一種用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，包括頭蓋、噴注器殼體、閥芯、上蓋、入口接頭。所述頭蓋頂部安裝入口接頭；固定于頭蓋內(nèi)腔中，與頭蓋間具有間隙；噴注器殼體外壁上設(shè)有推進(jìn)劑入口，底端開有推進(jìn)劑出口；噴注器殼體頂部還安裝有上蓋。閥芯設(shè)置于噴注器殼體內(nèi)腔中；由入口接頭進(jìn)入頭蓋內(nèi)腔中的推進(jìn)劑，經(jīng)推進(jìn)劑入口進(jìn)入噴注器殼體內(nèi)腔，通過彈簧和氣液壓差驅(qū)動閥芯動作，閥芯與推進(jìn)劑出口分離，推進(jìn)劑噴出。本發(fā)明簡單可靠、噴注壓降小、尺寸小、響應(yīng)快；通過與可調(diào)文氏管配合，可以在流量調(diào)節(jié)比較大時保持較小的噴注壓降的變化。
【專利說明】
一種用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種流量定位可調(diào)直流噴注器。本發(fā)明是適用于采用高濃度過氧化氫為氧化劑的變推力固液火箭發(fā)動機(jī)中的一種噴注器。
【背景技術(shù)】
[0002]變推力火箭發(fā)動機(jī)可以為航天器的推進(jìn)與控制提供可控動力，增大航天器對飛行任務(wù)和軌道的適應(yīng)性和可操作性，是航天飛行器動力系統(tǒng)的理想選擇。隨著人類探索太空活動的逐年增加，發(fā)展變推力推進(jìn)技術(shù)的重要性愈發(fā)明顯。根據(jù)火箭發(fā)動機(jī)的工作原理，推力與推進(jìn)劑流量、噴管出口面積和噴管喉部面積等因素有關(guān)。由于條件所限，改變噴管出口面積和噴管喉部面積非常困難。所以在變推力液體火箭發(fā)動機(jī)中普遍采用改變推進(jìn)劑流量的方式進(jìn)行推力調(diào)節(jié)。對于變推力火箭發(fā)動機(jī)，為防止推力調(diào)節(jié)過程中噴注壓降過小而引起燃燒不穩(wěn)定和燃燒效率急劇降低，在調(diào)節(jié)推進(jìn)劑流量的同時需要對推進(jìn)劑的噴注條件(即噴注壓降)進(jìn)行控制。為了保證火箭發(fā)動機(jī)穩(wěn)定燃燒，噴注器的噴注壓降與燃燒室壓強(qiáng)的比值要大于某個臨界值，一般為10?30%。而變推力火箭發(fā)動機(jī)在推力調(diào)節(jié)過程中，氧化劑流量發(fā)生大范圍變化，為了將噴注壓降控制在合理范圍內(nèi)，需要采用獨(dú)特的噴注技術(shù)。常用的噴注技術(shù)主要有高壓降噴注器，多通道噴注器，可調(diào)噴注器，向推進(jìn)劑中噴入氣體，改變噴注器的流量系數(shù)和氣相噴注等等。
[0003]變推力火箭發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以分為單調(diào)系統(tǒng)和雙調(diào)系統(tǒng)。單調(diào)系統(tǒng)僅通過噴注器同時實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量和噴注條件的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)簡單。但是，隨著推力的變化，單調(diào)系統(tǒng)的噴注壓降會在較大范圍內(nèi)變化。在最小推力時，流量最小，發(fā)動機(jī)燃燒室壓力最小，噴注壓降最高，此時噴注器的開度最小。這樣勢必影響噴注器的霧化效果。雙調(diào)系統(tǒng)是采用流量調(diào)節(jié)器和噴注器分別對推進(jìn)劑流量和噴注條件進(jìn)行控制，這種系統(tǒng)能保證較高的流量控制精度和較為理想的噴注條件，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其對于雙組元變推力液體火箭發(fā)動機(jī)而言，調(diào)節(jié)過程中氧燃比的穩(wěn)定較難實(shí)現(xiàn)。期刊文章《雙組元變推力火箭發(fā)動機(jī)噴注器改進(jìn)設(shè)計(jì)》(推進(jìn)技-1990-4(2))中討論了一種單針閥噴注器和改進(jìn)型雙針閥噴注器，單針閥噴注器在低工況下混合比會產(chǎn)生較大偏差同時存在關(guān)機(jī)不可靠的問題。改進(jìn)型雙針閥噴注器雖然在一定程度上改善了混合比波動較大和關(guān)機(jī)不可靠的問題，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性降低。
[0004]固液混合發(fā)動機(jī)是采用液體氧化劑和固體燃料的火箭發(fā)動機(jī)，主要由液體氧化劑供給系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)主體系統(tǒng)組成。航天動力系統(tǒng)采用無毒無污染、可貯存推進(jìn)劑是未來發(fā)展的趨勢，近年來，研究的重點(diǎn)集中在綠色推進(jìn)劑方面。推進(jìn)劑級高濃度過氧化氫具有無毒、無污染、高密度、易貯存、高比熱、分解產(chǎn)生大的體積膨脹和熱量的優(yōu)點(diǎn)，是固液火箭發(fā)動機(jī)可以采用的一種理想的綠色推進(jìn)劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明借鑒雙組元變推力液體火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)噴注器，提出了一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，包括頭蓋、噴注器殼體、閥芯、上蓋、入口接頭與撞擊螺母。
[0006]所述頭蓋內(nèi)部具有內(nèi)腔A，頂面開有推進(jìn)劑入口，與入口接頭相連。所述噴注器殼體內(nèi)部具有內(nèi)腔B，固定安裝于內(nèi)腔A內(nèi)，并保證噴注器殼體側(cè)壁與內(nèi)腔A壁面間具有間隙。噴注器殼體外壁上設(shè)有推進(jìn)劑入口，推進(jìn)劑入口與內(nèi)腔B連通;噴注器殼體底端開有推進(jìn)器出口；噴注器殼體頂部還安裝有上蓋。
[0007]所述閥芯設(shè)置于內(nèi)腔B內(nèi)；閥芯內(nèi)部沿閥芯軸向設(shè)計(jì)有導(dǎo)氣通道。閥芯外壁周向具有環(huán)形凸臺，將閥芯分為上部分與下部分，同時通過環(huán)形凸臺將內(nèi)腔B分為上部分氣體內(nèi)腔與下部分液體內(nèi)腔;且下部分液體內(nèi)腔與內(nèi)腔A間通過推進(jìn)器入口連通。閥芯上部分套有彈簧，彈簧由上蓋施加預(yù)緊力，使閥芯底端將推進(jìn)器出口封堵。
[0008]上述流量定位可調(diào)直流噴注器，在初始狀態(tài)無推進(jìn)劑進(jìn)入噴注器時，閥芯在彈簧的彈力的作用下與推進(jìn)劑出口緊密貼合，此時噴注器處于關(guān)閉狀態(tài)。在上游氧化劑輸送管路中閥門開啟后，管路中的高濃度過氧化氫推進(jìn)劑通過入口接頭流入頭蓋的內(nèi)腔，并經(jīng)推進(jìn)劑入口進(jìn)入液體內(nèi)腔，此時在推進(jìn)劑壓力作用下，彈簧被壓縮，閥芯上移，使閥芯與推進(jìn)劑出口分離，推進(jìn)劑噴出。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010](I)本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器，通過彈簧和氣液壓差驅(qū)動閥芯動作，具有簡單可靠、噴注壓降小、尺寸小、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)；
[0011](2)本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器，通過與可調(diào)文氏管配合，可以在流量調(diào)節(jié)比較大時保持較小的噴注壓降的變化；
[0012](3)本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器，連接接頭符合航天標(biāo)準(zhǔn)Y5785-89，使其具有通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；
[0013](4)本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器，頭蓋與噴注器殼體、噴注器殼體與上蓋、閥芯和撞擊螺母均為螺紋連接，使得其拆卸方便，更換維護(hù)方便；
[0014](5)本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器，與推進(jìn)劑介質(zhì)接觸的材料采用304不銹鋼，使得其與過氧化氫2級相容。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器中頭蓋結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明流量定位可調(diào)直流噴注器中噴注器殼體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖中:
[0019]1_頭蓋 2-嗔注器殼體 3-閥芯4-上蓋
[0020]5-入口接頭 6-撞擊螺母 7-環(huán)形噴注通道8-預(yù)緊墊片
[0021]9-限位墊片101-內(nèi)腔102-發(fā)動機(jī)安裝法蘭103-推進(jìn)劑入口
[0022]104-環(huán)形凹進(jìn)臺肩201-氣體內(nèi)腔 202-液體內(nèi)腔203-安裝法蘭
[0023]204-推進(jìn)劑入口 205-推進(jìn)劑出口 301-環(huán)形凸臺
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明是一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，如圖1所示，包括頭蓋1、噴注器殼體2、閥芯3、上蓋4、入口接頭5與撞擊螺母6。
[0026]如圖2所示，所述頭蓋I為柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有內(nèi)腔101;頭蓋I的底端周向設(shè)計(jì)有發(fā)動機(jī)安裝法蘭102，用于頭蓋I與發(fā)動機(jī)間的連接。頭蓋I頂面開有推進(jìn)劑入口 103，入口接頭5固定在推進(jìn)劑入口 103處，使入口接頭5與頭蓋I的內(nèi)腔101連通;入口接頭5采用焊接方式固定，用于連接推進(jìn)劑輸送系統(tǒng)的上游管路，推進(jìn)劑通過入口接頭5流入頭蓋I的內(nèi)腔101。頭蓋I底端面設(shè)計(jì)有環(huán)形凹進(jìn)臺肩104，用來安裝噴注器殼體2。
[0027]如圖3所示，所述噴注器殼體2為柱狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有內(nèi)腔，且內(nèi)腔上部為大直徑氣體內(nèi)腔201與下部小直徑液體內(nèi)腔202。噴注器殼體2底部周向設(shè)計(jì)有安裝法蘭203;通過安裝法蘭與頭蓋I底端的環(huán)形凹進(jìn)臺肩104配合定位，并通過螺栓固定，使噴注器殼體2同軸位于頭蓋I的內(nèi)腔101內(nèi)，且使噴注器殼體2頂端以及側(cè)壁與頭蓋I的內(nèi)腔101壁面面間具有間隙。噴注器殼體2外壁周向上均設(shè)有推進(jìn)劑入口 204，推進(jìn)劑入口 204與液體內(nèi)腔201連通。噴注器殼體2底端面上開有推進(jìn)器出口 205，推進(jìn)劑出口 205設(shè)計(jì)有倒角，使推進(jìn)劑出口 205形成收縮口結(jié)構(gòu)，具有用來定位閥芯3的斜面。上述噴注器殼體2的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)置有閥芯3，且其中的氣體內(nèi)腔201內(nèi)安裝有上蓋4，上蓋4具有倒U型截面，與氣體內(nèi)腔201間采用螺紋固連。上蓋側(cè)壁上設(shè)計(jì)環(huán)形密封槽，內(nèi)部設(shè)置有O型密封圈A與氣體內(nèi)腔201壁面配合，隔離氣體內(nèi)腔201與頭蓋I的內(nèi)腔101。
[0028]上述閥芯3同軸設(shè)置于噴注器殼體2的內(nèi)腔中。閥芯3底部設(shè)計(jì)有斜面，與推進(jìn)劑出口 205處斜面配合，實(shí)現(xiàn)閥芯3與噴注器殼體2間的軸向定位。如圖1所示，閥芯3外壁中部周向設(shè)計(jì)有環(huán)形凸臺301，環(huán)形凸臺301上設(shè)計(jì)有環(huán)形凹槽，用來設(shè)置O型密封圈B，通過O型密封圈B與噴注器殼體2內(nèi)壁配合，使噴注器殼體2的氣體內(nèi)腔201與液體內(nèi)腔202形成兩個相互獨(dú)立的腔室。令環(huán)形凸臺301上方與下方的閥芯3分別為閥芯上部與閥芯下部，則通過環(huán)形凸臺使閥芯下部外壁與噴注器殼體2的液體內(nèi)腔202壁面間具有間隙，形成環(huán)形噴注通道7，且該噴注環(huán)形通道通7過噴注器殼體2上設(shè)計(jì)的推進(jìn)劑入口 204與頭蓋I的內(nèi)腔101連通；而閥芯3上部位于上蓋4內(nèi)，且閥芯3上部套有彈簧5，通過擰緊上蓋4使彈簧5具有一定壓縮量，對閥芯3施加一定預(yù)緊力，使得閥芯3與推進(jìn)劑出口 205的斜面間緊密貼合，起到截流作用。上述彈簧5上端與上蓋4間設(shè)置有預(yù)緊墊片8，同時在噴注器殼體2頂端設(shè)置有限位墊片9，并使限位墊片9位于上蓋4周向上設(shè)計(jì)的凹槽內(nèi)；由此通過預(yù)緊墊片8和限位墊片9可以實(shí)現(xiàn)彈簧預(yù)緊力大小的微調(diào)。上述閥芯3內(nèi)沿軸向具有導(dǎo)氣通道，用來將閥芯3下游壓力導(dǎo)入噴注器殼體2的氣體內(nèi)腔201，閥芯3上游氣體流量的變化導(dǎo)致氣體內(nèi)腔201與液體內(nèi)腔202存在一定的壓差，通過壓差驅(qū)動閥芯3動作調(diào)節(jié)噴注面積，實(shí)現(xiàn)噴注調(diào)節(jié)。
[0029]上述流量定位可調(diào)直流噴注器，在初始狀態(tài)無推進(jìn)劑進(jìn)入噴注器時，閥芯3在彈簧4的彈力的作用下與推進(jìn)劑出口 205的斜面間緊密貼合，此時噴注器處于關(guān)閉狀態(tài)。在上游氧化劑輸送管路中閥門開啟后，管路中的高濃度過氧化氫推進(jìn)劑通過入口接頭2流入頭蓋I的內(nèi)腔101，并經(jīng)推進(jìn)劑入口204進(jìn)入噴注環(huán)形通道，此時在推進(jìn)劑壓力作用下，彈簧4被壓縮，閥芯3上移，使閥芯3與推進(jìn)劑出口 205的斜面間分離，推進(jìn)劑噴出。
[0030]本發(fā)明中為了提高噴注器的霧化效果，在閥芯3底端端部設(shè)計(jì)有一螺紋孔，將噴注器撞擊螺母9通過螺紋孔與閥芯3相連;且噴注器撞擊螺母9上開有與閥芯3內(nèi)導(dǎo)氣通道連通的通孔。噴注器撞擊螺母的直徑大于推進(jìn)劑出口 205直徑，且周向設(shè)計(jì)有鋸齒形撞擊部位；由此，當(dāng)推進(jìn)劑從環(huán)形噴注通道7噴出后，會撞擊螺母9的鋸齒形撞擊部位，破碎霧化進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃燒室。
[0031]發(fā)動機(jī)工作時，噴注器殼體2的氣體內(nèi)腔201的壓力即為發(fā)動機(jī)燃燒室壓力，發(fā)動機(jī)正常工作狀態(tài)中，閥芯3開度在液體內(nèi)腔202壓力、彈簧5的彈力和氣體內(nèi)腔201壓力的三力平衡狀態(tài)下保持穩(wěn)定;在變推力工作狀態(tài)中，隨著上游流量的變化，發(fā)動機(jī)燃燒室壓力隨之改變，破壞上一工況的平衡狀態(tài)達(dá)到另一平衡位置，從而改變閥芯3開度，調(diào)節(jié)噴注面積。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，其特征在于:包括頭蓋、噴注器殼體、閥芯、上蓋、入口接頭與撞擊螺母； 所述頭蓋內(nèi)部具有內(nèi)腔A;頂面開有推進(jìn)劑入口，與入口接頭相連； 所述噴注器殼體內(nèi)部具有內(nèi)腔B，固定安裝于內(nèi)腔A內(nèi)，并保證噴注器殼體側(cè)壁與內(nèi)腔A壁面間具有間隙；噴注器殼體外壁上設(shè)有推進(jìn)劑入口，推進(jìn)劑入口與內(nèi)腔B連通;噴注器殼體底端開有推進(jìn)器出口；噴注器殼體頂部還安裝有上蓋； 所述閥芯設(shè)置于內(nèi)腔B內(nèi)；閥芯內(nèi)部沿閥芯軸向設(shè)計(jì)有導(dǎo)氣通道；閥芯外壁周向具有環(huán)形凸臺，將閥芯分為上部分與下部分，同時通過環(huán)形凸臺將內(nèi)腔B分為上部分氣體內(nèi)腔與下部分液體內(nèi)腔;且下部分液體內(nèi)腔與內(nèi)腔A間通過推進(jìn)器入口連通；閥芯上部分套有彈簧，彈簧由上蓋施加預(yù)緊力，使閥芯底端將推進(jìn)器出口封堵。2.如權(quán)利要求1所述一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，其特征在于:所述推進(jìn)劑出口設(shè)計(jì)有倒角，使推進(jìn)劑出口處形成斜面，與閥芯底部周向上設(shè)計(jì)的斜面配合貼合。3.如權(quán)利要求1所述一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，其特征在于:彈簧上端與上蓋間設(shè)置有預(yù)緊墊片，同時在噴注器殼體頂端設(shè)置有限位墊片，并使限位墊片位于上蓋周向上設(shè)計(jì)的凹槽內(nèi)；通過預(yù)緊墊片和限位墊片實(shí)現(xiàn)彈簧預(yù)緊力大小的微調(diào)。4.如權(quán)利要求1所述一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，其特征在于:閥芯底端端部設(shè)計(jì)有螺紋孔，噴注器撞擊螺母通過螺紋孔與閥芯相連;且噴注器撞擊螺母上開有與導(dǎo)氣通道同軸且連通的開孔；由此使噴出的推進(jìn)劑撞擊噴注器撞擊螺母，破碎霧化進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃燒室。5.如權(quán)利要求5所述一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，其特征在于:所述噴出器撞擊螺母周向設(shè)計(jì)有鋸齒形推進(jìn)劑撞擊部位。6.如權(quán)利要求1?5所述一種適用于高濃度過氧化氫變推力固液火箭發(fā)動機(jī)的流量定位可調(diào)直流噴注器，其特征在于:初始狀態(tài)，無推進(jìn)劑進(jìn)入噴注器時，閥芯在彈簧的彈力的作用下將推進(jìn)劑出口封堵，此時噴注器處于關(guān)閉狀態(tài);推進(jìn)劑供給時，推進(jìn)劑通過入口接頭流入內(nèi)腔A，并經(jīng)推進(jìn)劑入口進(jìn)入液體內(nèi)腔，此時在推進(jìn)劑壓力作用下，彈簧被壓縮，閥芯上移，使閥芯與推進(jìn)劑出口分離，推進(jìn)劑噴出。
【文檔編號】F02K9/32GK105863882SQ201610270582
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】俞南嘉, 趙博, 王玨
【申請人】北京航空航天大學(xué)