专利名称：一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的制作方法
技术领域：
本发明属于液体火箭发动机推进技术领域，具体涉及一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器。
背景技术：
推力室涡流冷却技术是美国0RBITEC公司提出的一种新型的推力室概念，将推进剂限制在两股同轴旋转的涡流区域的内部进行混合、燃烧，涡流的外部区域能够阻止高温燃烧产物与燃烧室内壁面接触。采用推力室涡流冷却技术，可以解决燃烧室表面由于推进剂燃烧而产生的严重热载荷的问题。与传统的再生冷却方法相比，涡流冷却推力室技术主要有以下特点(1)减少用于再生冷却的冷却剂的压力损失；(2)由于涡流作为有效的燃烧稳定器，提高了燃烧的稳定性；(3)能够改善一些发动机的冷却问题，例如，推力较小的发动机，由于冷却剂流量小， 需要增加内流冷却剂流量才能满足冷却要求，这会增加比冲损失；(4)对于用煤油作为燃料的发动机，采用涡流冷却技术，可以避免煤油结焦的问题；(5)采用涡流冷却技术，燃烧室圆筒段取消了再生冷却的夹层结构，从而降低了燃烧室的重量。涡流冷却发动机内部流场为双向涡流结构，内部为反应流涡，外部为冷却流涡。从推力室涡流冷却技术的特点可以看出，位于燃烧室底部的氧化剂喷注器直接影响着壁面的冷却效果，而燃烧室的燃烧效率又与顶部的燃料喷注器相关，因此喷注器的形式对涡流冷却发动机的性能非常重要。从国外所发表的各种文献来看，燃料喷嘴的排列方式有两种轴向和径向，而氧化剂喷嘴的排列只有周向式。虽然燃料喷嘴沿径向喷注有比较好的性能，但是会破坏外部的涡流结构，降低了壁面的冷却效果。根据外部涡流的特点，氧化剂在燃烧室顶部的轴向速度为零，因此，燃料喷嘴的轴向排列使推进剂燃烧区域集中在燃烧室的顶部，造成燃烧室顶部热载荷大，温度高。
发明内容
针对现有推力室涡流冷却技术中存在的问题，本发明提出一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，解决了燃烧室壁面温度高，冷却效果不理想的问题。本发明提出的气氢/ 气氧涡流冷却推力室喷注器已应用于推力3000N，燃烧室压力为2MPa的推力室上。—种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于包括喷注器头部、扰流盘、 喷注面板、燃烧室、气氧喷注环和喷管；所述的喷注器头部为平板结构，底部具有凹槽A，喷注器头部在凹槽A的外边缘均勻分布有多个通孔H，喷注器头部的中心位置具有通孔A，通孔A内安装有火花塞，在通孔A 的两侧对称分布有孔B和孔C，位于孔B和孔C的下方设置有环形的气氢集液腔，该气氢集液腔与孔B、孔C连通，气氢集液腔深度方向的中间位置固定有扰流盘，将气氢集液腔分为上下两个腔体；
所述的燃烧室为中空结构，燃烧室顶部的外壁周向固定有法兰盘A，将法兰盘A与喷注器头部上的通孔H通过螺栓固定连接；喷注器头部的凹槽A与燃烧室顶部之间还固定有喷注面板；所述的喷注面板为平板形结构，喷注面板朝向凹槽A的上表面上具有凹槽B，喷注面板中心具有通孔E，通过通孔E和通孔A固定火花塞，在通孔E的外围均勻分布有多个阶梯通孔F，用于固定气氢喷嘴；所述的燃烧室的底部与气氧喷注环相连接，气氧喷注环为中空的圆环形薄片结构，其壁面上均勻分布有多个孔M,燃烧室底部的外缘与气氧喷注环的外壁周向固定有法兰盘B，法兰盘B周向均勻分布有多个通孔G，且在通孔G和法兰盘B的中心之间还对称分布有2个阶梯孔K，通孔G通过螺栓与喷管固定，阶梯孔K用于安装气氧接管嘴；在阶梯孔K的下方的法兰盘B还具有环形腔B，气氧喷注环的外壁面构成环形腔B的靠近法兰盘B中心的侧壁，气氧经阶梯孔流入环形腔B中，再经气氧喷注环上的孔M到达燃烧室内部，孔M形成气氧喷嘴；气氧喷注环的底部连接喷管，喷管顶部的外壁固定有法兰盘C，通过法兰盘C与法兰盘B固定，实现喷管与燃烧室的固定；法兰盘C的上表面具有环形腔C，该环形腔C顶部与环形腔B的底部连通，形成闭合的空腔。本发明具有的优点在于(1)本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，气氧喷嘴沿燃烧室内壁面向上倾斜，提高了外部涡流的稳定性，改善了冷却效果。(2)本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，气氢喷嘴伸入燃烧室，将燃烧室燃烧中心区域下移，并对喷注面板形成有效保护。(3)本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，结构简单，喷嘴均为直流孔形式。
图1 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的剖面图； 图2 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的喷注器头部主视图； 图3 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的喷注器头部剖面图； 图4 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的扰流盘主视图； 图5 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的燃烧室剖面图； 图6 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的法兰盘A主视图； 图7 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的喷注面板剖面图； 图8 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的法兰盘B主视图； 图9 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的气氧喷注环剖面图； 图10 本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器的喷管剖面图。 图中
1-喷注器头部 2-扰流盘 3-喷注面板4-燃烧室
5-气氧喷注环 6-喷管7-凹槽A8-通孔A
9-孔B10-孔C11-通孔D12-法兰盘A
13-凹槽 B17-阶梯孔 G21-气氢喷嘴25-孔 M
14-通孔E 18-法兰盘C 22-阶梯孔K
15-阶梯通孔F 19-环形腔C 23-气氢集液腔
16-法兰盘B 20-通孔H 24-环形腔B
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的描述本发明提出的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，如图1所示，包括喷注器头部1、扰流盘2、喷注面板3、燃烧室4、气氧喷注环5和喷管6。如图2、图3所示，所述的喷注器头部1为平板结构，底部具有凹槽A7，喷注器头部 1在凹槽A7的外边缘均勻分布有多个通孔H20，通孔H20的个数优选为8个以上；喷注器头部1的中心位置具有通孔A8，通孔A8内安装有火花塞，在通孔A8的两侧对称分布有孔B9 和孔C10，位于孔B9和孔ClO的下方设置有环形的气氢集液腔23，该气氢集液腔23与孔B9 和孔ClO连通，气氢集液腔23深度方向的中间位置固定有扰流盘2，将气氢集液腔23分为上下两个腔体。如图4所示，所述的扰流盘2为中心具有通孔的平面圆盘结构，表面具有若干通孔D11，通孔Dll的个数优选为90个以上，固定于气氢集液腔23中心，扰流盘的表面与喷注器头部的表面平行。如图5，所述的燃烧室4为中空结构，燃烧室4顶部的外壁周向固定有法兰盘A12， 通过该法兰盘A12与喷注器头部1相连接，具体为将法兰盘A12与喷注器头部1边缘的通孔H通过螺栓固定连接。法兰盘A的结构如图6所示。通过与喷注器头部1的底部相连接， 喷注器头部1的凹槽A7与燃烧室4顶部边缘连接位置还固定有喷注面板3，使喷注面板的下底面封住燃烧室4的中空的顶部。如图7，所述的喷注面板3为平板形结构，喷注面板朝向凹槽A的上表面上具有凹槽B13，喷注面板中心具有通孔E14，通过通孔E14和通孔A8固定火花塞。在通孔E14的外围均勻分布有多个阶梯通孔F15，用于固定气氢喷嘴21，气氢喷嘴21的底部露出喷注面板的下表面，置于燃烧室内。所述的阶梯通孔F15优选为6-12个。所述的燃烧室4的底部与气氧喷注环5相连接，燃烧室4底部的外缘与气氧喷注环5的外壁周向固定有法兰盘B16，法兰盘B16的周向均勻分布有多个通孔G17(优选为8 个)，且在通孔G17和法兰盘B16的中心之间还对称分布有2个阶梯孔K22，如图8所示，通孔G17通过螺栓与喷管6固定，阶梯孔K22用于安装气氧接管嘴，在阶梯孔K22的下方，法兰盘B16还具有环形腔B24，如图9所示，气氧喷注环为中空的圆环形薄片结构，其壁面上均勻分布有多个孔M25，用于流通氧气，气氧喷注环5的外壁面构成环形腔B24的靠近法兰盘 B16中心的侧壁，使气氧经阶梯孔K22，流入环形腔BM中，再经环形腔BM通过气氧喷注环 5上的孔M25到达燃烧室4内部，其中孔M25的中心轴线与水平面成一定夹角，孔M25即形成气氧喷嘴，用于喷注氧气。气氧喷注环5的底部连接喷管6，喷管结构如图10所示，喷管6顶部的外壁固定有法兰盘C18，通过法兰盘C18与法兰盘B16固定，进而实现喷管6与燃烧室4的固定。法兰盘C18的上表面(与法兰盘B16相对的表面)具有环形腔C19，该环形腔C19的顶部与环形腔BM的底部连通，环形腔BM和环形腔C18形成一个闭合的空腔，为气体流入燃烧室4内部提供更大的流通腔。
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如图1所示，气氢从喷注器头部1的气氢接管嘴(孔B9，孔C10)顺次进入喷注器头部1、扰流盘2上的通孔D11、气氢集液腔23、喷注面板3上的阶梯通孔F15中的气氢喷嘴21中，形成气氢流通通道。气氧从法兰盘B16的气氧接管嘴(阶梯孔1(2 中进入法兰盘B16，然后进入环形腔C19，气氧喷注环5上的形成气氧喷嘴的孔M25斜向上沿燃烧室4 内壁面喷入燃烧室4中，形成气氧流通通道。本发明中突出设计了气氢喷嘴21伸入燃烧室的长度与气氧喷嘴N27倾斜角度的设置。气氢喷嘴伸入燃烧室的长度为燃烧室半径的20% 30%，气氢喷嘴固定于喷注面板的阶梯通孔F15中，露出喷注面板下表面的长度即为气氢喷嘴伸入燃烧室的长度。形成气氧喷嘴的孔M25的中心轴线与水平面所成夹角的角度为10° 25°。在喷注面板3上固定安装的气氢喷嘴21，末端伸入燃烧室4之中，将燃烧室4的燃烧中心区域下移，并对喷注面板3形成有效保护；在燃烧室4底部气氧喷注环5安装的气氧喷嘴N27，沿燃烧室4内壁面斜向上喷入燃烧室4中，提高了外部涡流的稳定性，使燃烧室4内壁面温度得到降低。
权利要求
1.一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于包括喷注器头部、扰流盘、喷注面板、燃烧室、气氧喷注环和喷管；所述的喷注器头部为平板结构，底部具有凹槽A，喷注器头部在凹槽A的外边缘均勻分布有多个通孔H，喷注器头部的中心位置具有通孔A，通孔A内安装有火花塞，在通孔A的两侧对称分布有孔B和孔C，位于孔B和孔C的下方设置有环形的气氢集液腔，该气氢集液腔与孔B、孔C连通，气氢集液腔深度方向的中间位置固定有扰流盘，将气氢集液腔分为上下两个腔体；所述的燃烧室为中空结构，燃烧室顶部的外壁周向固定有法兰盘A，将法兰盘A与喷注器头部上的通孔H通过螺栓固定连接；喷注器头部的凹槽A与燃烧室顶部之间还固定有喷注面板；所述的喷注面板为平板形结构，喷注面板朝向凹槽A的上表面上具有凹槽B，喷注面板中心具有通孔E，通过通孔E和通孔A固定火花塞，在通孔E的外围均勻分布有多个阶梯通孔F，用于固定气氢喷嘴；所述的燃烧室的底部与气氧喷注环相连接，气氧喷注环为中空的圆环形薄片结构，其壁面上均勻分布有多个孔M,燃烧室底部的外缘与气氧喷注环的外壁周向固定有法兰盘B， 法兰盘B周向均勻分布有多个通孔G，且在通孔G和法兰盘B的中心之间还对称分布有2个阶梯孔K，通孔G通过螺栓与喷管固定，阶梯孔K用于安装气氧接管嘴；在阶梯孔K的下方的法兰盘B还具有环形腔B，气氧喷注环的外壁面构成环形腔B的靠近法兰盘B中心的侧壁， 气氧经阶梯孔流入环形腔B中，再经气氧喷注环上的孔M到达燃烧室内部，孔M形成气氧喷嘴；气氧喷注环的底部连接喷管，喷管顶部的外壁固定有法兰盘C，通过法兰盘C与法兰盘 B固定，实现喷管与燃烧室的固定；法兰盘C的上表面具有环形腔C，该环形腔C顶部与环形腔B的底部连通，形成闭合的空腔。
2.根据权利要求1所述的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于所述的气氢喷嘴伸入燃烧室的长度为燃烧室半径的20% 30%。
3.根据权利要求1所述的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于所述的孔M的中心轴线与水平面的夹角为10° 25°。
4.根据权利要求1所述的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于所述的扰流盘为中心具有通孔的平面圆盘结构，表面具有若干通孔D，扰流盘的表面与喷注器头部的表面平行。
5.根据权利要求1所述的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于所述的通孔H的个数为8个以上。
6.根据权利要求1所述的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于所述的阶梯通孔F的个数为6 12个。
7.根据权利要求1所述的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，其特征在于所述的通孔G的个数为8个。
全文摘要
本发明提出的一种气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器，包括喷注器头部、扰流盘、喷注面板、燃烧室、气氧喷注环和喷管。本发明结构简单，气氧喷嘴沿燃烧室内壁面向上倾斜，提高了外部涡流的稳定性，改善了冷却效果。且本发明解决了燃烧室壁面温度高，冷却效果不理想的问题。本发明提出的气氢/气氧涡流冷却推力室喷注器可应用于推力3000N，燃烧室压力为2MPa的推力室上。
文档编号F02K9/64GK102207043SQ20111010765
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者唐飞, 李家文 申请人:北京航空航天大学