷注器表面的距离与氧化剂组元撞击发生位点与喷注器表面的距离不同。
24.本发明的喷注器流场分布均匀，且燃烧效率可控。同时喷注器主体可选用低成本不锈钢，喷注器环采用铜合金材料，通过合理设计喷注器盘和喷注器环结构，解决异种材料可靠连接难题。
25.优选方案中，本发明的大尺寸喷注器环，氧化剂环和燃料环间隔排列，且每一环上排布的撞击对孔径不同。大小孔径喷注器环间隔排列，喷注器面上不同区域液氧煤油推进剂燃烧位置不在同一平面，实现了稳定燃烧的目的。
附图说明
26.图1为本发明实施例的喷注器的结构示图；
27.图2为图1的c-c剖视图；
28.图3为本发明实施例中喷注器环的机构示图；
29.图4为本发明实施例中自击撞击原理示意图。
具体实施方式
30.除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
31.本文所述轴向、径向、周向等方向或方位性术语与说明书附图中的相应方向或方位一致，需要说明的是，附图中的具体方向或方位旨为解释本发明，本领域技术人员在本文公开基础上所做的等同旋转或调换均在本发明保护范围内。
32.参见图1和2所示，本发明的喷注器包括喷注器主体1，喷注器主体1为盘状结构，喷注器主体内沿喷注器轴向设有第一氧化剂流通通道7、第一隔板11、组元流通通道分布层、第二隔板、组元腔分布层和第三隔板2；
33.其中，第一氧化剂流通通道对外的端口为氧化剂入口；
34.组元流通通道分布层设有多个第二氧化剂流通通道和多个燃料流通通道，各燃料流通通道沿喷注器的径向设置，燃料流通通道朝外的端部为燃料入口，且燃料流通通道与第二氧化剂流通通道相隔，同时燃料流通通道与第二氧化剂流通通道在第一隔板与第二隔板之间间隔分布；
35.组元分布腔设有多个氧化剂腔6和多个燃料腔5，且氧化剂腔和燃料腔相隔，同时氧化剂腔和燃料腔间隔分布；
36.第一隔板上设有多个连通第一氧化剂流通通道和各第二氧化剂流通通道的多个第一氧化剂流通口，多个第一氧化剂流通口在第一隔板上的分布方式取决于多个第二氧化剂流通通道的分布位置，使得第一氧化剂流通通道通过相应第一氧化剂流通口与各第二氧化剂流通通道相连通；
37.第二隔板上分布有多个连通第二氧化剂流通通道和各氧化剂腔的第二氧化剂流通口，多个第二氧化剂流通口在第二隔板上的分布方式取决于多个第二氧化剂流通通道的分布位置和多个氧化剂腔的分布位置，使得各第二氧化剂流通通道通过相应第二氧化剂流通口与一个或多个氧化剂腔相通；
38.同时，第二隔板上分布有多个连通燃料流通通道和各燃料腔的第二氧化剂流通口，多个燃料流通口在第二隔板上的分布方式取决于多个燃料流通通道的分布位置和多个燃料腔的分布位置，使得各燃料流通通道通过相应燃料流通口与一个或多个燃料腔相通；
39.第三隔板上分布有多个氧化剂出孔和多个燃料出孔，多个氧化剂出孔和多个燃料出孔在第三隔板上的分布方式需考虑多个氧化剂腔和多个燃料腔的分布方式，且氧化剂出孔和燃料出孔成一定规律的间隔分布，使得各氧化剂出孔与相应氧化剂腔相通，各燃料流出孔与相应燃料腔相通；同时相邻氧化剂出孔喷出的氧化剂发生撞击(自击)，相邻燃料出孔喷出的燃料能发生撞击(自击)，或者相邻氧化剂出孔和燃料出孔喷出的氧化剂和燃料发生撞击(互击)，具体可通过设计各相邻出孔的轴向倾斜角度，实现喷嘴器的组元撞击。
40.为防止氧化剂及燃料窜腔，燃料与氧化剂流通通道及分布腔均采取隔腔设计；氧化剂和燃料分别从氧化剂入口和燃料入口进入后，氧化剂沿轴向的流通通道流入氧化剂腔6；燃料通过若干个沿径向均布的流通通道流入燃料腔5，燃料与氧化剂流经各自流通通道，最终通过第三隔板上的组元撞击对进入推力室。
41.具体方案中，可基于便于加工及组元分布均匀的原则设计组元流通通道分布层、组元腔分布层及第三隔板内部或其上的结构分布方式。本发明提供的相应分布方式如图1和2所示。其中，组元流通通道分布层内的多个燃料流通通道4沿喷注器的周向均匀分布，将第一隔板与第二隔板之间的空间分隔形成为多个第二氧化剂流通通道3；所述多个燃料流通通道和多个氧化剂流通通道沿喷注器主体的周向间隔分布。进一步优选的，氧化剂流通口与第二氧化剂流通通道的横截面均为扇形。
42.组元腔分布层的氧化剂腔和燃料腔均为围绕喷注器轴向的环腔结构，且沿喷注器的径向，氧化剂腔和燃料腔间隔分布。
43.第三隔板上围绕喷注器轴向分布有多圈氧化剂出口和多圈燃料出口，每圈氧化剂出口分布有若干个氧化剂出口，每圈燃料出口分布有若干个燃料出口；沿喷注器的径向，单圈氧化剂出口与单圈燃料出口间隔分布，或两圈以上氧化剂出口与两圈以上燃料出口间隔分布。
44.还有些方案中，本发明的喷注器采用分体式结构，第三隔板2相对喷注器主体1为独立部件。从而可采用耐高温材料制备第三隔板，低成本材料制备喷注器主体，具体的第三隔板的材质为铜合金材料；喷注器主体的材质为不锈钢材质，铜合金导热性能是不锈钢的10倍以上，保证喷注器面可靠热防护。具体方案中两种材料可采用电子束焊接或钎焊方式连接。
45.进一步优选的方案中，如图3所示，第三隔板由多个喷注器环组装而成，各喷注器环上设有组元出口(即氧化剂出孔和燃料出孔)；具体由多个氧化剂环21和多个燃料环22组装而成，且氧化剂环21和燃料环22分布与氧化剂腔和燃料腔一一对应间隔组装成第三隔板。根据喷注器直径大小，采用多环组合，具体方案中每一环的宽度l＝10～50mm不等，也可采用等宽度、均分设计结构。优选方案中，各喷注器环上设一圈或多圈组元出口，图3所示为两圈。
46.为实现大推力发动机(喷注器直径尺寸大于等于φ400mm)具有高的燃烧效率和较好的燃烧稳定性，本发明优选方案中采用自击撞击，实现雾化粒度细小。优选方案中，位于同一圈上的组元出口(氧化剂出孔或燃料出孔)成对分布，每一对有两个组元出口，且同一对内的两个组元出口的开设轴向相交，使得从两个组元出口喷出的组元能发生撞击。图3所示氧化剂环21和燃料环22上均布置了两排撞击对，分布在不同直径的同心圆上。更优选的方案中，如同一圈内的各组元出口的孔径大小相同；相邻圈的组元出口孔径大小不同。
47.另外一些方案中，结合图4所示，可通过设计组元出口的孔径φa大小、组元间的撞击高度h(即撞击发生的位点与喷注器表面的距离)改善燃烧效率，具体的，各环或各圈见撞击对孔径各不相同，撞击高度兼顾热防护、燃烧效率等选取，一般选取6～30mm。并且对于不同的组元(氧化剂或燃料)可选用不同的撞击高度，例如，对于液氧煤油发动机喷注器，为了更好地防护喷注器面，煤油的撞击高度低于液氧的撞击高度。
48.基于本文的公开，本领域技术人员可对上述特征进行等同替换或组合，得到本发明的其他具体示例均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种推力室撞击喷注器，其特征在于，包括喷注器主体(1)，该喷注器主体为盘状结构，喷注器主体内沿轴向依次设有第一氧化剂流通通道(7)、第一隔板、组元流通通道分布层、第二隔板、组元腔分布层和第三隔板(2)；所述第一氧化剂流通通道朝外的端部为氧化剂入口；所述组元流通通道分布层设有多个燃料流通通道(4)和多个第二氧化剂流通通道(3)，所述燃料流通通道沿喷注器的径向设置，燃料流通通道朝外的端部为燃料入口，且燃料流通通道与第二氧化剂流通通道相隔，同时燃料流通通道与第二氧化剂流通通道间隔分布；所述组元腔分布层分布有多个氧化剂腔(6)和多个燃料腔(5)，且氧化剂腔和燃料腔相隔，同时氧化剂腔和燃料腔间隔分布；所述第一隔板(11)上设有多个第一氧化剂流通口(8)，第一氧化剂流通通道通过相应第一氧化剂流通口与各第二氧化剂流通通道相通；所述第二隔板上设有多个第二氧化剂流通口(9)，各第二氧化剂流通通道通过相应第二氧化剂流通口与一个以上氧化剂腔相通；所述第二隔板上设有多个燃料流通口，各燃料流通通道通过相应燃料流通口(10)与一个以上燃料腔相通；所述第三隔板上设有多个氧化剂出孔和多个燃料出孔，且氧化剂出孔和燃料出孔间隔分布，同时相邻氧化剂出孔喷出的氧化剂发生碰撞、相邻燃料出孔喷出的燃料能发生碰撞、或者，相邻氧化剂出孔和燃料出孔喷出的氧化剂和燃料发生碰撞；所述氧化剂出孔与氧化剂腔相通，燃料流出孔与燃料腔相通。2.根据权利要求1所述的推力室喷注器，其特征在于，所述多个燃料流通通道(4)沿喷注器的周向均匀分布，将第一隔板与第二隔板之间的空间分隔形成为多个第二氧化剂流通通道(3)；所述多个燃料流通通道和多个氧化剂流通通道沿喷注器主体(1)的周向间隔分布。3.根据权利要求1所述的推力室喷注器，其特征在于，所述氧化剂流通口与第二氧化剂流通通道的横截面均为扇形。4.根据权利要求1所述的推力室喷注器，其特征在于，所述氧化剂腔和燃料腔均为围绕喷注器轴向的环腔结构，且沿喷注器的径向，氧化剂腔和燃料腔间隔分布。5.根据权利要求1所述的推力室喷注器，其特征在于，所述第三隔板上围绕喷注器轴向分布有多圈氧化剂出口和多圈燃料出口，每圈氧化剂出口分布有若干个氧化剂出口，每圈燃料出口分布有若干个燃料出口；沿喷注器的径向，单圈氧化剂出口与单圈燃料出口间隔分布，或两圈以上氧化剂出口与两圈以上燃料出口间隔分布。6.根据权利要求1所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，所述第三隔板为独立部件。7.根据权利要求6所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，所述第三隔板由多个环结构的喷注器环组装而成，且各喷注器环与组元腔分布层的各氧化剂腔和燃料腔一一对应；各喷注器环上开设有多个组元出口。8.根据权利要求7所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，各喷注器环上开设有至少一圈组元出口。9.根据权利要求6所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，所述第三隔板的材质为铜
合金材料；喷注器主体的材质为不锈钢材质。10.根据权利要求5或8所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，位于同一圈上的组元出口成对分布，每一对有两个组元出口，且同一对内的两个组元出口的开设轴向相交，使得从两个组元出口喷出的组元能发生撞击。11.根据权利要求5或8所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，同一圈内的各组元出口的孔径大小相同；相邻圈的组元出口孔径大小不同。12.根据权利要求1所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，撞击发生的位点与喷注器表面的距离为6～30mm。13.根据权利要求1所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，燃料组元的撞击发生位点与喷注器表面的距离与氧化剂组元撞击发生位点与喷注器表面的距离不同。14.根据权利要求7所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，喷注器环的宽度为10～50mm。15.根据权利要求1所述的推力室撞击式喷注器，其特征在于，所述喷注器主体的直径大于等于φ400mm。

技术总结
本发明公开了一种推力室撞击式喷注器。包括喷注器主体，喷注器主体内沿轴向依次设有第一氧化剂流通通道、组元流通通道分布层和组元腔分布层；组元流通通道分布层设有多个燃料流通通道和多个第二氧化剂流通通道，且燃料流通通道与第二氧化剂流通通道间隔分布；组元腔分布层分布有多个氧化剂腔和多个燃料腔，氧化剂腔和燃料腔间隔分布；为防止氧化剂及燃料窜腔，燃料与氧化剂流通通道及分布腔均采取隔腔设计；氧化剂和燃料分别从氧化剂入口和燃料入口进入后，氧化剂沿轴向的流通通道流入氧化剂腔；燃料通过若干个沿径向均布的流通通道流入燃料腔，最终通过相应氧化剂出孔和燃料出孔喷出。本发明的喷注器可采用分体结构，喷注器主体选用不锈钢，出口的隔板采用铜合金材料，提高喷注器的使用寿命。高喷注器的使用寿命。高喷注器的使用寿命。


技术研发人员：李龙飞 种衡阳 刘永兴 李平 张留欢 李宝荣 王化余 李文龙 金丹
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/6