过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统

1.本技术涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一种过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统。


背景技术：

2.在液体火箭发动机喷注与燃烧领域，常利用针栓喷注器调节流通面积，以实现动力系统对飞行器的变推力。其中，针栓喷注器通过伸入燃烧室内部的针栓结构，使其中一种推进剂流过针栓中心流道并在针栓头部沿放射性径向喷射，另一种推进剂通过针栓外侧环形缝隙轴向喷注。
3.现有的针栓喷注器多适用于两种液体推进剂之间，尤其是常温推进剂中，即两种常温液体通过相互撞击实现雾化与掺混，然而现有的喷注器无法适用于高浓度过氧化氢催化分解的高温气体中。
4.因此，亟需一种过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统，在一定程度上以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统，以在一定程度上解决现有技术中的中喷注器无法适用于高混合比和高浓度过氧化氢催化分解的高温气体的技术问题。
6.本技术提供了一种过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统，包括气体供给组件、针栓外筒、针栓内筒、针栓内杆、驱动组件以及燃料供给组件；
7.所述针栓外筒内形成有第一通道；所述针栓内筒的一端穿过所述第一通道，且与所述第一通道之间形成有气体流道；所述气体供给组件与所述气体流道导通；
8.所述针栓内筒内形成有第二通道，所述燃料供给组件与所述第二通道导通；
9.所述针栓内杆具有调节部和第二固定部，所述调节部穿过所述第一通道且与所述第一通道的端部形成有液体流道，所述第二固定部与所述驱动组件连接；所述驱动组件通过所述第二固定部驱动所述针栓内杆沿第一方向运动，能够改变所述液体流道的流通截面积。
10.在上述技术方案中，进一步地，还包括支撑件；
11.所述支撑件设置于所述针栓内杆上且靠近调节部。
12.在上述技术方案中，进一步地，所述支撑件为椭圆形凸起结构，且所述支撑件的长轴沿所述第一方向延伸。
13.在上述技术方案中，进一步地，所述支撑件的数量为多个，且多个所述支撑件沿所述针栓内杆的周向方向间隔排布。
14.在上述技术方案中，进一步地，所述支撑件为双螺旋结构，且所述支撑件沿所述第一方向延伸。
15.在上述技术方案中，进一步地，靠近所述调节部侧的所述第二通道沿从所述驱动组件到所述调节部的方向呈渐扩结构。
16.在上述技术方案中，进一步地，靠近所述调节部侧的所述第二通道的轴截面包括多个连续的斜面。
17.在上述技术方案中，进一步地，所述斜面为两个，分别为第一斜面和第二斜面，且所述第一斜面的斜率小于所述第二斜面的斜率；
18.靠近所述第二通道侧的所述调节部的轴截面呈第三斜面，且所述第二斜面的斜率与所述第三斜面的斜率相同。
19.在上述技术方案中，进一步地，所述最小流通截面积的计算过程包括如下步骤：
20.取所述第一斜面与所述第二斜面的交界处的一点a，通过点a向所述第三斜面做垂线，且于所述第三斜面上形成垂点b，以线段ab为母线环绕一周形成圆台abcd，此时的圆台abcd的侧面积s即是所述最小流通截面积；定义母线ab的长度为l、定义所述圆台abcd的第一底面的直径为d1、定义所述圆台abcd的第二底面的直径为d2、定义所述第三斜面以所述第二通道的轴线为中心线环绕一周形成的圆锥的锥角为θ、定义h为所述调节部的开度，即所述最小流通截面积s的计算包括如下步骤：
21.过a点向所述第三斜面作平行于所述第二通道的轴线的线段，并交于所述第三斜面于点q；根据所述第二底面的直径d2、母线长度l以及所述锥角θ，在rtδabq中，计算所述第一底面的直径d1如下：
[0022][0023]
在rtδabq中，母线长度l以及锥角θ还满足如下公式：
[0024][0025]
将公式(2)代入公式(1)中，即能得出所述第一底面的直径d1如下：
[0026][0027]
根据所述第二底面的直径d2、所述第一底面的直径d1以及母线长度l，计算所述最小流通截面积s，如下公式：
[0028][0029]
将公式(2)和公式(3)代入到公式(4)中，得到所述最小流通截面积s，如下公式：
[0030][0031]
在上述技术方案中，进一步地，所述气体供给组件包括第一接嘴以及和所述第一接嘴连通的催化床；所述催化床与所述第一通道导通；所述催化床与所述针栓外筒之间设置有第一密封件；
[0032]
所述针栓内筒与所述针栓外筒之间设置有第二密封件。
[0033]
与现有技术相比，本技术的有益效果为：
[0034]
一种过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统，包括气体供给组件、针栓外筒、针栓内筒、针栓内杆、驱动组件以及燃料供给组件；
[0035]
所述针栓外筒内形成有第一通道；所述针栓内筒的一端穿过所述第一通道，且与所述第一通道之间形成有气体流道；所述气体供给组件与所述气体流道导通；
[0036]
所述针栓内筒内形成有第二通道，所述燃料供给组件与所述第二通道导通；
[0037]
所述针栓内杆具有调节部和第二固定部，所述调节部穿过所述第一通道且与所述第一通道的端部形成有液体流道，所述第二固定部与所述驱动组件连接；所述驱动组件通过所述第二固定部驱动所述针栓内杆沿第一方向运动，能够改变所述液体流道的流通截面积。
[0038]
综上，本技术通过针栓外筒和针栓内筒实现过氧化氢催化分解气体的输送，通过针栓内筒与针栓内杆实现液体燃料的输送，通过驱动组件实现针栓内杆的移动并且实现对液体流道的最小流通截面积的控制，以使本技术适用于高浓度过氧化氢催化分解的高温气体中，更是实现了气体、液体推进剂的掺混与雾化。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本技术实施例提供的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统在第一视角下的结构示意图；
[0041]
图2为本技术实施例提供的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统在第二视角下的结构示意图；
[0042]
图3为本技术实施例提供的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统的部分剖视图；
[0043]
图4为本技术实施例提供的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统中驱动组件的部分剖视图；
[0044]
图5为本技术实施例提供的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统中支撑件的第一种结构示意图；
[0045]
图6为本技术实施例提供的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统中支撑件的第二种结构示意图；
[0046]
图7为图3中a处的放大图。
[0047]
附图标记：100-气体供给组件；101-针栓外筒；102-针栓内筒；103-针栓内杆；104-驱动组件；105-燃料供给组件；106-第一通道；107-第一固定部；108-第一延伸部；109-气体流道；110-第二通道；111-调节部；112-第二固定部；113-液体流道；114-第一方向；116-第一接嘴；117-催化床；118-第一密封件；119-第二密封件；120-驱动电机；121-转换电缸；122-转接头；123-光栅尺；124-位移测量辅助块；125-调节垫片；126-o型圈；128-npt螺纹孔；129-支撑框架；130-双螺旋结构；131-椭圆形凸起结构；132-第一斜面；133-第二斜面；
134-第三斜面。
具体实施方式
[0048]
下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0049]
通常在此处附图中描述和显示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。
[0050]
基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0051]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0052]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0053]
下面参照图1至图4描述根据本技术一些实施例所述的过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统。
[0054]
参见图1至图4所示，本技术的实施例提供了一种过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统，其包括气体供给组件100、针栓外筒101、针栓内筒102、针栓内杆103、驱动组件104以及用于向系统供给液体燃料的燃料供给组件105；
[0055]
具体地，所述针栓外筒101内形成有第一通道106，第一通道106具有相互连通的竖直段和水平段，所述针栓内筒102具有第一固定部107和第一延伸部108，第一延伸部108穿过所述第一通道106的水平段，且与所述第一通道106的水平段之间形成有气体流道109；进一步地，所述气体供给组件100与所述第一通道106的竖直段导通，气体供给组件100用于向系统供给气体燃料；更进一步地，气体燃料依次通过第一通道106的竖直段和气体流道导通至燃烧室。
[0056]
进一步地，所述气体供给组件100包括第一接嘴116以及和所述第一接嘴116连通的催化床117；所述催化床117与所述第一通道106的竖直段导通；在实际的使用过程中，高浓度过氧化氢燃料经过第一接嘴116进入到催化床117中，高浓度过氧化氢在催化床117内发生催化分解反应，反应过程如下所示：
[0057]
2h2o2→
2h2o+o2+217.98kj/mol
[0058]
通过上述反应过程可知，高浓度过氧化氢经过催化床117后将会分解产生氧气和水蒸气以及大量的热量；并且产生的高温的氧气和水蒸气，经过气体流道109最后进入到燃烧室内。
[0059]
优选地，所述催化床117为银网催化床117或颗粒催化床117中的任意一种。
[0060]
具体地，所述针栓内筒102内形成有第二通道110，所述针栓内杆103具有调节部111和第二固定部112，所述调节部111穿过所述第一通道106且与所述第一通道106的端部形成有液体流道113，所述第二固定部112与所述驱动组件104连接；所述燃料供给组件105与所述第二通道110导通，燃料供给组件105用于将液体燃料导通至第一通道106，液体燃料通过液体流道113最终能够抵达至燃烧室。
[0061]
具体地，所述驱动组件104通过所述第二固定部112驱动所述针栓内杆103沿第一方向114运动，以此改变所述液体流道113的最小流通截面积。
[0062]
上述的第一方向为过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统在正常使用状态下的水平方向。
[0063]
综上，本技术通过针栓外筒101和针栓内筒102实现过氧化氢催化分解气体的输送，通过针栓内筒与针栓内杆103实现液体燃料的输送，通过驱动组件104实现针栓内杆103的移动并且实现对液体流道113的最小流通截面积的控制，以使本技术适用于高浓度过氧化氢催化分解的高温气体中，更是实现了气体、液体推进剂的掺混与雾化。
[0064]
在该实施例中，所述驱动组件104包括驱动电机120、转换电缸121、转接头122、光栅尺123以及位移测量辅助块124；
[0065]
所述驱动电机120与所述转换电缸121连接，所述转换电缸121通过转接头122与所述针栓内杆103连接；其中，驱动电机120用于将电能转换为动能，此动能能够使得驱动电机120的转轴以一定转速旋转起来；转换电缸121用于将驱动电机120的转轴的转动转换为转换电缸121的主轴的直线运动，进而带动针栓内杆103沿第一方向114运动。
[0066]
具体地，所述转换电缸121的主轴与针栓内杆103之间通过转接头122连接；更进一步地，转换电缸121的主轴与转接头122采用螺纹连接。
[0067]
具体地，所述位移测量辅助块124的一端固定于所述转接头122上，且另一端沿第二方向(这里面的第二方向是指当过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统正常使用时的竖直方向)延伸并形成有第二延伸部。
[0068]
具体地，所述光栅尺123具有测量部和第三固定部，其中第三固定部固定于所述转换电缸121上，测量部抵接于所述所述位移测量辅助块124的第二延伸部。
[0069]
综上，针栓内杆103沿第一方向114的位移可以通过转接头122和位移测量辅助块124传递到光栅尺123中，利用光栅尺123能够测量出针栓内杆103在第一方向114上的位移量。
[0070]
除此之外，所述驱动组件104还包括支撑框架129，支撑框架129具有预设支撑长度，其一端固定于转换电缸121，且另一端固定于针栓内筒102，利用支撑框架129实现对驱动组件104与针栓内筒102的固定连接。
[0071]
在该实施例中，考虑到针栓内杆103较长，为防止较长的针栓内杆103在针栓内筒102内发生倾斜，所述过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统还包括支撑件，所述支撑件设置于所述针栓内杆103上且靠近调节部111的一端，利用支撑件将针栓内杆103支撑在第二通道110内，防止针栓内杆103靠近调节部111的一端在第二通道110内发生倾斜，进而保证了液体燃料能够顺畅供给至燃烧室。
[0072]
下面给出了两种支撑件的结构：
[0073]
第一种，结合图5所示，支撑件为椭圆形凸起结构131；具体地，椭圆形凸起结构131的一端固定在针栓内杆103上，且另一端与第二通道110的侧壁接触，从而实现在利用椭圆形凸起结构131支撑针栓内杆103的基础上，又不影响驱动组件104驱动针栓内杆103沿第一方向114运动。
[0074]
更具体地，椭圆形凸起结构131是一种凸起且俯视图为椭圆形，所述椭圆形凸起结构131的长轴沿所述第一方向114延伸，即当液体燃料通过第二通道110途径椭圆形凸起结构131并抵达液体流道113时，液体燃料经过椭圆形凸起结构131和离开椭圆形凸起结构131时截面较小，减少液体燃料流动时的压降损失，防止局部产生涡流。
[0075]
更具体地，所述支撑件的数量为多个，且多个所述支撑件沿所述针栓内杆103的周向方向间隔排布，在不影响液体燃料输送的前提下进一步提高了对针栓内杆103的支撑效果。
[0076]
第二种，结合图6所示，所述支撑件为双螺旋结构130，且所述支撑件沿所述第一方向114延伸；支撑件采用此种结构，在实现对针栓内杆103的基础上，还可以在液体燃料流出液体通道时，增大液体燃料沿半径方向的离心力，使得液体燃料在周向方向产生更多的液体燃料液滴，当较多的液体燃料液滴遇见气体燃料时，会产生更好的雾化效果。
[0077]
在该实施例中，结合图7所示，靠近所述调节部111侧的所述第二通道110沿从所述驱动组件104到所述调节部111的方向呈渐扩结构，以减小液体燃料流动时压力损失，防止局部产生涡流。
[0078]
具体地，靠近所述调节部111侧的所述第二通道110的轴截面包括多个连续的斜面。下面以所述斜面为两个为例进行阐述，两个斜面分别为第一斜面132和第二斜面133，且所述第一斜面132的斜率小于所述第二斜面133的斜率；靠近所述第二通道110侧的所述调节部111的轴截面呈第三斜面134，且所述第二斜面133的斜率与所述第三斜面134的斜率相同，保证所述第二斜面133的斜率与所述第三斜面134的斜率相同，可以理解为第二斜面133平行于第三斜面134，进而保证当液体燃料流过液体流道时，流通的面积是最小截面。
[0079]
针对于最小流道截面积的计算推导过程如下：
[0080]
取第一斜面132与第二斜面133的交界处的一点a，通过点a向第三斜面134做垂线，且于第三斜面134上形成垂点b，以线段ab为母线(线段ab的长度即母线的长度，记作l)环绕一周形成圆台abcd，此时的圆台abcd的侧面积s即是最小流通截面积；定义圆台abcd的第一底面的直径为d1，定义圆台abcd的第二底面的直径为d2；定义第三斜面134以所述第二通道110的轴线为中心线环绕一周形成的圆锥的锥角为θ；定义h为调节部111的开度(当h＝0时表示调节部111闭合于第二通道110的端部)；那么即有圆台abcd的侧面积s(最小流通截面积)，计算推导如下：
[0081]
步骤一：过a点向第三斜面134作平行于第二通道110的轴线的直线，并交于第三斜面134于点q；根据第二底面的直径d2(d2形成于第二通道110上，对于固定的针栓内筒102，其具有固定的第二通道110结构，d2是固定数值)、母线长度l以及锥角θ，在rtδabq中，计算第一底面的直径d1如下：
[0082][0083]
步骤二：在rtδabq中，母线长度l以及锥角θ还满足如下公式：
[0084][0085]
步骤三：将公式(2)代入公式(1)中，即能得出第一底面的直径d1如下：
[0086][0087]
步骤四：根据第二底面的直径d2、第一底面的直径d1以及母线长度l，计算圆台abcd的侧面积即最小流通截面积s，如下公式：
[0088][0089]
步骤五：将公式(2)和公式(3)代入到公式(4)中，即能够得到最小流通截面积s，如下公式：
[0090][0091]
综上，通过公式(5)得到的最小流通截面积s可以利用调节部111的开度控制最小流通截面积，进而改变过氧化氢全流量催化的可调气液针栓喷注系统的喷注液体燃料的速度和雾化效果。
[0092]
进一步地，利用驱动组件驱动针栓内杆沿第一方向的运动以调控调节部111的开度。
[0093]
在该实施例中，所述针栓内杆103和所述转接头122之间还安装有调节垫片125，所述调节垫片125用于调整针栓内杆103和转接头122之间的初始距离，从而使针栓内杆103处于合适的位置。
[0094]
在该实施例中，在针栓外筒101上开设有npt螺纹孔128，通过npt螺纹孔128可以用来安装温度检测器或压力检测器，可以用来测量针栓外筒101内高浓度过氧化氢分解后高温氧气和水蒸气混合物的温度和压力。
[0095]
在该实施例中，所述催化床117与所述针栓外筒101之间设置有第一密封件118；所述针栓内筒102与所述针栓外筒101之间设置有第二密封件119。
[0096]
具体地，高浓度过氧化氢的催化床117与针栓外筒101之间采用材质为石墨的第一密封件118；进一步地，针栓外筒101向外凸出具有一定高度的圆环凸起，高浓度过氧化氢的催化床117相应内凹具有一定高度的槽，槽的深度要高于凸起的高度，两者的差值为第一密封件118压缩后的高度。在安装时，第一密封件118放置于高浓度过氧化氢的催化床117的槽内，利用高浓度过氧化氢的催化床117与针栓外筒101之间的压紧力使第一密封件118变形，以保证可靠密封。第一密封件118的压缩比定义为第一密封件118被压缩的高度与第一密封件118未被压缩时的高度的比值，为保证密封效果良好，一般压缩量可取为30％至50％。更进一步地，采用第一密封件118形式，能够耐受住过氧化氢分解气的高温。
[0097]
具体地，针栓内筒102主要用于燃料的输送以及针栓内杆103的固定。针栓内筒102与针栓外筒101之间采用螺栓连接固定，密封形式采用材质为石墨的第二密封件119，其密封原理与第一密封件118的使用原理相同，在此不做过多阐述。
[0098]
具体地，针栓内筒102的第一固定部107在与针栓内杆103的导通处的侧壁上设置有两道内槽，内槽内用于放置o型圈126，以防止液体燃料泄漏。此处o型圈126为动密封，采用两道o型圈126密封以提高动密封可靠性。
[0099]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。