CN103492704A

CN103492704A - 具有热保护的混合式可变面积的燃料喷射器

Info

Publication number: CN103492704A
Application number: CN201180057790.1A
Authority: CN
Inventors: P·G·希克斯; R·J·佩德森
Original assignee: Gram Dyne Delaware Space Flight Air Breathing Engine Lip River Ltd Co; Woodward FST Inc
Current assignee: Gram Dyne Delaware Space Flight Air Breathing Engine Lip River Ltd Co; Woodward FST Inc; Aerojet Rocketdyne of DE Inc
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2014-01-01
Also published as: US20120138710A1; EP2646677A4; WO2012075078A3; EP2646677A2; CA2818430A1; WO2012075078A2

Abstract

提供了一种混合式可变面积的燃料喷射器。该燃料喷射器包括主体部分和由主体部分承载的头部。该燃料喷射器限定用于在低流量状态期间使用的由头部提供的固定面积端口。该燃料喷射器限定用于在高流量状态期间使用的可变面积端口。可变面积端口设置在主体部分和头部之间。可变面积端口的面积能根据头部相对于主体部分的位置而进行调整。燃料喷射器还包括围绕头部的至少一部分的防护部分。防护部分减小冲击在头部上的横向流体的量，从而减少向头部的热传递。

Description

具有热保护的混合式可变面积的燃料喷射器

技术领域

本发明一般地涉及燃料喷射器，并且更具体地涉及可变面积的燃料喷射器。

背景技术

可变面积的燃料喷射器（VAFI’s）已经广泛应用于冲压喷气式发动机的应用中，例如高速导弹，并且对实现高效冲压喷气式发动机非常有用。这是因为其提供必要的大燃料操作弹性（FTDR-最大到最小燃料流量）和改进的喷射特性，该喷射特性是加速器启动后冲压喷气式发动机接管、高空巡航和动力俯冲/超低空飞行驶入的性能所要求的。因为具有大的FTDR，VAFI’s也使标准燃料喷射器（即，孔式或单结构式）、燃料阀、歧管的数量最小化，并且改进冲压喷气式发动机的性能以及降低燃料系统总成本和风险。

VAFI’s的应用在宽得多的燃料流量的范围内提供良好雾化的优点。并且，在燃料喷射位置处发生燃料压降，因而相比于传统压力-涡旋雾化器和直射喷嘴雾化器提供其他雾化优点。

然而，由于制造误差（variation），在低压下，流量和流体分配在接近喷嘴开启压力时是不连续的。另外，由于中心轴销的不均匀提升，燃料分配变差。因此，在高流量下，喷射器表现良好，但是在低流量下，流量会变得非常不连续并且雾化质量降低。

这些问题导致混合式可变面积的燃料喷射器（HVAFI）的发展。这种喷射器对于较低流量使用单结构前导部，并使用喷射器的可变面积部分实现更高的流量。

然而，在许多应用中，HVAFI能被插入进入流体内并且经受横向流体，以便单结构前导部的端部能经受温度升高的高速空气。这些温度，尽管有利于雾化，但因热致焦化能引起端部堵塞。在特定应用中，例如，冲压喷气式导弹或者冲压喷气式升力推动喷嘴，前导部通过大多数冲压喷气式发动机被使用（主要仅在短时间段内被使用）。因此，单结构端部因焦化的故障能潜在地造成燃烧效率下降和使冲压喷气式推进发动机实现其总体飞行任务目标的有效性下降。

发明内容

本发明提供了一种混合式可变面积的燃料喷射器。燃料喷射器包括主体部分和由主体部分承载的头部。该燃料喷射器限定用于在低流量状态期间使用的由头部提供的固定面积端口。该燃料喷射器限定用于在高流量状态期间使用的可变面积端口。可变面积端口设置在主体部分和头部之间。可变面积端口的面积能根据头部相对于主体部分的位置而进行调整。燃料喷射器还包括围绕头部的至少一部分的防护部分。防护部分减小冲击在头部上的横向流体的量，从而减少向头部的热传递。

端部（即，头部）可包括热障涂层（TBC），以用于改进热保护。另外，端部能采取单结构前导部或任何其他喷雾器的形式。

在一个实施例中，防护部分由主体部分形成为单个连续构件。换句话说，防护部分不是用其他方式（例如通过焊接或其他附接方式）附连到主体的分离的构件。

环形室形成在防护部分和头部之间。该环形室提供在防护部分和头部之间的热缓冲，以降低向头部的热传递。然而，在其他实施例中，其能覆盖100%。

在一个实施例中，环形室围绕头部的轴向长度的至少40％。在其他实施例中，环形室内围绕头部的轴向长度的至少50％、60％或者70%。

在更特别的实施例中，环形室围绕头部的没有形成可变面积端口的部分的轴向长度的至少40%。因此，环形室围绕头部的在可变面积端口下游的部分。

在一个实施例中，头部包括锥面，该锥面与主体部分的相应锥面配合，以提供在其间的可变面积端口。环形室在这两个表面配合位置的下游。

在一个实施例中，环形室的至少一部分形成在防护部分的内锥面和头部的外圆柱面之间。

在一个实施例中，头部部分地由附连至轴销的单结构前导部形成，该单结构前导部提供固定面积端口。

在一个实施例中，可变面积端口设置在头部的轴销部分之间。

在一个实施例中，头部的远端与防护部分的远端轴向偏移，并且轴向不受防护部分保护。这将头部的远端直接提供到处于燃烧室内的横向气流中。

在一些实施例中，防护部分的内部环形表面具有大约30度至90度的角度。优选地，该角度小于90度，因为这种倾斜表面允许燃料从可变面积端口喷射，以便在被喷射入气流之前扩展。这种扩展改进了雾化。

在一个实施例中，燃料喷射器进一步包括了阻尼系统，该阻尼系统作用在轴销上，并向主体偏压头部以将可变面积端口偏压到闭合状态。阻尼系统抑制因燃料压力的波动而引起的头部相对于主体部分的位置的波动。

在一个实施例中，防护部分围绕头部的至少50%。然而，优选的是，小于90%没有被围绕，这允许至少头部的远端部分定位在横向气流中。

在一个实施例中，轴销具有经过主体部分的窄喉状部分的颈状收缩部分。该轴销包括具有穿过轴销的在喉状部分上游的侧壁的入口的中空腔体。该中空腔体将入口与固定面积端口流体连通。

其他方面，当与附图结合时，根据下面详细的说明本发明的目的和优势将更明显。

附图说明

被并入说明书并成为说明书的一部分的附图图示出本发明的几个方面，并与文字描述一起，用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的混合式可变面积的燃料喷射器的透视图。

图2是图1的燃料喷射器在低流量状态下的截面图；

图3为图2的燃料喷射器在高流量状态下的截面图；

图4为图2的燃料喷射器在低流量状态下的局部放大的截面图；和

图5为现有技术的可变面积的燃料喷射器的视图。

尽管本发明将结合特定优选的实施例进行描述，但是意图不是将其限制于这些实施例。相反地，目的在于覆盖由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内所包含的所有替代、变型和等同。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的混合式可变面积的燃料喷射器100（喷射器100）的透视图。喷射器100用于计量并向发动机的燃烧室内喷射燃料。如将描述的，喷射器100是混合式的，因为其在低流量和高流量工作期间利用固定面积端口工作，而只在高流量工作期间利用可变面积端口。这使喷射器100解决了低流量状态下的燃料流动特性的连续性较差的问题，同时仍能在高流量状态期间提供可变面积端口。

图2以剖视图示出在低流量状态下的喷射器100，在低流量状态期间燃料101（如箭头101所示）流经固定面积端口102。固定面积端口102由单结构前导部104（前导部104）提供。然而，并非所有设计均都需要单结构前导部。由此在低流量工作期间，（燃料通过其从喷射器100被分配的）端口尺寸保持不变。

在高流量期间（如图3中所示的），燃料101的压力导致轴销106移动并打开可变面积端口108。更具体地，燃料101的压力克服并抵抗由压缩弹簧110产生的力，以计量可变面积端口108的面积。因此，为了增加可变面积端口108的端口面积，燃料101的压力增大。

轴销106相对于喷射器100的主体112移动时所处的压力被称为“开启压力”。

在图示的实施例中，可变面积端口108被设置在主体112的配合协作锥面114与头部117的配合协作锥面116之间。当配合面114、116之间的面积增加时，端口108的尺寸也变大，从而增加从中经过的燃料流量。

锥面116包括燃料分离凸缘118，燃料分离凸缘118防止燃料因表面张力粘附到头部117。这确保了燃料沿锥面114流动，以从主体112（图2）排出，而不是粘附到头部117。在本实施例中，燃料分离凸缘118形成与头部117的圆柱外表面120相邻的台阶部。在图示的实施例中，台阶部由从分离凸缘118的端部向头部117的锥面径向向内延伸的表面形成。头部117的这部分由轴销106的锥形部分122形成。轴销106的该锥形部分122沿着燃料流经喷射器100的方向径向向外张开。

由燃料分离凸缘118提供的台阶轮廓使燃料与头部117分离。头部117的直径在燃料分离凸缘118的端部处最大，然后由此向下减小。

当燃料压力由于需要更大量的燃料被喷射进入发动机燃烧室而增大时，燃料压力作用于头部117上，从而使头部117相对于主体112平移并打开可变面积端口108。因此，一旦达到燃料101的开启压力，轴销106将相对于主体112沿燃料流动方向被驱动。

在图示实施例中，头部117部分地由单结构前导部104和轴销106的锥形部分122提供。在替代性实施例中，可能的情况是，头部117（包括单结构前导部104和轴销106的锥形部分122）被形成为单个的一件式结构（即，由单件连续的材料形成，例如通过对单件连续的材料进行模制或者机加工）。

如上所述的并参考图5，现有技术的喷射器200包括单结构前导部204，该单结构前导部完全暴露于高温的横向气流226（如箭头226所示）。该高温横向气流引起燃料流201的焦化，这将降低流量状态期间固定面积端口202的工作性能。

回到图2和3，喷射器100的示出的实施例包括防护部分124，防护部分124保护头部117、特别是单结构前导部104免于经受高温横向气流126。不是使单结构前导部104的外表面的主要部分暴露于横向气流126的直接冲击中，防护部分124保护单结构前导部104免于经受横向气流126。使单结构前导部104免受横向流体126的直接冲击或免于暴露到横向流体126中的这种增加的保护减少了向头部117的热传递，从而降低焦化。

在图示的实施例中，环形室130形成在主体112的防护部分124和头部117之间。环形室130的至少一部分形成在主体112和单结构前导部104的至少一部分之间，其更特别地处于主体112的内表面114的一部分与单结构前导部104的外表面132之间。环形室130形成锥形出口。环形室130的至少一部分围绕头部117的下游的部分。该下游部分是头部117的在一密封部的下游的部分，该密封部在低流量状态期间当可变面积端口108处于闭合状态时由头部117和主体112形成。头部117的下游部分期望被保护免于经受横向流体126，从而避免加热。

参考图4，在低流量状态下，通过与其轴向叠置，防护部分124优选保护头部117的没有形成可变面积端口108（即被环形室130围绕的部分）的长度L的至少40%，更优选的是长度L的至少50%，更优选的是长度L的至少60％，并且甚至更优选的是长度L的至少70%。

另外，在低流量状态下，通过与其轴向叠置，防护部分124优选保护单结构前导部104的长度L2的至少40％，更优选的是长度L2的至少50%，更优选的是长度L2的至少60％，并且甚至更优选的是长度L2的至少70%。

环形室130的增加部分（即，锥形出口）使燃料流在被喷射进入横向流体126所提供的气流内之前以更大的半径展开。这使得高流量状态期间主流体的雾化被改进。因此，通过防止在使燃料喷射经过固定面积端口102时的焦化，防护部分124提供改进的工作，且在高流量状态期间在使用可变面积端口108时提供增大的雾化。

而且，一些燃料在高流量状态工作期间沿着主体112的锥形表面114接触并流动。由于与其接触，将提高燃料温度。燃料温度的提高降低了流体粘性并且期望在将燃料注入横向气流126之前提高雾化质量。类似地，燃料的加热也会导致主体112的冷却。这进一步降低了头部117内燃料焦化的机会。锥面114上的燃料也用作其他发热防护以进一步使喷射器100隔热。

由于燃料温度将提高，将改进挥发性和蒸发性。这将改进燃烧效率，并因此增加冲压喷气式发动机导弹的射程。

在优选的实施例中，在低流量状态期间（见图2），至少头部117的远端125轴向延伸超出防护部分124。这使得从固定面积端口102排出的燃料更均匀地与横向流体126混合。然而，在其他实施例中，在低流量状态期间（例如图2），单结构前导部104能完全隐藏在防护部分124中。

锥面114优选以相对于喷射器100中心轴线成约30至60度的角α延伸。角α更优选相对于喷射器中心轴线成约40至50度。然而，根据需要的喷射角，角α能改变。

燃料分离凸缘118具有大体垂直于喷射器100的轴向长度的台阶表面。在示出的实施例中，这个台阶表面与锥面116形成90度减去角X的角度。

在其他实施例中，台阶表面径向向内到达其他部件（embodiments）而形成台阶，径向向内到达圆柱表面120而形成台阶的台阶表面不需要与圆柱表面120垂直。优选的是，燃料分离凸缘118的端部形成头部117的最大直径。而且，端部优选具有由锥面116和不大于90度（更优选的是不大于60度，并且更优选的是不大于45度）的台阶面限定的角度。角度越小，燃料与锥面116之间的分离效果越好。

利用主体112形成的防护部分124实现了热保护而无需增加喷射器100的构件的数量。

轴销106包括经过主体112的颈状收缩区域138。优选地，该颈状收缩区域138不密封主体112上的从中穿过的孔。因为颈状收缩区域138没有密封该孔，轴销106没有防止燃料流经该孔，以便燃料被允许在低流量和高流量状态期间作用在锥面116上。

另外，在一些实施例中，如图2所示，轴销106包括中空部分140，在至少低流量工作期间，燃料经由该中空部分进入且穿过。燃料通过孔142进入中空部分140。这些孔形成颈状收缩区域138中。中空部分140将入口（即，孔142）与固定面积端口相连。入口，（即，孔）径向通过轴销106的侧壁。该中空部分140经过主体112的变窄的喉状部分区域。

在替代性的配置中，中空部分140能在轴销106的整个长度上延伸并在其端部（而不是经过侧部）处排出。而且，孔能形成为穿过锥面116，以允许低压燃料经过前导部104。

喷射器100包括配置成当燃料101经过头部117时产生涡旋的涡旋引导元件144。涡旋引导元件144也可滑动地引导轴销106的轴146。涡旋引导元件能由单件材料或多件材料形成。

燃料涡流器160定位在头部117内。该燃料涡流器160也促进经过头部117的燃料的雾化。该燃料涡流器160能由单件材料或多件材料形成。

喷射器100也包括阻尼系统，该阻尼系统包括弹簧110和一对引导件150、152。弹簧110在这一对引导件150、152之间起作用，并且用于将两个引导件150、152偏压成彼此分开。为此，弹簧110用于沿着将向头部117引导成向主体112接触的方向偏压轴销106。阻尼系统有助于抑制因燃料压力和环境压力的波动而引起的轴销106的位置的波动。

这里引用的所有的参考文献，包括公报、专利申请和专利在这里通过参考被并入、达到就像每个参考文献单个地并且具体地表明通过参考被并入的程度，并且在这里以其全文叙述。

在描述本发明的上下文中（尤其是在如下的权利要求的上下文中）术语“一”、“一个”和“该”的使用应该解释为覆盖单数和复数，除非这里另有指示或者上下文明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应该解释为开放式的术语（即意思是“包括但不限于”），除非另有指示。这里的值的范围的列举只是旨在用作分别涉及每个落入该范围内的单独的值的简写方法，除非这里另有指示，并且每个单独的值结合到本说明书中就像其在这里被单独地引用。这里描述的所有方法能以任何合适的顺序执行除非这里另有指示或者上下文明显矛盾。这里提供的任何和所有实例或示例性语言（例如“如”）的使用只是旨在更好地解释本发明并不对本发明的范围形成限制，除非另外声明。说明书中没有语言应该被解释为表示任何非主张的元件对于本发明的实施是至关重要的。

这里描述了本发明的优选实施方式，包括对于本发明人已知的用于执行本发明的最佳模式。在阅读了前面的描述之后那些优选实施方式的变型对于本领域技术人员来说将会变得明显。本发明人希望技术人员根据需要利用这些变型，本发明人旨在希望另外实施本发明而不是象这里具体描述的那样。因此，在适用法律允许的情况下本发明包括所附权利要求中叙述的主题的所有修改和等价替换。此外，本发明包括上面元件在所有可行变型中的任何结合，除非这里另有指示或者上下文明显矛盾。

Claims

1.一种混合式可变面积的燃料喷射器，包括：

主体部分；

被主体部分承载的头部；

由头部提供的固定面积端口；

可变面积端口，其设置在主体部分和头部之间，可变面积端口的面积能根据头部相对于主体部分的位置而进行调整；和

防护部分，其围绕头部的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中防护部分由主体部分形成为单个连续构件。

3.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中环形室形成在防护部分和头部之间。

4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中环形室围绕头部的轴向长度的至少40％。

5.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中环形室围绕头部的没有形成可变面积端口的部分的轴向长度的至少40%。

6.根据权利要求所述5的燃料喷射器，其中头部包括锥面，该锥面与主体部分的相应锥面配合，以提供在其间的可变面积端口。

7.根据权利要求所述6的燃料喷射器，其中环形室在可变面积端口的下游。

8.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中环形室的至少一部分形成在防护部分的内锥面和头部的外圆柱面之间。

9.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中头部部分地由附连至轴销的单结构前导部形成，该单结构前导部提供固定面积端口。

10.根据权利要求9所述的燃料喷射器，其中可变面积端口设置在头部的轴销部分之间。

11.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中头部的远端与防护部分的远端轴向偏移，并且轴向不受防护部分保护。

12.根据权利要求8所述的燃料喷射器，其中内部环形表面具有大约30度至60度之间的角度。

13.根据权利要求9所述的燃料喷射器，其中头部包括从防护部分径向向内间隔开的的圆柱部分。

14.根据权利要求13所述的燃料喷射器，其中圆柱部分部分地由单结构前导部且部分地由轴销提供。

15.根据权利要求9所述的燃料喷射器，还包括阻尼系统，该阻尼系统作用在轴销上，并向主体偏压头部以将可变面积端口偏压到闭合状态。

16.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中防护部分围绕头部的大约50%至100%。

17.根据权利要求16所述的燃料喷射器，其中头部的远端与防护部分的远端轴向偏移并且没有被防护部分围绕。

18.根据权利要求9所述的燃料喷射器，其中轴销具有经过主体的窄喉状部分的颈状收缩部分，轴销包括具有穿过轴销的在喉状部分上游的侧壁的入口的中空腔体，该中空腔体将入口与固定面积端口流体连通。

19.一种可变面积喷射器，包括：

提供第一锥面的主体部分；

头部，其相对于主体部分可移动并且具有第二锥面；

可变面积端口，其设置在第一和第二锥面之间，所述第一和第二锥面在第一状态下配合，所述第一和第二锥面在第二状态下彼此间隔开，以允许燃料从中流过；和

其中第二锥面终止在形成燃料分离凸缘的径向向内的台阶处。

20.根据权利要求所述19的可变面积喷射器，其中头部在燃料分离凸缘的下游端部处具有最大直径。

21.根据权利要求19所述的可变面积喷射器，其中头部具有在第二锥表面下游的圆柱表面。

22.根据权利要求21所述的可变面积喷射器，其中头部包括从第二锥面径向向内延伸到圆柱表面的台阶表面。

23.根据权利要求22所述的可变面积喷射器，其中台阶表面和所述锥面形成不大于90度的角度。

24.根据权利要求22所述的可变面积喷射器，其中台阶表面和所述锥面形成不大于60度的角度。