一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀

摘要

本发明公开了一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀,在不改变控制流的工作参数的情况下，通过改变控制流进入涡流室的角度,实现进入涡流室的控制流的角动量的变化来实现涡流阀式变推力发动机的多推力工况的调节。涡流阀与固体发动机固连，中心锥、涡流室衬壁与喷管位于涡流阀壳体內,中心锥与涡流阀壳体通过定位螺栓固连；喷管固定在涡流阀壳体一端,防护罩通过连接螺栓固定在涡流阀壳体端部；控制流角度调节轴一端穿过涡流阀壳体端壁、涡流室衬壁上的安装孔与中心锥上的轴孔配合，控制流角度调节轴的另一端与伺服电机输出轴通过紧固螺栓连接，限位螺钉安装在涡流阀壳体上。变控制流供应角度涡流阀结构简单，安全可靠。

权利要求

1.一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀，包括涡流阀、固体实验发动机，涡流阀通过端部连接法兰与固体实验发动机固连，其特征在于:所述涡流阀包括涡流阀壳体、中心锥、涡流室衬壁、控制流接管嘴、控制流角度调节轴、限位螺钉、电机支座、伺服电机、防护罩、定位螺栓、喷管,中心锥、涡流室衬壁与喷管位于涡流阀壳体內，中心锥与涡流阀壳体为间隙配合，中心锥与涡流阀壳体通过定位螺栓固连，涡流室衬壁与涡流阀壳体、喷管为间隙配合，喷管固定在涡流阀壳体端壁中间，防护罩位于涡流阀壳体端部，与涡流阀壳体通过连接螺栓固连，控制流角度调节轴的一端穿过涡流阀壳体端壁和涡流室衬壁的安装孔，然后调节轴与中心锥的轴孔配合，控制流角度调节轴的另一端穿过轴承和轴承盖，与伺服电机输出轴通过紧固螺栓连接，轴承盖与涡流阀壳体固定连接，限位螺钉安装在涡流阀壳体上，控制流接管嘴与涡流阀壳体固定焊接，控制流接管嘴与控制流角度调节轴的控制流汇流槽配合，伺服电机固定在电机支座上，电机支座与涡流阀壳体固连；

所述控制流角度调节轴为台阶轴，控制流角度调节轴的中间部位设有控制流汇流槽，控制流汇流槽内的控制流入口通过调节轴内腔与控制流出口相通，汇流槽的两侧分别有第一密封圈槽和第二密封圈槽，靠近第二密封圈槽侧边设有扇形限位环，相对扇形限位环切除部分角度为162度，控制流角度调节轴通过扇形限位环与限位螺钉配合进行限位，控制流角度调节轴的一端部有径向螺孔与轴向连接盲孔相通。

2.根据权利要求1所述的用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀，其特征在于:中心锥、涡流室衬壁和喷管采用高强石墨材料。

3.根据权利要求1所述的用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀，其特征在于:控制流角度调节轴采用钨镍铁高温合金材料。

4.根据权利要求1所述的用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀，其特征在于:中心锥、涡流室衬壁、喷管和涡流阀壳体同轴安装。

说明书

一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀

技术领域

[0001] 本发明涉及涡流阀固体发动机变推力和流量控制技术，具体地说，涉及一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀。

背景技术

[0002] 在固体发动机变推力和流量控制技术中，涡流阀式变推力发动机是一种非常实用可行的技术。涡流阀结构采用切向喷入控制流，迫使燃气在涡流室内发生旋转，增大流动阻力，改变燃烧室平衡压强，进而影响推进剂燃速，实现对燃气生成量和排出量的控制，实现发动机推力调节的目的。

[0003] 现有公开的技术文献“涡流阀几何参数对固体发动机推力调节特性的影响”(《推进技术》，Vol.28，No.4，2007，p352-355)中,提出一种涡流阀结构。文中的涡流阀结构通过固定的开有切向孔的加注环将控制流喷进燃烧室，实现发动机推力的改变。如果该装置不进行控制流工作参数的变化，装置只能实现一种推力的改变。如果该装置通过控制流参数的改变实现多推力的变化，对于采用冷气控制流时，需要增加大范围调节的远程可控减压器，并且对减压器的要求较高；对采用固体燃气发生器式的控制流时，需要又增加一套固体发动机调节装置，将使系统更加复杂、技术难度更大。

发明内容

[0004] 本发明的目的是:在不改变控制流的工作参数,且不过多增加系统复杂性的情况下，通过改变控制流进入涡流室的角度,实现进入涡流室的控制流的角动量的变化,来实现涡流阀式变推力发动机的多推力工况的调节；本发明提出一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括涡流阀、固体实验发动机，涡流阀通过端部连接法兰与固体实验发动机固连，其特征在于所述涡流阀包括涡流阀壳体、中心锥、涡流室衬壁、控制流接管嘴、控制流角度调节轴、限位螺钉、电机支座、伺服电机、防护罩、定位螺栓、喷管,中心锥、涡流室衬壁与喷管位于涡流阀壳体內，中心锥与涡流阀壳体为间隙配合，中心锥与涡流阀壳体通过定位螺栓固连，涡流室衬壁与涡流阀壳体、喷管为间隙配合，喷管固定在涡流阀壳体端壁中间，防护罩位于涡流阀壳体端部，与涡流阀壳体通过连接螺栓固连，控制流角度调节轴一端穿过涡流阀壳体端壁、涡流室衬壁上的安装孔与中心锥上的轴孔配合，控制流角度调节轴的另一端穿过轴承和轴承盖，与伺服电机输出轴通过紧固螺栓连接，轴承盖与涡流阀壳体固定连接，限位螺钉安装在涡流阀壳体上，控制流接管嘴与涡流阀壳体固定焊接，控制流接管嘴与控制流角度调节轴的控制流汇流槽配合，伺服电机固定在电机支座上，电机支座与涡流阀壳体固连；

[0006] 所述控制流角度调节轴为台阶轴，控制流角度调节轴的中间部位设有控制流汇流槽，控制流汇流槽内的控制流入口通过调节轴内腔与控制流出口相通，汇流槽的两侧分别有第一密封圈槽和第二密封圈槽，靠近第二密封圈槽侧边设有扇形限位环，相对扇形限位环切除部分角度为162度，控制流角度调节轴通过扇形限位环与限位螺钉配合进行限位，控制流角度调节轴的一端部有径向螺孔与轴向连接盲孔相通。

[0007] 中心锥、涡流室衬壁和喷管采用高强石墨材料。

[0008] 控制流角度调节轴采用钨镍铁高温合金材料。

[0009] 中心锥、涡流室衬壁、喷管和涡流阀壳体同轴安装。

[0010] 有益效果

[0011] 本发明提出的一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀,在不改变控制流的工作参数的情况下，通过改变控制流进入涡流室的角度,实现进入涡流室的控制流的角动量的变化来实现涡流阀式变推力发动机的多推力工况的调节。涡流阀与固体实验发动机固连，中心锥、涡流室衬壁与喷管位于涡流阀壳体內,中心锥与涡流阀壳体通过定位螺栓固连；喷管固定在涡流阀壳体端壁中间部位,防护罩通过连接螺栓固定在涡流阀壳体端部；控制流角度调节轴一端穿过涡流阀壳体端壁、涡流室衬壁上的安装孔与中心锥上的轴孔配合，控制流角度调节轴的另一端穿过轴承和轴承盖，与伺服电机输出轴通过紧固螺栓连接，轴承盖与涡流阀壳体固连。限位螺钉安装在涡流阀壳体上。变控制流供应角度涡流阀结构简单，安全可靠。

附图说明

[0012] 下面结合附图和实施方式对本发明一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀作进一步详细说明。

[0013] 图1为本发明变控制流供应角度涡流阀结构示意图。

[0014] 图2为本发明的控制流喷孔变角度示意图。

[0015] 图3为本发明的控制流角度调节轴示意图。

[0016] 图4为本发明的控制流角度调节轴右视图。

[0017] 图5为图4的A-A剖视图。

[0018] 图6为固体实验发动机燃烧室压强-时间曲线图。

[0019] 图中:

[0020] 1.涡流阀壳体2.中心锥3.涡流室衬壁4.控制流接管嘴5.控制流角度调节轴6.限位螺钉7.电机支座8.紧固螺栓9.伺服电机10.轴承11.轴承盖12.防护罩13.连接螺栓14.定位螺栓15.第一密封圈16.第二密封圈17.喷管

[0021] A为控制流沿涡流室直径方向喷入涡流室位置；B和C为控制流与涡流室直径方向摆动夹角各为72度时喷入涡流室位置；D为喷管与涡流室的接口；F为控制流角度调节轴径向螺孔；G为扇形限位环；H为第二密封圈槽；J为控制流汇流槽；K为第一圈密封圈槽；L为控制流的出口；M为控制流入口；N为控制流角度调节轴轴向连接盲孔；

具体实施方式

[0022] 本实施例是一种用于固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀。

[0023] 参阅图1,本实施例固体变推力发动机的变控制流供应角度涡流阀，由涡流阀、固体实验发动机组成，涡流阀通过端部连接法兰与固体实验发动机固定连接；其中,涡流阀包括涡流阀壳体1、中心锥2、涡流室衬壁3、控制流接管嘴4、控制流角度调节轴5、限位螺钉6、电机支座7、紧固螺栓8、伺服电机9、轴承10、轴承盖11、防护罩12、连接螺栓13、定位螺栓14、第一密封圈15、第二密封圈16、喷管17。中心锥2、涡流室衬壁3与喷管17安装在涡流阀壳体1內,中心锥2与涡流阀壳体1为间隙配合，中心锥2与涡流阀壳体1通过定位螺栓14固定连接；中心锥2与涡流阀壳体1的位置通过定位螺栓14固定，便于安装控制流角度调节轴5。涡流室衬壁3与涡流阀壳体1、喷管17为间隙配合。喷管17固定安装在涡流阀壳体1侧端壁中间部位,防护罩安装在喷管17的后端部,与涡流阀壳体1通过连接螺栓13固定连接。控制流角度调节轴5一端穿过涡流阀壳体1侧端壁、涡流室衬壁3上的安装孔与中心锥2上的轴孔配合安装，控制流角度调节轴5的另一端穿过轴承10和轴承盖11，与伺服电机9输出轴通过紧固螺栓8连接，轴承盖11与涡流阀壳体1固定连接。限位螺钉6安装在涡流阀壳体1上；控制流接管嘴4位于涡流阀壳体1侧壁面与控制流角度调节轴的控制流汇流槽配合，控制流接管嘴4与涡流阀壳体1固定焊接，伺服电机9通过螺栓固定在电机支座7上，电机支座7和涡流阀壳体1通过螺栓固连。通过伺服电机9的无级调节来实现控制流角度调节轴5的转动，实现控制流喷射进入涡流室角度的改变，进而实现变推力发动机的多推力工况的调节。

[0024] 如图2～图5所示,控制流角度调节轴5为台阶轴，控制流角度调节轴5的中间部位设置有控制流汇流槽J，控制流汇流槽内的控制流入口M通过调节轴内腔与控制流出口L相通，控制流汇流槽的两侧分别有第一密封圈槽K和第二密封圈槽H，靠近第二密封圈槽H侧边设置有扇形限位环G，相对扇形限位环G切除部分角度为162度，控制流角度调节轴5的一端部有径向螺孔F与轴向连接盲孔N相通，控制流角度调节轴5通过扇形限位环与限位螺钉6配合进行限位。控制流角度调节轴5的转动角度有一定的范围，A为控制流沿涡流室直径方向喷入涡流室位置；B和C为控制流与涡流室直径方向摆动夹角各为72度角时喷入涡流室位置；D为喷管17与涡流室的接口。控制流角度调节轴5与燃气接触，需要采用耐高温材料制作。由于控制流角度调节轴5穿过涡流阀壳体1和涡流室衬壁3，并在中心锥2上进行支撑；为了防止涡流阀内的燃气流出以及控制流出现向涡流阀内渗透或向涡流阀壳体外部渗透，在控制流角度调节轴5上分别设有第一密封圈槽K和第二密封圈槽H，在控制流角度调节轴5与涡流阀壳体1的接触面处安装第一密封圈15、第二密封圈16进行密封，实现燃气和控制流的不渗透。

[0025] 本实施例中,涡流阀壳体1材料采用45#钢，中心锥2和涡流室衬壁3采用高强石墨材料，控制流接管嘴4为45#钢材料，控制流角度调节轴5选用钨镍铁高温合金材料，限位螺钉6、紧固螺栓8选用标准件；电机支座7采用20#钢材料，伺服电机9选用两相步进电机；轴承10为6200型深沟球轴承，轴承盖11、防护罩12为45#钢材料；连接螺栓13及定位螺栓14、第一密封圈15及第二密封圈16分别选用各自的标准件；喷管17采用高强石墨材料加工，喷管17喉径为10mm。

[0026] 本实施例中,在加工时控制流接管嘴4与涡流阀壳体1进行焊接。进行组件的装配:先将喷管17与涡流阀壳体1进行装配,喷管17与涡流阀壳体1为间隙配合；再将涡流室衬壁3与涡流阀壳体1及喷管17进行配合装配，装配时注意涡流室衬壁3与涡流阀壳体1上的控制流角度调节轴5的安装孔的对中；中心锥2与涡流阀壳体1配合装配时，通过定位螺栓14将中心锥2与涡流阀壳体1的相对位置固定；将第一密封圈15、第二密封圈16安装在控制流角度调节轴5上相应的第一密封圈槽K和第二密封圈槽H内。控制流角度调节轴5一端穿过涡流阀壳体1侧端壁、涡流室衬壁3上的安装孔与中心锥2上的轴孔配合安装，控制流角度调节轴5的另一端穿过轴承10和轴承盖11，与伺服电机输出轴通过紧固螺栓连接。轴承盖11与涡流阀壳体1通过螺栓固定连接，限位螺钉6安装在涡流阀壳体1上；防护罩12与涡流阀壳体1通过连接螺栓13固定连接。

[0027] 如图6所示,将组装的涡流阀与固体实验发动机连接进行发动机实验工作。在进行发动机实验前进行冷气实验，检测密封结构。发动机实验使用的推进剂是燃气温度为1300℃的无铝推进剂，发动机初始流量为0.183kg/s，控制流采用高压氮气，压强为12.6MPa。实验中使用电机控制器对伺服电机9进行控制。实验发动机点火及时序控制由点火时序器控制实现。实验中进行控制流角度调节轴5两个位置的转动。实验过程中控制流角度调节轴5转动灵活，实现了发动机的两次不同工况的工作，获得燃烧室压强-时间曲线。在燃烧室压强-时间曲线中,第一个台阶为没有喷入控制流时发动机的工作曲线，第二个台阶及第三个台阶为喷入控制流，通过调节控制流角度实现的发动机燃烧室压强的改变。