具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴

摘要

本发明为具有锥形反射面谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴：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连接，集液腔壳体与喷注面板之间为集液腔；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15°～45°；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；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；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；谐振腔壳体外表面的外螺纹与沉孔侧壁处的内螺纹连接。

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°。

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，其优点及功效在于：使用该喷嘴可以在较低压力下对复杂流体达到较好的雾化效果，而且方便可靠，结构简单；与具有圆柱形谐振腔的自激振荡射流撞击式喷嘴相比，其谐振腔设计更为合理，有效提高了自激振荡射流撞击式喷嘴的雾化性能。

附图说明

图1：本发明实施例一的两股自激振荡射流撞击式喷嘴。

图2：图1的A-A面剖视图。

图3：图1的局部C的放大图。

图4：集液腔壳体剖面图。

图5：集液腔壳体俯视图。

图6：喷注面板仰视图。

图7：图6的A-A面剖视图。

图8：图7的局部B的放大图。

图9：谐振腔壳体剖视图。

图10：本发明实施例二的三股自激振荡射流撞击式喷嘴。

图11：图9的A-A面剖视图。

图12：图9的局部C的放大图。

图中标号说明如下：

1集液腔壳体，2喷注面板，3密封垫片，4谐振腔壳体，11集液腔进口，12集液腔，21喷孔，22喷孔入口，23内凹空间，231侧面，24反射面，25沉孔，41谐振腔，42谐振腔入口。

具体实施方式

实施例一：

如图1、2、3所示，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，主要由集液腔壳体1、喷注面板2、密封垫片3和谐振腔壳体4组成。图4、5为集液腔壳体1，由集液腔进口11和集液腔12组成。图6、7、8为喷注面板2，喷注面板2底部中心有一圆台形内凹空间23，垂直于圆台内凹空间的侧面231对称布置有两个喷孔21，喷孔21与喷注面板2的轴线成一定角度且对称布置，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。在喷注面板上部布置有两个沉孔25，沉孔25的侧壁有内螺纹；两个喷孔入口22分别位于两个沉孔25内，喷孔入口22的外表面为锥形反射面24。图9为谐振腔壳体4，其上设有谐振腔41，以及谐振腔入口42；谐振腔壳体4外表面有外螺纹。集液腔壳体1与喷注面板2用螺栓以法兰的方式进行连接。集液腔壳体1与喷注面板2之间通过密封垫片3密封，防止流体渗漏。两个沉孔25侧壁的内螺纹与两个谐振腔壳体4外表面的外螺纹相连接，使喷注面板2与两个谐振腔壳体4之间形成两个谐振腔41。谐振腔41上段为直径较小的谐振腔入口42，中段为上小下大的圆锥形孔，下段为直径较大的直孔。谐振腔入口42处于集液腔12内，谐振腔的出口即为喷孔21。谐振腔41的直孔的直径D_x与喷孔21的直径D_o的比值范围为6～9，谐振腔41的长度(即从喷孔入口至谐振腔入口处得长度)L_x与谐振腔41的直孔的直径D_x比值的范围为0.4～0.9，喷孔21的直径D_o小于谐振腔入口42的直径D_i。锥形反射面24母线与谐振腔41中心线夹角应为50°～90°之间，通过实验发现最佳角度为60°。

该喷嘴在工作时，供应系统管路中的复杂流体经集液腔进口11流入集液腔12。然后液流从位于集液腔12内的两个谐振腔入口42以高速射流的形式分别进入两个谐振腔41。由于流道面积突然扩大以及谐振腔41内原本存在的气体与射流之间发生剪切，对射流形成一种扰动的作用。产生了扰动的射流继续向谐振腔出口即喷孔21运动，当射流与不断发展的扰动一起到达喷孔21处，与锥形反射面24发生碰撞，锥形反射面24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。而且当锥形反射面24具有合适的反射面锥角时，可使谐振腔内损失降至最小。与锥形反射面24碰撞后，扰动波又向上游反射直到谐振腔入口42。若反射回来的扰动波相位与射流初始扰动相位一样，整个流体的振荡将被叠加、放大。经扰动波反复在谐振腔41内来回反射、叠加，形成了自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流从两个喷孔21喷出并在喷注面板2下游某处相撞，进而雾化。由于自激振荡的射流非常不稳定，再加上两股射流相互利用对方的动量，使得流体雾化效果更好。

实施例二：

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，实施例二如图10、11、12所示，实施例二与实施例一的主要区别在于：喷注面板2底部均匀布置3个喷孔21，对应地在喷注面板上部有3个喷孔入口22。这样就构成了三股自激振荡射流撞击式喷嘴。

施例二与实施例一的另一不同之处在于谐振腔入口42以及喷孔21都为锥形通道(如图12)，收缩角度分别为α＝30°和β＝30°。由于锥形通道内沿着轴线方向流体流动的剪切速率是增大的，这样对于具有剪切变稀性质的复杂流体就有稀化作用。将喷孔21以及谐振腔入口42都设计成锥形通道的形式，降低了复杂流体的表观粘度，改善了复杂流体的雾化效果。

该喷嘴在工作时，供应系统管路中的复杂流体经集液腔进口11流入集液腔12。然后液流从位于集液腔12内的三个锥形的谐振腔入口42以高速射流的形式分别进入三个谐振腔41。由于流道面积突然扩大以及谐振腔41内原本存在的气体与射流之间发生剪切，对射流形成一种扰动的作用。产生了扰动的射流继续向谐振腔出口即喷孔21运动，当射流与不断发展的扰动一起到达喷孔21处，与锥形反射面24发生碰撞，锥形反射面24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。而且当锥形反射面24具有合适的反射面锥角时，可使谐振腔内损失降至最小。与锥形反射面24碰撞后，扰动波又向上游反射直到谐振腔入口42。若反射回来的扰动波相位与射流初始扰动相位一样，整个流体的振荡将被叠加、放大。经扰动波反复在谐振腔41内来回反射、叠加，形成了自激振荡脉冲射流。自激振荡脉冲射流从三个锥形喷孔21喷出并在喷注面板2下游某处相撞，进而雾化。由于采用了具有锥形通道形式的谐振腔入口42以及喷孔21，降低了复杂流体的表观粘度，改善了复杂流体的雾化效果。