[发明专利]双同轴气-气喷嘴

说明书

【技术领域】

本发明涉及液体火箭发动机喷嘴，尤其涉及一种在燃烧室内形成“燃料-氧化剂-燃料”推进剂分布情况的双同轴气-气喷嘴。

【背景技术】

喷嘴是液体火箭发动机中的重要部件，它的功能是将推进剂引入燃烧室，组织推进剂的燃烧，使混合物中燃料和氧化剂比例得当，组分沿燃烧室横截面分布均匀。

液体火箭发动机是推进剂为液体的发动机，但是，在某些种类的液体火箭发动机中，燃料和氧化剂在喷入燃烧室掺混燃烧之前已经转化为气态，因此需要对气-气喷嘴技术进行研究。比如在全流量补燃循环液体火箭发动机中，全部流量的液态推进剂先进入富氧预燃室和富燃预燃室初步燃烧，形成高温的富氧燃气和富燃燃气，然后两种燃气再进入主燃烧室继续掺混补燃，因此在全流量补燃循环发动机的主燃烧室中需要使用气-气喷嘴，即喷射的燃料和氧化剂均为气态的喷嘴。

当液态推进剂喷入燃烧室内时，推进剂液滴会经历雾化、蒸发、掺混和燃烧四个过程，推进剂液滴越小越有利于加快雾化和蒸发过程，从而加快掺混并使燃烧更加完全，提高燃烧效率。为使液体推进剂破碎成为直径小的液滴，发动机头部需要多个较小直径的单喷嘴，而这会增加结构复杂性和制造成本。

气体推进剂在燃烧室中只有掺混和燃烧过程，因此可通过增大单喷嘴的流量，实现发动机头部喷嘴数目的减少以降低结构复杂程度和成本。但是，若使用传统结构的同轴剪切喷嘴，当单喷嘴流量大幅增加时，会导致推进剂不能在燃烧室内完全燃烧，使燃烧效率下降。

公知的是，同轴气-气喷嘴喷射燃料和氧化剂到燃烧室内时，掺混燃烧首先发生在两种推进剂的接触面(即燃烧面)上，增大接触面面积对加快燃烧过程、缩短燃烧长度、提高燃烧效率有利。因此，扩大燃料和氧化剂的接触面积是气-气同轴喷嘴研究的一个重要目标。

【发明内容】

本发明创造性地提出了一种双同轴气-气喷嘴，采用在中心燃料喷孔和外圈环形燃料喷孔中间夹设环形氧化剂喷孔结构，使喷射的推进剂形成“燃料-氧化剂-燃料”的分布形态，从而使燃料和氧化剂形成内、外两个燃烧面。

本发明双同轴气-气喷嘴的结构如下所述。

双同轴气-气喷嘴，包括喷嘴主体(1)和圆柱套筒(2)，喷嘴主体(1)为圆柱状，由外径递减的上段(4)、中段(5)和下段(6)组成，圆柱套筒侧壁设有多个通孔(3)，圆柱套筒(2)一端连接在喷嘴主体(1)上段和中段之间的台肩(7)上构成一个整体，并且在圆柱套筒和喷嘴主体之间形成有环形空腔(8)。喷嘴主体内部形成有中心喷孔(9)和环形喷孔(10)，喷嘴主体侧面周向开设有3个径向孔(11)使中心喷孔(9)与环形空腔(8)连通，三个径向孔的总面积大于中心喷孔(9)面积的1.5倍；喷嘴主体上端面上沿圆周均布有3个与环形喷孔(10)连通的扇形流体通道(12)，环形喷孔(10)的面积是流体通道(12)总面积的2-4倍，流体通道(12)的长度L大于其单个扇形面积水力直径的3倍。从通孔(3)通入燃料，从流体通道(12)通入氧化剂，从而在燃烧室内形成“燃料-氧化剂-燃料”的推进剂分布情况，即燃烧室内形成两个燃烧面。

本发明通过增大推进剂之间的接触面积可加快燃烧过程、缩短燃烧长度、提高燃烧效率，并可大量减少头部的喷嘴数目以降低结构复杂程度和制造成本。本发明基于而不局限于液体火箭发动机，还可以用于其他涉及气-气喷注的装置或设备中。

【附图说明】

图1是本发明双同轴气-气喷嘴剖视图

图2是图1中A-A截面视图

图3是图1中B向视图

图4是分体式喷嘴主体结构示意图

【具体实施方式】

本发明首次提出双同轴气-气喷嘴，能在大流量工况下实现高的燃烧效率。提供了双同轴气-气喷嘴及其设计方法，能保证推进剂能高效、稳定的燃烧，设计方法简单有效。使用双同轴喷嘴的发动机，可大量减少头部的喷嘴数目。