一种三击式喷注器
阅读说明：本技术 一种三击式喷注器 (Three-stroke injector ) 是由 不公告发明人 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：一种三击式喷注器,由喷注盘、燃料剂壳体、燃料剂管嘴和氧化剂管嘴组成,其中喷注盘的中部呈圆锥形,内部为氧化剂腔,喷注盘的顶部设有上凸台,上凸台中央开有圆孔,圆孔与氧化剂腔连通；喷注盘的底部设有下凸台,并在下凸台内设有规则排布的流道孔、三击式喷注孔组和燃料剂冷却孔；燃料剂壳体与喷注盘的上凸台和下凸台通过焊接固连,燃料剂壳体与喷注盘的圆锥形侧面在圆周上形成燃料剂腔,并与燃料剂管嘴通过焊接相连；燃料剂管嘴的管嘴腔与燃料剂腔连通；燃料剂壳体的顶部设计有圆形凹槽,其与氧化剂管嘴通过焊接固连。本发明优化了喷注器结构,工艺简单制做精准,能使推进剂高效雾化、掺混和燃烧,提高了燃烧效率。(A three-shot injector comprises an injection disc, a fuel agent shell, a fuel agent nozzle and an oxidant nozzle, wherein the middle part of the injection disc is conical, an oxidant cavity is arranged inside the injection disc, an upper boss is arranged at the top of the injection disc, a round hole is formed in the center of the upper boss, and the round hole is communicated with the oxidant cavity; the bottom of the injection plate is provided with a lower boss, and the lower boss is internally provided with regularly distributed runner holes, three-shot injection hole groups and fuel agent cooling holes; the fuel agent shell is fixedly connected with the upper boss and the lower boss of the injection disc in a welding manner, and a fuel agent cavity is formed on the circumference of the conical side surface of the fuel agent shell and the conical side surface of the injection disc and is connected with the fuel agent nozzle in a welding manner; the nozzle chamber of the fuel agent nozzle is communicated with the fuel agent chamber; the top of the fuel agent shell is designed with a circular groove which is fixedly connected with the oxidant nozzle through welding. The invention optimizes the structure of the injector, has simple process and accurate manufacture, can efficiently atomize, mix and burn the propellant, and improves the combustion efficiency.)
技术领域
本发明涉及到一种三击式喷注器，属于航空航天、液体火箭发动机技术领域，用于液体火箭发动机动力供应系统。
背景技术
液体火箭一般由整流罩、仪器舱、级间段、氧化剂贮箱和燃料贮箱、增压输送系统、发动机、尾段等部分组成。液体火箭发动机主要由燃气发生器、涡轮泵、推力室和各种阀门、管路等组成。燃气发生器在液体发动机中的作用，就是将推进剂进行雾化、掺混和燃烧，产生具有很高能量的高温高压燃气，然后再进一步膨胀，就可以做功驱使涡轮高速运转，从而带动涡轮泵使液体火箭发动机工作，为整个火箭提供动力。燃气发生器主要由喷注器和燃烧室构成。其中，喷注器是对推进剂进行雾化、掺混的关键部件，直接影响了燃气发生器的工作性能；
目前，国内外燃气发生器所使用的喷注器，多由零散的钣金零部件拼焊而成，不仅结构复杂，而且制做难度大，尤其是针对大量拼焊式的喷嘴，焊接精度难以保障，都存在推进剂雾化、掺混效果不佳，不能高效的在燃烧室内燃烧的问题，有的导致燃烧效率低下，有的导致燃烧室局部出现高温，甚至烧毁了燃气发生器。
发明内容
本发明的技术解决问题是：改变了现有燃气发生器所用喷注器的设计及制做方案，简化了喷注盘的结构，改变了对推进剂雾化、掺混的方法，克服了燃烧效率低、甚至燃烧室局部出现高温、严重影响燃气发生器工作性能的问题，提出了一种新式的三击式喷注器，将定位粗略的拼焊式喷嘴改变为单模块加工的喷注孔形式，工艺简单制做精准，其特有的三击式喷注孔组在有限空间内将推进剂实现高效雾化、掺混，提高了燃烧效率；同时，燃料剂冷却孔给燃烧区提供了液膜冷却保护，避免了燃烧室局部出现高温。该技术方案适用于使用燃料剂和氧化剂双组元推进剂的喷注器，填补了国内外在此技术领域的设计空白；
本发明的技术方案为：一种三击式喷注器，由喷注盘（1）、燃料剂壳体（2）、燃料剂管嘴（3）和氧化剂管嘴（4）组成，其中喷注盘（1）的中部呈圆锥形，圆锥形内部为氧化剂腔（13），喷注盘（1）的顶部设有上凸台（11），上凸台（11）中央开有圆孔（12），圆孔（12）与氧化剂腔（13）连通；喷注盘（1）的底部设有下凸台（14），并在下凸台（14）内设有规则排布的流道孔（15）、三击式喷注孔组（16）和燃料剂冷却孔（19）；三击式喷注孔组（16）包括两个燃料剂孔（17）和一个氧化剂孔（18），其中燃料剂孔（17）与流道孔（15）相连通，氧化剂孔（18）与氧化剂腔（13）相连通；燃料剂壳体（2）与喷注盘（1）的上凸台（11）和下凸台（14）通过焊接固连，燃料剂壳体（2）与喷注盘（1）的圆锥形侧面在圆周上形成燃料剂腔（21），所述燃料剂冷却孔（19）位于喷注盘（1）的下凸台（14）的底部边缘区域，并沿圆周均匀分布，与燃料剂腔（21）相连通；燃料剂壳体（2）的一侧开有侧孔（22），其与燃料剂管嘴（3）通过焊接固连；燃料剂管嘴（3）为圆柱形，内部为管嘴腔（31），管嘴腔（31）与燃料剂腔（21）连通；燃料剂壳体（2）的顶部设有圆形凹槽（23），其与氧化剂管嘴（4）通过焊接固连，氧化剂管嘴（4）整体呈圆锥形，内部的管嘴腔（41）与喷注盘（1）的圆孔（12）和氧化剂腔（13）连通；
所述流道孔（15）沿喷注盘（1）圆锥侧面均匀分布，并与燃料剂腔（21）连通；
所述流道孔（15）共有三组，每一组都沿圆周均匀分布，其中第一组流道孔（15）沿半径方向上的长度比喷注盘（1）半径小5mm~50mm；第二组流道孔（15）沿半径方向上的长度比喷注盘（1）半径小25mm~75mm；第三组流道孔（15）沿半径方向上的长度比喷注盘（1）半径小50mm~100mm；所述第一组流道孔（15）或第二组流道孔（15）中以间隔形式均匀分布的流道孔（15）在径向方向上相互连通；
所述的一个氧化剂孔（18）位于两个燃料剂孔（17）的中间，两个燃料剂孔（17）的轴线均与一个氧化剂孔（18）的轴线呈5°～85°的夹角，且三根轴线共同交汇于一点；
所述燃料剂壳体（2）整体呈圆环形，侧面开有侧孔（22）；上端设有圆形凹槽（23）和上圆孔（24），下端设有下圆孔（25），其中上圆孔（24）与喷注盘（1）的上凸台（11）通过焊接固连，下圆孔（25）与喷注盘（1）的下凸台（14）通过焊接固连；
采用本发明所述三击式喷注器，其工作过程为：当燃料剂通过所述燃料剂管嘴（3）的管嘴腔（31）进入环形的燃料剂腔（21），流经流道孔（15）后，再通过三击式喷注孔组（16）的燃料剂孔（17）喷入燃烧室；同时，氧化剂通过氧化剂管嘴（4）的管嘴腔（41）进入到喷注盘（1）的圆孔（12）和氧化剂腔（13），再通过三击式喷注孔组（16）的氧化剂孔（18）喷入燃烧室；三击式喷注孔组（16）的两个燃料剂孔（17）喷入的两股燃料剂和三击式喷注孔组（16）的一个氧化剂孔（18）喷入的一股氧化剂撞击雾化、掺混并燃烧；同时，燃料剂经喷注盘（1）底部边缘区域的燃料剂冷却孔（19）直接喷入燃烧室，在高温下燃料剂蒸发形成边区冷却层，既降低了壁温，又增强了掺混效果，避免了燃烧室局部出现高温；
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将具有单模块喷注盘的喷注器应用于液体火箭发动机燃气发生器领域，不仅易于制做加工简单，而且提高了三击式喷注孔组的定位精度，能将燃料剂和氧化剂实现高效雾化、掺混和燃烧，提高了燃烧效率；同时，燃料剂冷却孔喷入的燃料剂在高温下蒸发形成边区冷却层，既降低了壁温，又增强了掺混效果。
附图说明
图1为本发明所述一种三击式喷注器结构正视剖面图；
图2为本发明所述一种三击式喷注器的燃料剂壳体正视剖面图；
图3为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘立体剖面图；
图4为本发明所述一种三击式喷注器的燃料剂管嘴正视剖面图；
图5为本发明所述一种三击式喷注器的氧化剂管嘴正视剖面图；
图6为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘第一组流道孔仰视剖面图；
图7为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘第二组流道孔仰视剖面图；
图8为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘第三组流道孔仰视剖面图；
图9为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘流道孔仰视剖面图；
图10为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘立体图；
图11为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘三击式喷注孔组仰视图；
图12为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘三击式喷注孔组仰视局部图；
图13为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘三击式喷注孔组局部剖面图；
图14为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘燃料剂冷却孔仰视图；
图15为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘燃料剂冷却孔仰视局部图；
图16为本发明所述一种三击式喷注器的喷注盘仰视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图说明本发明的具体实施方式；
本发明所述的三击式喷注器，应用于液体火箭发动机燃气发生器中。三击式喷注器位于燃气发生器的上部，下部设置燃烧室，燃料剂壳体（2）的底面边缘作为三击式喷注器的底部连接部位，与燃烧室环形壳体的顶面边缘焊接相连，形成以喷注器底面下方空间被环面封闭的燃烧室，以供三击式喷注器所喷注的推进剂在此空间内撞击、雾化和燃烧。在实际使用时，三击式喷注器的燃料剂管嘴（3）通过管路与燃料剂储箱连通，氧化剂管嘴（4）通过管路与氧化剂储箱连通，从而为三击式喷注器提供燃料剂和氧化剂；
如图1所示，本发明所述的三击式喷注器，由喷注盘（1）、燃料剂壳体（2）、燃料剂管嘴（3）和氧化剂管嘴（4）组成，其中喷注盘（1）的中部呈圆锥形，圆锥形内部为氧化剂腔（13），喷注盘（1）的顶部设有上凸台（11），上凸台（11）中央开有圆孔（12），圆孔（12）与氧化剂腔（13）连通；喷注盘（1）的底部设有下凸台（14），并在下凸台（14）内设有规则排布的流道孔（15）、三击式喷注孔组（16）和燃料剂冷却孔（19）；三击式喷注孔组（16）包括两个燃料剂孔（17）和一个氧化剂孔（18），其中燃料剂孔（17）与流道孔（15）相连通，氧化剂孔（18）与氧化剂腔（13）相连通；燃料剂壳体（2）与喷注盘（1）的上凸台（11）和下凸台（14）通过焊接固连，燃料剂壳体（2）与喷注盘（1）的圆锥形侧面在圆周上形成燃料剂腔（21），所述燃料剂冷却孔（19）位于喷注盘（1）的下凸台（14）的底部边缘区域，并沿圆周均匀分布，与燃料剂腔（21）相连通；燃料剂壳体（2）的一侧开有侧孔（22），其与燃料剂管嘴（3）通过焊接相连；燃料剂管嘴（3）为圆柱形，内部为管嘴腔（31），管嘴腔（31）与燃料剂腔（21）连通；燃料剂壳体（2）的顶部设计有圆形凹槽（23），其与氧化剂管嘴（4）通过焊接固连，氧化剂管嘴（4）整体呈圆锥形，内部的管嘴腔（41）与喷注盘（1）的圆孔（12）和氧化剂腔（13）连通；
如图2所示，为燃料剂壳体（2）正视剖面图，所述燃料剂壳体（2）整体呈圆环形，侧面开有侧孔（22）；上端设有圆形凹槽（23）和上圆孔（24），下端设有下圆孔（25），其中上圆孔（24）与喷注盘（1）的上凸台（11）通过焊接固连，下圆孔（25）与喷注盘（1）的下凸台（14）通过焊接固连；
如图3所示，为喷注盘（1）正视剖面图，所述喷注盘（1）中部呈圆锥形，顶部设有上凸台（11），底部设有下凸台（14），其上凸台（11）和下凸台（14）分别与燃料剂壳体（2）的上圆孔（24）和下圆孔（25）呈装配对应关系；
如图4所示，为燃料剂管嘴（3）的正视剖面图，所述燃料剂管嘴（3）的焊接端设有凸台（32），与燃料剂壳体（2）的侧孔（22）呈装配对应关系，通过焊接固连；
如图5所示，为氧化剂管嘴（4）正视剖面图，所述氧化剂管嘴（4）的焊接端设有凸台（42），与燃料剂壳体（2）的顶部圆形凹槽（23）呈装配对应关系，通过焊接固连；
如图6所示，为喷注盘（1）的第一组流道孔（15）的仰视剖面图，本实施例中，喷注盘（1）半径为125mm，所述第一组流道孔（15）沿圆周均布8个，每一个流道孔（15）的径向长度比喷注盘（1）半径小5mm～50mm，设计为100mm，每一个流道孔（15）的孔径为10mm；所述第一组8个流道孔（15）分别沿0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°设计，其中沿45°、135°、225°和315°的四个流道孔（15）相互连通，且连通孔直径为6mm；
如图7所示，为喷注盘（1）的第二组流道孔（15）的仰视剖面图，本实施例中，所述第二组流道孔（15）沿圆周均布8个，每一个流道孔（15）的径向长度比喷注盘（1）半径小25mm～75mm，设计为80mm，每一个流道孔（15）的孔径为10mm；所述第二组8个流道孔（15）分别沿22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°设计；
如图8所示，为喷注盘（1）的第三组流道孔（15）的仰视剖面图，本实施例中，所述第三组流道孔（15）沿圆周均布16个，每一个流道孔（15）的径向长度比喷注盘（1）半径小50mm～100mm，设计为50mm，每一个流道孔（15）的孔径为9mm；所述第三组8个流道孔（15）分别沿11.25°、33.75°、56.25°、78.75°、101.25°、123.75°、146.25°、168.75°、191.25°、213.75°、236.25°、258.75°、281.25°、303.75°、326.25°、348.75°设计；
如图9所示，为图6、图7和图8合并后喷注盘（1）上的流道孔（15）的仰视剖面图，共三组合计32个流道孔（15），组与组之间的流道孔（15）相互交错，且都沿圆周均匀分布；
如图10所示，为喷注盘（1）的立体图，所述流道孔（15）的孔口沿喷注盘（1）圆锥侧面均匀分布。所述燃料剂冷却孔（19）沿圆周均匀分布，其孔口以间隔形式一部分位于喷注盘（1）圆锥侧面上，一部分位于流道孔（15）的孔口边缘内；
如图11所示，为喷注盘（1）三击式喷注孔组（16）的仰视图，所述喷注盘（1）的底部设有6圈沿圆周均匀分布的三击式喷注孔组（16），每圈包括的三击式喷注孔组（16）个数从内到外分别是4、8、16、16、32、32；为保证在喷注盘（1）底面上三击式喷注孔组（16）分布的相对均匀，其中第3圈和第5圈上相邻的孔组排布为“八”字形；
如图12所示，为喷注盘（1）三击式喷注孔组（16）的仰视局部图，从图中可以看出，所述三击式喷注孔组（16）包括两个燃料剂孔（17）和一个氧化剂孔（18），其中两个燃料剂孔（17）位于氧化剂孔（18）的两侧；
如图13所示，为喷注盘（1）的三击式喷注孔组（16）的局部剖面图，从图中可以看出，所述的一个氧化剂孔（18）位于两个燃料剂孔（17）的中间，两个燃料剂孔（17）的轴线均与一个氧化剂孔（18）的轴线呈5°～85°的夹角，且三根轴线共同交汇于一点，本实施例中两个燃料剂孔（17）的轴线和一个氧化剂孔（18）的轴线均呈10°的夹角；氧化剂孔（18）连通氧化剂腔（13），燃料剂孔（17）连通流道孔（15）；经过多次雾化、燃烧试验，依据燃烧效果，确定燃料剂孔（17）和氧化剂孔（18）的最佳设计直径分别为1.1mm和1mm；
如图14所示，为喷注盘（1）燃料剂冷却孔（19）的仰视图，从图中可以看出，所述燃料剂冷却孔（19）共有64个，沿圆周均匀分布于喷注盘（1）的下凸台（14）底部边缘区域；
如图15所示，为喷注盘（1）的燃料剂冷却孔（19）的仰视局部图，从图中可以看出，所述燃料剂冷却孔（19）与喷注盘（1）的下凸台（14）周边存在一定距离，经过多次雾化、燃烧试验，依据燃料剂对壁温的冷却效果，确定最佳设计距离为6mm，燃料剂冷却孔（19）的直径为1mm；
如图16所示，为图9、图11和图14合并后喷注盘（1）的仰视图；
当燃料剂通过三击式喷注孔组（16）的燃料剂孔（17）喷入燃烧室，氧化剂通过三击式喷注孔组（16）的氧化剂孔（18）喷入燃烧室；三击式喷注孔组（16）的两个燃料剂孔（17）喷入的两股燃料剂和三击式喷注孔组（16）的一个氧化剂孔（18）喷入的一股氧化剂撞击雾化、掺混并燃烧；同时，燃料剂经燃料剂冷却孔（19）直接喷入燃烧室，在高温下燃料剂蒸发形成边区冷却层，既降低了壁温，又增强了掺混效果，避免了燃烧室局部出现高温；
实践证明，应用于此发明喷注器的燃气发生器，其燃烧效率比原有燃气发生器的燃烧效率至少提高25%，可以达到95%以上；其喷注盘底面温度小于60℃，冷却效果良好；
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护并不局限于此，本领域技术人员在不改变原理的情况下，做出的任何无实质变化的改进，将其应用于液体火箭发动机推进剂燃气发生器技术领域也应视为本发明的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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