[发明专利]具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴，主要应用于液体火箭发动机推力室、预燃室喷注器设计及液体雾化等领域。

背景技术

随着航天动力装置对高能能源的追求，含金属颗粒的推进剂成为化学推进剂的一个重要发展方向。但金属颗粒的推进剂粘度极大，有些甚至呈现出非牛顿流体的性质，使得这些推进剂的雾化及其困难。本申请人于2011年1月4日申请了中国发明专利，申请号为20110000641.3，为一种《用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴》，该专利采用两股或多股自激振荡的射流相互撞击的方法使液体失稳及雾化。该用于复杂流体雾化的自激振荡射流撞击式喷嘴，具体包括集液腔壳体，喷注面板，谐振腔壳体。集液腔壳体与喷注面板之间通过法兰连接，并使用密封垫片进行密封，这样集液腔壳体与喷注面板之间形成一个大的空腔称为集液腔。喷注面板底部中心有一圆台形内凹空间，垂直于圆台内凹空间的侧面对称布置两个或多个喷孔，喷孔轴线与喷注面板中心轴线呈一定角度，该角度取值范围为15°～45°之间，且所有喷孔轴线相交于喷注面板中心轴线上的一点。喷注面板上部中心圆台侧面布置有喷孔入口，喷孔入口处有内螺纹。谐振腔壳体上设有谐振腔入口，谐振腔壳体外表面有外螺纹，该谐振腔壳体通过喷口入口的内螺纹与喷注面板连接。谐振腔壳体与喷注面板之间形成两个或多个谐振腔。射流的自激振荡是由上游的圆柱形谐振腔产生的：由于液流的扰动波在谐振腔内不断地反射撞击，出现了自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流由两个或多个喷孔喷出，相互撞击后雾化。该技术的不足之处是圆柱形谐振腔形成的自激振荡不强烈，射流撞击力不强，雾化效果还有进一步提高的潜力。

本发明旨在提供一种具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴，可改善自激振荡射流撞击喷嘴的雾化效果，提高液体火箭发动机的燃烧效率和比冲。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴，使用该喷嘴可以在较低压力下达到较好的雾化效果，提高液体火箭发动机的燃烧效率和比冲，而且方便可靠，结构简单。

本发明提供一种具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴，其技术方案是：流体由供应系统进入集液腔，从位于集液腔内的谐振腔入口以高速射流的形式进入谐振腔，由于流道面积的突扩以及腔内气体与射流之间发生动量交换，形成一定厚度的不稳定剪切层，剪切层内夹带着旋涡并向下游运动。当具有初始扰动的射流与不断产生的旋涡一起到达下游碰撞壁时，在碰撞区诱发出一定频率的压力扰动波。该扰动波又高速向上游反射至上游入口处，若此时压力波相位与射流初始振荡相位一样，整个流体的振荡被叠加、放大。重复上述过程，即出现了自激振荡脉冲射流。锥形反射面的存在使碰撞区域的扰动向敏感的剪切层分离区传播，有利于拟序大结构旋涡的形成，从而引发自激振荡。对于能产生自激振荡的工况，适当的反射面锥角可使腔内损失降至最小。自激振荡脉冲射流由两个或多个喷孔喷出，射流撞击形成液膜。由于射流形成了自激振荡，射流撞击后所形成的液膜将变得更不稳定，缩短液膜破碎距离，加速液膜破碎雾化。

本发明一种具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴：具体包括集液腔壳体，喷注面板，谐振腔壳体。连接关系是：集液腔壳体上部中心有螺纹孔可与供应管路连接。集液腔壳体与喷注面板之间通过法兰连接，并使用密封垫片进行密封，这样集液腔壳体与喷注面板之间形成一个大的空腔称为集液腔。喷注面板底部中心有一圆台形内凹空间，垂直于圆台内凹空间的侧面对称布置两个或多个喷孔，喷孔轴线与喷注面板中心轴线呈一定角度，该角度取值范围为15°～45°之间，且所有喷孔轴线相交于喷注面板中心轴线上的一点。喷注面板上部中心圆台侧面布置有喷孔入口。谐振腔壳体外表面有外螺纹，谐振腔壳体与喷注面板之间形成两个或多个谐振腔。其特征在于：所述的喷孔入口外表为锥形反射面，喷孔入口位于一沉孔内，沉孔侧壁有内螺纹；所述的谐振腔壳体的内孔上段为直径较小的谐振腔入口，中段为上小下大的圆锥形孔，下段为直径较大的直孔；所述的谐振腔壳体外表面的外螺纹与所述沉孔侧壁处的内螺纹连接。

其中，为了形成自激振荡射流，喷孔直径应小于谐振腔入口直径；谐振腔直孔的直径与喷孔直径之比范围应为6～9，谐振腔长度(即从喷孔入口至谐振腔入口处的长度)与谐振腔直孔的直径之比范围应为0.4～0.9；锥形反射面母线与谐振腔中心线夹角应为50°～90°之间，通过实验发现最佳角度为60°。

其中，喷孔为圆柱形孔或锥形孔，孔的收缩角范围为0～30°。

其中，谐振腔入口为圆柱形孔或锥形孔，孔的收缩角范围为0～30°。