用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构及验证方法技术

本发明专利技术为解决目前研制针栓喷注器推力室过程中，在兼顾高燃烧效率、身部可靠冷却性时，需要考虑多重影响因素，验证的工作量非常大，需要试车次数多，研制成本高、研制周期长的技术问题，而提供了一种用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构及验证方法。该验证结构代替推力室的一体化结构，通过设计不同样式的冷却环，更换不同厚度的调整环和延长环，实现多影响因素的快速验证，显著缩短针栓喷注器推力室研制周期，快速确定推力室技术状态，并且可以在同一燃烧场条件下完成多因素直接对比，可以排除产品装配状态、测量系统波动带来的干扰，对比的结果准确性高、更可信。更可信。更可信。

Verification structure and method of modular thrust chamber for optimization of needle plug injector

【技术实现步骤摘要】
用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构及验证方法


[0001]本专利技术属于液体火箭发动机
，具体涉及一种用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构及验证方法。

技术介绍

[0002]针栓式喷注器的概念在二十世纪五十年代就已提出，目前广泛用于变推力或固定推力的液体火箭发动机。以TRW公司为代表，经过近六十年的技术发展，研制了众多针栓式固定推力和变推力液体火箭发动机，其中六十多种针栓式发动机得到了热试考核。从二十世纪九十年代开始，重点开展了液氧/液氢、液氧/煤油等大推力针栓发动机研究，在低温推进剂应用、低成本方案取得了显著的成果。针栓喷注器结构简单、结构可靠性高，易于实现重复使用。针栓喷注器为单喷注单元，虽然结构简单，但是影响燃烧效率、身部冷却的因素多，需要通过试车对各种影响因素进行优化，从而确定能够兼顾高燃烧效率、身部可靠冷却的推力室技术方案。
[0003]针栓喷注器典型流场结构见图1，中心路与外圈推进剂撞击后形成一定角度喷雾扇，喷雾扇上形成上回流区A，喷雾扇以下形成中心回流区B，在合成喷雾扇以下适当位置引入冷却液膜，对身部进行冷却，保证身部可靠冷却。
[0004]在研制过程中需要优化冷却环内侧壁的角度、冷却液膜量、冷却孔直径、冷却孔间距、冷却孔角度等，在保证身部可靠冷却的同时尽量降低冷却液膜比例；上回流区尺度、中心回流区尺度、推力室长度、合成射流C击壁位置与冷却液膜相对距离、冷却液膜与喉部距离等参数也需要进行详细验证，从而兼顾燃烧效率与身部可靠冷却。十几个要素单独或叠加在一起影响推力室燃烧效率和喉部温度，验证的工作量非常大，需要试车次数多，研制成本高、研制周期长。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决目前研制针栓喷注器推力室过程中，在兼顾高燃烧效率、身部可靠冷却性时，需要考虑多重影响因素，验证的工作量非常大，需要试车次数多，研制成本高、研制周期长的技术问题，而提供了一种用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构及验证方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，其特殊之处在于：包括依次密封连接的针栓喷注器、调整环、冷却环、延长环以及身部；
[0008]所述针栓喷注器、调整环和冷却环螺栓连接；
[0009]所述冷却环、延长环和身部螺栓连接；
[0010]以推力室身部的轴线中心，定义冷却环的内侧壁与身部径向平面的夹角为第一倾斜角，所述冷却环的内侧壁设置至少两种不同的角度的第一倾斜角；
[0011]在冷却环的靠近身部的一端加工至少两组冷却孔，定义冷却孔的轴线与身部径向
平面的夹角为第二倾斜角，各冷却孔的孔径、冷却孔之间圆周方向距离及冷却孔的第二倾斜角均不相同。
[0012]进一步地，所述冷却环的内侧壁设置两种不同的角度的第一倾斜角，所述冷却环一侧的第一倾斜角为γ，另一侧的第一倾斜角为θ；
[0013]所述冷却孔为两组，分别为设置在冷却环一侧靠近身部的端部的第二倾斜角为α的第一冷却孔，以及设置在冷却环另一侧靠近身部的端部的第二倾斜角为β的第二冷却孔；
[0014]所述冷却环上分别设置与第一冷却孔连通的第一冷却路接管嘴和与第二冷却孔连通的第二冷却路接管嘴。
[0015]进一步地，所述γ和θ为70
°
～90
°
范围内的不同角度值；
[0016]所述α和β为90
°
～100
°
范围内的不同角度值；
[0017]所述冷却孔径的范围为0.3mm～2.0mm；
[0018]所述冷却孔之间圆周方向距离的范围5mm～15mm。
[0019]进一步地，所述针栓喷注器与调整环之间和调整环与冷却环之间分别通过第一石墨密封环和第二石墨密封环密封；
[0020]所述冷却环与延长环之间和延长环与身部6分别通过第三石墨密封环和第四石墨密封环密封。
[0021]本专利技术还提供了一种用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证方法，采用上述的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0022]步骤1、以推力室身部的轴线中心，在冷却环的内侧壁设置至少两种不同的角度的第一倾斜角；
[0023]在冷却环的靠近身部的一端加工至少两组冷却孔径、冷却孔之间圆周方向距离、第二倾斜角均不相同的冷却孔；
[0024]步骤2、选定初始厚度的调整环和延长环，连接模块化推力室验证结构；设定冷却路初始流量，进行第一次试车考核验证，测量、记录并对比不同冷却环内侧壁角度、冷却孔径、冷却孔之间圆周方向距离不同的冷却孔对应的喉部温度；
[0025]步骤3、保持步骤2模块化推力室验证结构不变，改变冷却路流量，分别进行试车考核验证，通过红外温度测量、记录并对比不同冷却环内侧壁角度、冷却孔径、冷却孔之间圆周方向距离不同的冷却孔对应的喉部温度，获得不同冷却路流量对喉部温度影响趋势；
[0026]步骤4、根据步骤3获得的不同冷却路流量对喉部温度影响趋势，选择最优的冷却路流量及模块化推力室验证结构，再次进行试车考核验证，测量此时的喉部温度和燃烧效率；
[0027]若喉部温度和燃烧效率均满足设计要求，则确定推力室技术状态；
[0028]若喉部温度或燃烧效率不满足设计要求，则进入步骤5；
[0029]步骤5、通过更换不同厚度的调整环和延长环，返回步骤1，直至喉部温度、燃烧效率均满足设计要求。
[0030]进一步地，步骤5中，按以下规则更换调整环和延长环：
[0031]a、若步骤4测量的喉部温度偏高、燃烧效率高，则加长调整环、减小延长环且延长环的减小值应大于调整环加长量；
[0032]b、若步骤4测量的喉部温度高、燃烧效率低，则加长调整环、减小延长环且延长环
的减小值应小于调整环加长量；
[0033]c、若步骤4测量的喉部温度低、燃烧效率低，则加长延长环、加长调整环。
[0034]进一步地，所述测量喉部温度采用红外测温。
[0035]与现有技术相比，本专利技术具有的有益技术效果如下：
[0036]1、本专利技术提出的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，代替推力室的一体化结构，通过设计不同样式的冷却环，更换不同厚度的调整环和延长环，解决了之前依据经验完成初始设计，试车后结果不理想时再重新设计的繁琐工作。
[0037]2、本专利技术提出的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证验证方法，可以实现多影响因素的快速验证，显著缩短针栓喷注器推力室研制周期，快速确定推力室技术状态，并且可以在同一燃烧场条件下完成多因素直接对比，可以排除产品装配状态、测量系统波动带来的干扰，对比的结果准确性高、更可信。
[0038]3、本专利技术提出的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证方法，克服了目前设计过程中，在多重影响因素下设计经验存在较大局限性，需要较多次试车才能确定产品状态，推力室研制周期长、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，其特征在于：包括依次密封连接的针栓喷注器(1)、调整环(2)、冷却环(3)、延长环(4)以及身部(6)；所述针栓喷注器(1)、调整环(2)和冷却环(3)螺栓连接；所述冷却环(3)、延长环(4)和身部(6)螺栓连接；以推力室身部(6)的轴线中心，定义冷却环(3)的内侧壁与身部(6)径向平面的夹角为第一倾斜角，所述冷却环(3)的内侧壁设置至少两种不同的角度的第一倾斜角；在冷却环(3)的靠近身部(6)的一端加工至少两组冷却孔，定义冷却孔的轴线与身部(6)径向平面的夹角为第二倾斜角，各冷却孔的孔径、冷却孔之间圆周方向距离及冷却孔的第二倾斜角均不相同。2.根据权利要求1所述的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，其特征在于：所述冷却环(3)的内侧壁设置两种不同的角度的第一倾斜角，所述冷却环(3)一侧的第一倾斜角为γ，另一侧的第一倾斜角为θ；所述冷却孔为两组，分别为设置在冷却环(3)一侧靠近身部(6)的端部的第二倾斜角为α的第一冷却孔(19)，以及设置在冷却环(3)另一侧靠近身部(6)的端部的第二倾斜角为β的第二冷却孔(20)；所述冷却环(3)上分别设置与第一冷却孔(19)连通的第一冷却路接管嘴(17)和与第二冷却孔(20)连通的第二冷却路接管嘴(18)。3.根据权利要求2所述的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，其特征在于：所述γ和θ为70
°
～90
°
范围内的不同角度值；所述α和β为90
°
～100
°
范围内的不同角度值；所述冷却孔径的范围为0.3mm～2.0mm；所述冷却孔之间圆周方向距离的范围5mm～15mm。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的用于针栓喷注器优化的模块化推力室验证结构，其特征在于：所述针栓喷注器(1)与调整环(2)之间和调整环(2)与冷却环(3)之间分别通过第一石墨密封环(7)和第二石墨密封环(8)密封；所述冷却环(3)与延长环(4)之间和延长环(4)与身部6分别通过第三石...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋大亮，凌前程，李龙飞，王化余，卞香港，章荣军，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：