一种可调针栓喷注器及火箭发动机

技术领域

本发明涉及火箭发动机领域，特别涉及一种可调针栓喷注器及火箭发动机。

背景技术

近年来，随着可回收火箭技术的不断发展，对液体火箭发动机推力调节能力提出了越来越高的要求。通过发动机推力调节，满足火箭发射过程中的过载控制、弹道优化、回收控制等动力需求。在这一过程中，液体火箭发动机流量随推力变化发生变化，对于传统的固定结构喷注器，随着推进剂流量增大（减小），喷注器压降以流量的平方倍关系快速增加（降低）。当发动机推力调节范围较大时，该类喷注器喷注压降将会发生大幅度变化，不利于推力室稳定燃烧和推进剂的高效供给，成为发动机推力调节的主要制约因素。

基于上述原因，人们提出了可调针栓喷注器方案，针栓喷注器通过改变喷嘴节流面积可以有效降低喷注压降变化幅度，能够满足发动机推力调节时稳定工作需求。为了适应结构调节需求，传统的针栓喷注器多被设计成双组元同轴环缝喷嘴，本质上属于直流喷注器，推进剂的雾化形式为撞击式雾化，在流量调节过程中，受喷注器结构精度和雾化形式影响，推进剂雾化效果很难保持稳定，燃烧室维持全工况范围的高效燃烧难以实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可调针栓喷注器及火箭发动机。将液喷嘴分为内外两环旋流腔室，通过位移控制杆的上下移动，改变外环液喷嘴的流通截面积，进而调节喷注器在发动机节流过程中的喷注压降，缓和压降随流量增大而剧增的现象，且在上述调节过程中，内环旋流喷嘴几何结构保持不变，能够提供稳定的喷注雾化射流，确保燃烧室高效稳定工作。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种可调针栓喷注器，包括：

位移控制杆；

上端盖，所述上端盖套设于所述位移控制杆上，所述上端盖的第一端部与所述位移控制杆的第一端部旋合连接；所述上端盖的第二端部与所述位移控制杆第二端部之间形成位移空腔；

喷注器上底，所述喷注器上底套设于所述上端盖的第二端部，与所述上端盖的第二端部固定连接；

气喷嘴，所述气喷嘴与所述位移控制杆同轴，位于所述位移控制杆的第二端部下方；

液喷嘴，所述液喷嘴的第一端部套设在所述位移控制杆的第二端部上与其固定连接，所述液喷嘴的第二端部套设在所述气喷嘴上，且与所述气喷嘴之间形成内旋流腔；

喷嘴安装座，所述喷嘴安装座套设在所述液喷嘴的第二端部上，与所述液喷嘴之间形成外旋流腔。

可选的，所述上端盖为中空回转体；

所述上端盖包括：中空凸台以及与所述凸台一体成型的圆盘，所述凸台内设有内螺纹；

所述位移控制杆为回转体，所述位移控制杆设有外螺纹，通过所述上端盖的第一端部上的内螺纹与所述位移控制杆的第一端部相互旋合连接。

可选的，所述喷注器上底为中空的回转体圆盘，通过安装螺钉与所述上端盖的第二端部圆盘固定连接；

所述气喷嘴为中空的回转体；

所述液喷嘴为中空的回转体。

可选的，所述液喷嘴的第一端部上设置有多个通气孔，所述通气孔位于所述位移控制杆的第二端部和所述气喷嘴之间。

可选的，所述液喷嘴的第二端部上设置有切向孔和旋流槽。

可选的，可调针栓喷注器还包括：

喷注器中底，所述喷注器中底套设在所述喷嘴安装座上，并与所述喷嘴安装座固定连接；所述喷注器上底和喷注器中底之间形成气体组元腔。

可选的，可调针栓喷注器还包括：喷注器下底，所述喷注器下底套设在所述喷嘴安装座上与所述喷嘴安装座固定连接，且位于所述喷注器中底的下方；所述喷注器中底和所述喷注器下底之间形成液体组元腔。

可选的，所述液体组元腔之间的喷嘴安装座上设置有进液孔，所述进液孔与所述液喷嘴的第二端部上的切向孔和旋流槽连通。

可选的，可调针栓喷注器还包括以下至少一项：

第一密封垫圈，所述第一密封垫圈位于所述喷注器上底与所述上端盖之间；

第二密封垫圈所述第二密封垫圈同轴套设在所述位移控制杆上的外螺纹的顶部；

第三密封垫圈，所述第三密封垫圈同轴套设在所述位移控制杆上的外螺纹的底部；

第四密封垫圈，所述第四密封垫圈同轴套设在所述液喷嘴上；

第五密封垫圈，所述第五密封垫圈同轴套设在所述液喷嘴上。

本发明的实施例还提供一种火箭发动机，包括如上所述任一项所述的可调针栓喷注器。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明的上述方案，通过可调针栓喷注器包括：位移控制杆；上端盖，套设于位移控制杆上，上端盖的第一端部与位移控制杆的第一端部旋合连接；上端盖的第二端部与位移控制杆第二端部之间形成位移空腔；喷注器上底，套设于所述上端盖的第二端部，与上端盖的第二端部固定连接；气喷嘴，与所述位移控制杆同轴，位于位移控制杆的第二端部下方；液喷嘴，第一端部套设在位移控制杆的第二端部上与其固定连接，液喷嘴的第二端部套设在气喷嘴上，且与气喷嘴之间形成内旋流腔；喷嘴安装座，套设在液喷嘴的第二端部上，与液喷嘴之间形成外旋流腔。通过位移控制杆的上下移动，能够改变外环液喷嘴的流通截面积，进而调节喷注器在发动机节流过程中的喷注压降，缓和压降随流量增大而剧增的现象，在发动机节流过程中，内环离心液喷嘴能够使液体组元保持稳定的喷注雾化状态，满足发动机全过程的稳定燃烧，实现了发动机燃烧室的全工况下的高效燃烧以及发动机在变工况调节过程中燃烧室依旧能维持高效稳定的燃烧。

附图说明

图1是本发明的可调针栓喷注器的结构示意图；

图2是本发明的可调针栓喷注器的剖视图；

其中，1、位移控制杆；2、上端盖；3、喷注器上底；4、气喷嘴；5、液喷嘴；6、内旋流腔；7、喷嘴安装座；8、外旋流腔；9、喷注器中底；10、喷注器下底；111、第一密封垫圈；112、第二密封垫圈；113、第三密封垫圈；114、第四密封垫圈；115、第五密封垫圈；12、通气孔；13、安装螺钉。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1和图2所示，本发明的实施例提出一种可调针栓喷注器，包括：

位移控制杆1；

上端盖2，所述上端盖2套设于所述位移控制杆1上，所述上端盖2的第一端部与所述位移控制杆1的第一端部旋合连接；所述上端盖2的第二端部与所述位移控制杆1的第二端部之间形成位移空腔；

喷注器上底3，所述喷注器上底3套设于所述上端盖2的第二端部，与所述上端盖2的第二端部固定连接；

气喷嘴4，所述气喷嘴4与所述位移控制杆1同轴，位于所述位移控制杆1的第二端部下方；

液喷嘴5，所述液喷嘴5的第一端部套设在所述位移控制杆1的第二端部上与其固定连接，所述液喷嘴5的第一端部套设在所述气喷嘴4上，且与所述气喷嘴4之间形成内旋流腔6；

喷嘴安装座7，所述喷嘴安装座7套设在所述液喷嘴5的第二端部上，与所述液喷嘴5之间形成外旋流腔8。

本实施例中，所述液喷嘴5的第一端部套设在位于所述位移空腔之间的所述位移控制杆1的第二端部并与其固定连接，从而通过所述位移控制杆1的上下转动来带动所述液喷嘴5以及与其固定连接的气喷嘴4的上下转动。通过位移控制杆的上下移动，能够改变外环液喷嘴的流通截面积，进而调节喷注器在发动机节流过程中的喷注压降，缓和压降随流量增大而剧增的现象；

本实施例中，所述液喷嘴5的第一端部套设在所述位移控制杆1的第二端部上与其固定连接，所述液喷嘴5的第二端部套设在所述气喷嘴4上，且与所述气喷嘴4之间形成内旋流腔6；所述喷嘴安装座7套设在所述液喷嘴5的第二端部上，与所述液喷嘴5之间形成外旋流腔8；使得所述液喷嘴5的底部与所述气喷嘴4的底部连接处形成内环缝，所述液喷嘴5的底部与所述喷嘴安装座7的底部连接处形成外环缝，内外环缝分别与所述内旋流腔6和所述外旋流腔8连通。

所述内旋流腔6和所述外旋流腔8用于对进入的液体燃料进行旋转加速，加速后的液体燃料通过内外环缝喷出。在发动机节流过程中，内环离心液喷嘴能够使液体组元保持稳定的喷注雾化状态，满足发动机全过程的稳定燃烧。

本发明一可选的实施例中，所述上端盖2为中空回转体，所述上端盖2包括：中空凸台，以及与所述凸台一体成型的圆盘，所述凸台内设有内螺纹；

所述位移控制杆1为回转体，所述位移控制杆1的第一端部设有外螺纹，通过所述上端盖2的第一端部上的内螺纹与所述位移控制杆1的第一端部相互旋合连接。

本实施例中，所述位移控制杆1通过其第一端部的外螺纹与所述上端盖2的第一端部内螺纹进行旋合连接，从而达到上下转动的效果。

所述上端盖2的第二端部圆盘上设置有六个螺纹孔用于和所述喷注器上底3进行固定连接。

本发明一可选的实施例中，所述喷注器上底3为中空的回转体圆盘，通过安装螺钉13与所述上端盖2的圆盘固定连接；所述气喷嘴4为中空的回转体；所述液喷嘴5为中空的回转体。

本实施例中，所述喷注器上底3上设置有与所述上端盖2的第二端部圆盘同等位置和同等数量的螺纹孔，通过安装螺钉13进行固定连接。

本发明一可选的实施例中，所述液喷嘴5的第一端部上设置有多个通气孔12，所述通气孔12位于所述位移控制杆1的第二端部和所述气喷嘴4之间；所述液喷嘴5的第二端部上设置有切向孔和旋流槽。

本实施例中，所述通气孔12用于将气体燃料导入所述气喷嘴4中，所述液喷嘴5的第二端部上的切向孔和旋流槽分别用于将液体燃料导入所述内旋流腔6和外旋流腔8中。

本发明一可选的实施例中，所述的可调针栓喷注器还可以包括：

喷注器中底9，所述喷注器中底9套设在所述喷嘴安装座7上，并与所述喷嘴安装座7固定连接；所述喷注器上底3和喷注器中底9之间形成气体组元腔。

喷注器下底10，所述喷注器下底10套设在所述喷嘴安装座7上与所述喷嘴安装座7固定连接，且位于所述喷注器中底9的下方；所述喷注器中底9和所述喷注器下底10之间形成液体组元腔。

本实施例中，所述的喷注器中底9和喷注器下底10均为中空回转体圆盘，都同轴套设在所述喷嘴安装座7上并与所述喷嘴安装座7固定连接；所述喷注器上底3和喷注器中底9之间形成的气体组元腔用于存放气体燃料，所述喷注器中底9和所述喷注器下底10之间形成的液体组元腔用于存放液体燃料。

本发明一可选的实施例中，所述液体组元腔之间的喷嘴安装座7上设置有进液孔，所述进液孔与所述液喷嘴5的第二端部上的切向孔和旋流槽连通。

本发明一可选的实施例中，所述的可调针栓喷注器还包括：

第一密封垫圈111，所述第一密封垫圈111位于所述喷注器上底3与所述上端盖2之间；

第二密封垫圈112，所述第二密封垫圈112同轴套设在所述位移控制杆1上的外螺纹的顶部；

第三密封垫圈113，所述第三密封垫圈113同轴套设在所述位移控制杆1上的外螺纹的底部；

第四密封垫圈114，所述第四密封垫圈114同轴套设在所述液喷嘴5的第二端部上；

第五密封垫圈115，所述第五密封垫圈115同轴套设在所述液喷嘴5的第二端部上。

本实施例中，所述第一密封垫圈111、第二密封垫圈112、第三密封垫圈113、第四密封垫圈114、第五密封垫圈115均用于防止所述位移控制杆1在带动所述液喷嘴5和所述气喷嘴4上下转动时气体燃料和液体燃料的泄漏。

本发明的实施例所述的可调针栓喷注器的具体工作原理如下：当发动机工作时，存储在所述气体组元腔的气体燃料通过通气孔12进入到气喷嘴4中，沿所述气喷嘴4的轴向进入燃烧室，同时存储在所述液体组元腔的液体燃料通过与所述进液孔连通的切向孔和旋流槽分别进入到所述内旋流腔6和所述外旋流腔8中，然后经过内外旋流腔的旋转加速后分别经内、外环缝进入燃烧室中。

当发动机需要增大推力时，推进剂流量增加，此时通过伺服控制机构带动所述位移控制杆1逆时针旋转，使得所述位移控制杆1带动所述液喷嘴5和所述气喷嘴4向上转动，从而使所述液喷嘴5与所述喷嘴安装座7之间外环缝增大，液路截流面积增大，从而保证在高工况下燃烧室喷注压降不过度升高，使得燃烧室进行高效稳定的燃烧，从而让发动机保持稳定的工作状态；

当发动机需要减小推力室时，此时通过伺服机构带动所述位移控制杆1顺时针旋转，使得所述位移控制杆1带动所述液喷嘴5和所述气喷嘴4向下转动，从而使所述液喷嘴5与所述喷嘴安装座7之间的外环缝减小，液路截流面积减小，从而保证在低工况下燃烧室仍然具有足够的喷注压降，确保燃烧室能够稳定燃烧，从而让发动机保持稳定的工作状态。

在上述过程中，与所述内旋流腔连通的内环缝结构始终不变，具有稳定的喷注结构，能够保证推力室在发动机宽范围变工况调节过程中均具有良好的雾化效果，提高了发动机工作的稳定性。

本发明的实施例还提出一种火箭发动机，包括如上所述任一实施例所述的可调针栓喷注器。上述各实施例中的所有技术特征均适用于该实施例中，也能达到相同的技术效果。

本发明的可调针栓喷注器通过其内外旋流腔和外环缝的可调节设计，解决了目前可调针栓喷注器受其结构精度和雾化形式影响，无法保证燃烧室维持全工况范围的高效燃烧的问题，实现了发动机燃烧室的全工况下的高效燃烧以及发动机在变工况调节过程中燃烧室依旧能维持高效稳定的燃烧。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。