CN102563642A - 一种自吸式气泡雾化燃油喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于燃烧领域的燃油喷嘴，尤其涉及一种采用气泡雾化增强雾化效果的燃油喷嘴。本发明由喷嘴本体、连接管、文氏管和气体导管组成，喷嘴入口与文氏管出口通过连接管相连，文氏管为先收缩后扩张的旋成体结构，收缩段较急，扩张段较缓，文氏管喉部周围开有一圈小孔；文氏管喉部外密封集气套管，通过气体导管或与高压气源、或与燃烧室相连，或直接敞开于大气中。无需改变现有供油系统的上游压力，可实现有效雾化。本发明可以应用到各类采用液体燃料的燃烧装置。

Description

一种自吸式气泡雾化燃油喷嘴

技术领域

本发明涉及一种应用于燃烧领域的燃油喷嘴，尤其涉及一种采用气泡雾化增强雾化效果的燃油喷嘴。

背景技术

燃油喷嘴是航空航天发动机、内燃机等燃烧装置的关键设备之一。其主要作用是把燃油雾化成微小的液滴，并喷入燃烧室中燃烧。除压力雾化和气动雾化外，今年来气泡雾化喷嘴收到了广泛关注。气泡雾化是通过在燃油中注入少量气体，这些气体在喷嘴内部与燃油混合，在喷嘴出口出现爆裂，从而产生非常细小的液雾。

中国专利“气泡雾化喷嘴”(ZL95201702.4)、中国专利“撞击内混式气泡雾化喷嘴”(ZL200720019255.8)、专利“一种气泡雾化喷嘴”(CN201900063U)、专利“可调式螺旋气泡雾化喷嘴”(CN201503015U)等均公布了不同形式和用途的气泡雾化喷嘴。这些方案的缺点在于：采用气泡雾化需要增加一套供气装置以在燃油中注入气体，这套供气装置不仅系统复杂，也降低了可靠性。

专利“气泡式雾化喷嘴”(CN101966495A)公布了一种不需要外界气体，实现闭式循环的喷嘴(A装置)，其原理在于通过加快流速，使液体压力低于饱和蒸汽压而汽化，这些汽化的蒸汽与未汽化的液体混合，达到气泡雾化的目的。

上述方案的缺点在于：(1)蒸汽与液体的转换是可逆的，当压力低于饱和蒸汽压时出现蒸汽，压力高于饱和蒸汽压时，蒸汽消失；喷嘴在喷注前的压力远高于饱和蒸汽压，因此，是否能够达到气泡雾化效果完全依赖于蒸汽消失的速度，当蒸汽在高压下消失的速度很快时，出口就不能实现气泡雾化；(2)为产生高速流体需要较高的压降，通常比喷嘴本身所需要的压强高1～2倍以上，从而对上游压力提出了很高要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种气泡雾化燃油喷嘴，其具有不需要专用的气体供应系统，与A装置相比，用于雾化的气体为自动吸入的气体，不存在蒸汽变回液体的问题，同时，对上游压力没有特别的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种气泡雾化燃油喷嘴，由喷嘴本体、连接管、文氏管和气体导管组成，喷嘴入口与文氏管出口通过连接管相连，文氏管为先收缩后扩张的旋成体结构，收缩段较急，扩张段较缓，文氏管喉部周围开有一圈小孔；文氏管喉部外密封集气套管，通过气体导管或与高压气源、或与燃烧室相连，或直接敞开于大气中。

喷嘴本体结构在前述专利或相关文献中均有公布，具体可参见“液体火箭发动机设计(上)”(朱宁昌，宇航出版社，1994年，PP370～380)；

文氏管是一种根据泊努利方程制造的先收缩后膨胀的通道，其原理和设计方法为流体力学领域公知；泊努利方程反应了流体中压力能和动能之间的相互转换关系，表达式为：

其中，p为压力，ρ为密度，u为速度，下标1，2分别代表了两个不同的位置；根据上述公式可知，当速度增加，压力就会变小，在文氏管喉部，由于液体流速很高，流体的静压接近饱和蒸汽压p_s，在文氏管出口，由于采用了缓慢膨胀的结构，速度缓慢下降，静压上升，总压损失较低，合理设计的文氏管总压恢复系数可达到85％～95％；

文氏管喉部直径d_t由需要的燃油流量

确定，根据流量关系式为：

其中，C_d为文氏管的流量系数，选取为0.9～0.98，ρ为燃油的密度，p₀为文氏管入口的压力；

为保证收缩段的压力损失较小，收缩段的半角一般选取为30～60度；为保证喉部后的流体流动不发生分离，扩张段的半角一般应较小，通常选取为8～15度；文氏管前后端的直径可选取为一样大，以方便安装，其直径应大于3～5倍喉部直径；

所述文氏管喉部周围开有的对称分布的一圈小孔，选择小孔个数n_h为3～12个，采用对称的小孔，主要是为保证进气对称，越大的文氏管选择越多的小孔；

小孔直径d_h由如下关系式确定：

其中，μ为小孔的流量系数，通常为0.7～0.8，p_a为小孔外部的压力，由后所述的所引气源压力决定，当敞开到大气中时，为1.01*10⁵帕；Γ为由小孔内外压比决定的系数，根据气体动力学基本知识(可参见“液体火箭发动机原理”，刘国球，宇航出版社，1994年)，当p_s/p_a＜0.5283时，流动为超声速，Γ＝0.6847；当p_s/p_a≥0.5283时，流动为亚声速，

文氏管喉部外设集气套管，通过气体导管与高压气源相连，该套管起两方面的作用，首先是保证各个小孔的入口压力相同，以保证文氏管喉部各小孔的进气量均匀，其次是在燃油启动或关闭瞬间，文氏管喉部的低压条件尚未建立时，防止燃油从小孔喷出；

气体导管的直径选择为小孔当量直径的2～3倍，气体导管直径过大会使得导管过粗，不便操作使用；直径过小则会导致气体导管内的压力损失较大。气体导管也可以不连接高压气源而连接到燃烧室，甚至导管直接敞开在空气中也可实现自动吸气。

采用本发明能实现自吸式气泡雾化的原因是：

燃油流经文氏管时，在喉部会形成一个很低的压力，通过在喉部上开小孔，利用外界高压与喉部低压的压差，可以把空气或燃气自动吸入到燃油中，并一起流到喷嘴，实现气泡雾化；同时，由于文氏管总压恢复系数较高，在整个气泡雾化的过程中造成的压力损失较低，因此，无需改变现有供油系统的上游压力，也可实现有效雾化。

采用本发明可以取得以下技术效果：

无需外加高压供气系统而自动吸气，以实现气泡雾化，具有雾化效果好，系统简单的优点；采用文氏管压力损失小，无需改变现有供油系统的上游压力；本发明可以应用到各类采用液体燃料的燃烧装置。

附图说明

图1：A装置结构示意图；

图2：本发明的自吸式气泡雾化喷嘴；

图3：图2的B-B剖面视图；

附图标记

1.手柄

2.外齿轮

3.定位压板

4.内齿轮压片

5.调节板

6.气泡生成板

7.腔体

8.桶形腔体

9.锥形腔体

10.喷嘴本体

11.导气管

12.连接管

13.文氏管

14.集气套管

15.文氏管喉部

16.进气孔

具体实施方式

图1是A装置结构示意图；A装置的核心是气泡生成板6，燃油从桶形腔体8流到锥形腔体9的过程中，由于气泡生成板6的面积小，燃油速度高，压力低至饱和蒸汽压，从而有燃油蒸汽生成。通过调节手柄1可以转动调节板5，从而达到生成不同比例燃油蒸汽的目的。从图1中可以看到，一方面：气泡生成板6中的高速液体/蒸汽直接喷射进入到一个大的锥形腔9中，这种突扩会造成很大的压力损失，从而要求提高上游压力；另一方面，锥形腔9中有远高于饱和蒸汽压的压力才能满足雾化要求，从而在气泡生成板6中生成的蒸汽，会在锥形腔中重新变回液体，这不利于气泡雾化。

图2是本发明的自吸式气泡雾化喷嘴；主要由喷嘴本体10、文氏管13和导气管11组成；喷嘴本体10为两段不同直径的圆筒和一锥形转接段；文氏管13为一先收缩后扩张的旋成体，收缩段较急，扩张段较缓，扩张半角选取为15度；喷嘴10的入口和文氏管13的出口通过连接管12连接，连接管12的长度根据喷嘴的安装空间确定；文氏管喉部15的直径由前述公式(1)确定，这样喉部15处的压力即可达到饱和蒸汽压；在喉部处周向开有4个小孔，这些小孔外由一集气套管14封闭在一个腔里，集气套管为一桶状结构，焊接在文氏管喉部15周围，形成一个集气腔；套管上开有一个孔，与导气管11焊接；导气管11为一细管，连接高压气源。

小孔直径由所需进气量进行调节，计算表达式为如前公式(3)所述；所吸气体由导气管11进入到集气腔中，以便均匀地从4个小孔16进入到文氏管喉部15中；导气管11的截面积选取为小孔16总面积的3倍。

采用本发明的自吸式气泡雾化燃油喷嘴后，可以在无需外加高压供气系统情况下实现自动吸气，从而实现气泡雾化。与不采用本发明的直流式喷嘴相比，采用本发明后，雾化液滴的平均直径变小了1.5倍，且分布更均匀。

Claims (5)

1.一种气泡雾化燃油喷嘴，由喷嘴本体、连接管、文氏管和气体导管组成，喷嘴入口与文氏管出口通过连接管相连，文氏管为先收缩后扩张的旋成体结构，收缩段较急，扩张段较缓，文氏管喉部周围开有一圈小孔；文氏管喉部外密封集气套管，通过气体导管或与高压气源、或与燃烧室相连，或直接敞开于大气中。

2.权力要求1所述的一种气泡雾化燃油喷嘴，其特征在于：收缩段的半角选取30～60度，扩张段的半角一般应较小，选取为8～15度；文氏管前后端的直径选取为一样大，大于3～5倍喉部直径。

3.权力要求1或2所述的一种气泡雾化燃油喷嘴，其特征在于：所述文氏管喉部周围开有的对称分布的一圈小孔，选择小孔个数n_h为3～12个。

4.权力要求3所述的一种气泡雾化燃油喷嘴，其特征在于：文氏管喉部小孔直径d_h由如下关系式确定：

其中，μ为小孔的流量系数，通常为0.7～0.8，p_a为小孔外部的压力，Γ为由小孔内外压比决定的系数。

5.权力要求1或2所述的一种气泡雾化燃油喷嘴，其特征在于：气体导管直径为文氏管喉部小孔当量直径的2～3倍。

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