用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴的製作方法
2023-04-27 17:22:21 4
專利名稱：用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，主要應用於液 體火箭發動機推力室、預燃室噴注器設計及液體霧化等領域。
背景技術：
液體射流撞擊是一種很有效的霧化和混合方法。在使用液體推進劑的火箭發 動機推力室中，撞擊式噴嘴也得到了廣泛的應用，如美國阿波羅登月計劃所使用的「土 星」 -5運載火箭中的F-I發動機就使用這種形式的噴嘴。撞擊式噴嘴利用推進劑的動壓 頭使沿相反方向運動的另一股推進劑射流失穩，進而使液體破碎成液帶和液滴。
隨著航天動力裝置對高能能源的追求，含金屬顆粒的推進劑成為化學推進劑的 一個重要發展方向。然而，添加金屬成分雖能使推進劑的比衝等參數提高，但卻使推進 劑的粘度極大的提高，有些推進劑甚至呈現出非牛頓流體的性質(如粘度隨剪切速率變 化等)。高粘度流體和非牛頓流體在此統稱為複雜流體。目前液體火箭發動機中針對復 雜流體霧化使用的仍是常規的牛頓流體霧化方法及常規噴嘴(如氣動霧化噴嘴、針栓式 噴嘴等)，但由於複雜流體區別於普通推進劑的高粘度的特性，造成這些常規的霧化方 法和噴嘴的霧化效果並不很好，而且這些噴嘴往往結構複雜，製造成本高。因此，設計 出能對複雜流體產生良好霧化效果的噴嘴是未來推進系統中應用高能推進劑的關鍵技術 之一。
本發明旨在提供一種帶諧振腔的撞擊式噴嘴，可改善複雜流體的霧化效果，提 高液體火箭發動機的燃燒效率和比衝。發明內容
本發明的目的是提供一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，使用 該噴嘴可以在較低壓力下達到較好的霧化效果，而且方便可靠，結構簡單。
本發明提供一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，其技術方案 是流體由供應系統進入集液腔，從位於集液腔內的諧振腔入口以高速射流的形式進入 諧振腔，由於流道面積的突擴以及腔內氣體與射流之間發生動量交換，形成一定厚度的 不穩定剪切層，剪切層內夾帶著旋渦並向下遊運動。當具有初始擾動的射流與不斷產生 的旋渦一起到達下遊碰撞壁時，在碰撞區誘發出一定頻率的壓力擾動波。該擾動波又高 速向上遊反射至上遊入口處，若此時壓力波相位與射流初始振蕩相位一樣，整個流體的 振蕩被疊加、放大。重複上述過程，即出現了自激振蕩脈衝射流。自激振蕩脈衝射流由 兩個或多個噴孔噴出，射流撞擊形成液膜。由於射流形成了自激振蕩，射流撞擊後所形 成的液膜將變得更不穩定，縮短液膜破碎距離，加速液膜破碎霧化。
本發明一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴具體包括集液腔殼 體，噴注面板，諧振腔殼體。連接關係是集液腔殼體上部中心有螺紋孔可與供應管 路連接。集液腔殼體與噴注面板之間通過法蘭連接，並使用密封墊片進行密封，這樣集液腔殼體與噴注面板之間形成一個大的空腔稱為集液腔。噴注面板底部中心有一圓臺形 內凹空間，垂直於圓臺內凹空間的側面對稱布置兩個或多個噴孔，噴孔軸線與噴注面板 中心軸線呈一定角度，該角度取值範圍為15° 45°之間，且所有噴孔軸線相交於噴注面 板中心軸線上的一點。噴注面板上部中心圓臺側面布置有噴孔入口，噴孔入口處有內螺 紋。諧振腔殼體上設有諧振腔入口，諧振腔殼體外表面有外螺紋，該諧振腔殼體通過噴 口入口的內螺紋與噴注面板連接。諧振腔殼體與噴注面板之間形成兩個或多個諧振腔。
其中，為了形成自激振蕩射流，噴孔直徑應小於諧振腔入口直徑諧振腔直徑 與諧振腔入口直徑之比應不大於6，諧振腔長度與諧振腔入口直徑之比應不大於5。
其中，噴孔為圓柱形孔或錐形孔。
其中，諧振腔入口為圓柱形孔或錐形孔。
本發明一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，其優點及功效在 於使用該噴嘴可以在較低壓力下對複雜流體達到較好的霧化效果，而且方便可靠，結 構簡單。
本發明實施例一的兩股自激振蕩射流撞擊式噴嘴。 圖1的A-A面剖視圖。 圖1的局部C的放大圖。 集液腔殼體剖面圖。 集液腔殼體俯視圖。 噴注面板。圖6的A-A面剖視圖。諧振腔殼體。自激振蕩射流撞擊式噴嘴與普通撞擊式噴嘴霧化效果對比。 本發明實施例二的三股自激振蕩射流撞擊式噴嘴。 圖10的A-A面剖視圖。 圖10的局部C的放大圖。 圖中標號說明如下1集液腔殼體，2噴注面板，3密封墊片，4諧振腔殼體，11 集液腔進口，12集液腔，21噴孔，22噴孔入口，23內凹空間，231側面，41諧振腔， 42諧振腔入口。
圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
圖6
圖7
圖8
圖9
圖10
圖11
圖1具體實施方式
實施例一如圖1、2、3所示，本發明一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流 撞擊式噴嘴，主要由集液腔殼體1、噴注面板2、密封墊片3和諧振腔殼體4組成。圖4、 5為集液腔殼體1，由集液腔進口 11和集液腔12組成。圖6、7為噴注面板2，其上有兩 個噴孔21，噴孔與噴注面板2的軸線成一定角度且對稱布置。在噴注面板另一側有兩個 噴孔入口 22。圖8為諧振腔殼體4，其上設有諧振腔41，以及諧振腔入口 42。集液腔 殼體1與噴注面板2用螺栓以法蘭的方式進行連接。集液腔殼體1與噴注面板2之間通 過密封墊片3密封，防止流體滲漏。噴孔入口 22與兩個諧振腔殼體4通過螺紋連接，使噴注面板2與兩個諧振腔殼體4之間形成兩個諧振腔41。諧振腔入口 42處於集液腔12 內，諧振腔的出口即為噴孔21。諧振腔41的直徑At與諧振腔入口 42的直徑A的比值 不大於6，諧振腔41的長度Zx與諧振腔入口 42的直徑A比值不大於5，噴孔21的直徑 D0小於諧振腔入口 42的直徑O。
該噴嘴在工作時，供應系統管路中的複雜流體經集液腔進口 11流入集液腔12。 然後液流從位於集液腔12內的兩個諧振腔入口 42以高速射流的形式分別進入兩個諧振腔 41。由於流道面積突然擴大以及諧振腔41內原本存在的氣體與射流之間發生剪切，對射 流形成一種擾動的作用。產生了擾動的射流繼續向諧振腔出口即噴孔21運動，當射流與 不斷發展的擾動一起到達噴孔21處的壁面發生碰撞，擾動波又向上遊反射直到諧振腔入 口 42。若反射回來的擾動波相位與射流初始擾動相位一樣,整個流體的振蕩將被疊加、放 大。經擾動波反覆在諧振腔41內來回反射、疊加，形成了自激振蕩脈衝射流。自激振 蕩脈衝射流從兩個噴孔21噴出並在噴注面板2下遊某處相撞，進而霧化。由於自激振蕩 的射流非常不穩定，再加上兩股射流相互利用對方的動量，使得流體霧化效果更好。圖 9為在相同條件下使用普通撞擊式噴嘴和自激振蕩射流撞擊式噴嘴用於某高粘度複雜流體 霧化的實驗結果。其中液膜破碎長度定義為從撞擊點到液膜破碎產生液帶的軸向距離。 從圖9中可以看出自激振蕩射流撞擊式噴嘴產生的液膜破碎長度明顯比普通撞擊式噴嘴 產生液膜的破碎長度要短，霧化效果更好。
實施例二 一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，實施例二如圖 10、11、12所示，實施例二與實施例一的主要區別在於噴注面板2底部均勻布置3個 噴孔21，對應地在噴注面板上部有3個噴孔入口 22。這樣就構成了三股自激振蕩射流撞 擊式噴嘴。
施例二與實施例一的另一不同之處在於噴孔21以及諧振腔入口 42都為錐形通道 (如圖12)。由於錐形通道內沿著軸線方向流體流動的剪切速率是增大的，這樣對於具有剪切變稀性質的複雜流體就有稀化作用。將噴孔21以及諧振腔入口 42都設計成錐形 通道的形式，降低了複雜流體的表觀粘度，改善了複雜流體的霧化效果。
該噴嘴在工作時，供應系統管路中的複雜流體經集液腔進口 11流入集液腔12。 然後液流從位於集液腔12內的三個錐形的諧振腔入口 42以高速射流的形式分別進入三個 諧振腔41。由於流道面積突然擴大以及諧振腔41內原本存在的氣體與射流之間發生剪 切，對射流形成一種擾動的作用。產生了擾動的射流繼續向諧振腔出口即噴孔21運動， 當射流與不斷發展的擾動一起到達噴孔21處的壁面發生碰撞，擾動波又向上遊反射直到 諧振腔入口 42。若反射回來的擾動波相位與射流初始擾動相位一樣,整個流體的振蕩將被 疊加、放大。經擾動波反覆在諧振腔41內來回反射、疊加，形成了自激振蕩脈衝射流。 自激振蕩脈衝射流從三個錐形噴孔21噴出並在噴注面板2下遊某處相撞，進而霧化。由 於採用了具有錐形通道形式的諧振腔入口 42以及噴孔21，降低了複雜流體的表觀粘度， 改善了複雜流體的霧化效果。
權利要求
1.一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，其特徵在於該噴嘴具體包 括集液腔殼體，噴注面板，諧振腔殼體；連接關係是集液腔殼體上部中心有螺紋孔 可與供應管路連接；集液腔殼體與噴注面板之間通過法蘭連接，並使用密封墊片進行密 封，這樣集液腔殼體與噴注面板之間形成一個大的空腔稱為集液腔；噴注面板底部中心 有一圓臺形內凹空間，垂直於圓臺內凹空間的側面對稱布置兩個或多個噴孔，噴孔軸線 與噴注面板中心軸線呈一定角度，且所有噴孔軸線相交於噴注面板中心軸線上的一點； 噴注面板上部中心圓臺側面布置有噴孔入口，噴孔入口處有內螺紋；諧振腔殼體上設有 諧振腔入口，諧振腔殼體外表面有外螺紋，該諧振腔殼體通過噴口入口的內螺紋與噴注 面板連接；諧振腔殼體與噴注面板之間形成兩個或多個諧振腔。
2.根據權利要求1所述的用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，其特徵在 於所述的噴孔直徑應小於諧振腔入口直徑，諧振腔直徑與諧振腔入口直徑之比應不大 於6，諧振腔長度與諧振腔入口直徑之比應不大於5。
3.根據權利要求1所述的用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，其特徵在 於所述噴孔軸線與噴注面板中心軸線呈一定角度，該角度取值範圍為15° 45°之間。
4.根據權利要求1所述的用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，其特徵在 於所述的諧振腔入口為圓柱形孔或錐形孔。
全文摘要
本發明一種用於複雜流體霧化的自激振蕩射流撞擊式噴嘴，包括集液腔殼體，噴注面板，諧振腔殼體；集液腔殼體上部中心有螺紋孔與供應管路連接；集液腔殼體與噴注面板通過法蘭連接，並用密封墊片密封，集液腔殼體與噴注面板間的空腔為集液腔；噴注面板底部中心有一圓臺形內凹空間，垂直於圓臺內凹空間的側面對稱布置兩個或多個噴孔，噴孔軸線與噴注面板中心軸線呈一定角度，且所有噴孔軸線相交於噴注面板中心軸線上的一點；噴注面板上部中心圓臺側面布置有噴孔入口，噴孔入口處有內螺紋；諧振腔殼體上設有諧振腔入口，諧振腔殼體外表面有外螺紋，該諧振腔殼體通過噴口入口的內螺紋與噴注面板連接；諧振腔殼體與噴注面板之間形成兩個或多個諧振腔。
文檔編號B05B1/34GK102019236SQ20111000064
公開日2011年4月20日 申請日期2011年1月4日 優先權日2011年1月4日
發明者富慶飛, 屈元元, 楊立軍, 谷彬 申請人:北京航空航天大學