CN105855078A - 一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法，使用该喷嘴可以有效地减少液体和壁面之间的摩擦力及粘性损失，提高雾化效果，其特征在于，包括依次连接的旋流室头部、多孔旋流壁和喷嘴底盖所形成的旋流室，所述喷嘴底盖上设置有喷口，所述多孔旋流壁的外周设置有集气腔，所述旋流室头部的外侧与喷嘴头盖之间形成集液腔，所述旋流室头部上设置有切向通道连通所述集液腔和所述旋流室，所述喷嘴头盖上设置有喷孔入口。通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体，当喷嘴内液体高速旋转时，气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，从而减少液体和壁面之间的摩擦力及粘性损失以提高雾化效果。

Description

一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法
技术领域
本发明涉及一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法，主要应用于液体火箭发动机推力室、预燃室喷注器设计及液体雾化等领域。
背景技术
随着推进技术的发展，未来火箭和武器需要高效的推进器以达到性能需要。凝胶推进剂成为化学推进剂中的一个重要发展方向，它兼具液体和固体推进剂的诸多优点：比液体推进剂更安全，比固体推进剂更能灵活控制推力。凝胶推进剂能实现发动机“推力可调”和“钝感弹药”特性，提高了导弹射程，而价格仅比固体推进剂高30％。但是由于其自身的高粘度以及流变特性，使得它至今停留在实验研究阶段，阻碍其发展的就是凝胶推进剂的雾化技术。目前大多采用撞击式雾化方法来解决这个问题，而且雾化效果亦不十分理想。因此，针对凝胶推进剂的特点，亟需研制能够适应高粘度以及特殊流变性流体的喷嘴。
离心喷嘴具有结构简单，同等压降条件下雾化质量优于直流喷嘴等特点，因而在航空航天及民用燃烧、冷却、消防等领域得到了广泛的应用。离心喷嘴在面对低压情况(航空发动机空转、慢车等状态)时雾化困难，对于高粘度流体(凝胶推进剂、重油、渣油等)雾化效果变差，以及难进一步提高雾化效果的主要原因是：这些情况下旋流室壁面处的摩擦阻力损失使得出口处角动量较小，不足以将液体雾化到要求细度。由此看来，对离心喷嘴结构进行改进是解决上述问题的有效途径之一。本发明旨在提供一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法，可改善传统离心喷嘴的雾化效果，进而提高液体火箭发动机的燃烧效率和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法，使用该喷嘴可以有效地减少液体和壁面之间的摩擦力及粘性损失，提高雾化效果。
本发明一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，包括依次连接的旋流室头部、多孔旋流壁和喷嘴底盖所形成的旋流室，所述喷嘴底盖上设置有喷口，所述多孔旋流壁的外周设置有集气腔，所述旋流室头部的外侧与喷嘴头盖之间形成集液腔，所述旋流室头部上设置有切向通道连通所述集液腔和所述旋流室，所述喷嘴头盖上设置有喷孔入口。
所述多孔旋流壁为多孔钛材质旋流壁，所述集气腔中的气体通过多孔钛材质的毛细孔通入所述旋流室内。
所述多孔旋流壁外围设置有壳体，所述壳体与所述多孔旋流壁之间为所述集气腔，所述壳体上设置有进气口。
所述喷嘴底盖上自旋流室到喷口具有收敛段。
所述喷嘴头盖、旋流室头部和壳体用螺栓连接，旋流室头部与多孔旋流壁之间用垫片加以密封，喷嘴底盖用螺钉与壳体连接，壳体与喷嘴底盖之间用堵头与垫片加以密封。
所述喷嘴有效截面系数与喷嘴几何特性值A、流量系数μ及雾化角α之间的关系如下：
其中，r0为空气涡半径，rp为喷口半径。
对于给定A值的喷嘴，可以求得有效截面系数的值，进而确定流量系数μ及雾化角α，并按照离心喷嘴设计方法确定各部分结构尺寸。
所述多孔旋流壁的孔隙度小于或等于5μm，在一定的供液压力pl下，气液比ALR小于或等于临界气液比值ALRcrit，以便当旋流室内液体高速旋转时，通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，
ALRcrit＝-0.00165+0.00682exp(pl/0.3663)。
一种基于多孔旋流壁的离心喷雾方法，其特征在于，通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体，当喷嘴内液体高速旋转时，气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，从而减少液体和壁面之间的摩擦力及粘性损失以提高雾化效果。
旋流室的旋转液流经过气垫的减阻，边旋转边沿轴线向喷口前进，经过收敛段的加速后，作螺旋运动流向喷口；当液体流出喷口后，筒壁给与的向心力消失，液体微团便沿直线向四周飞散；具有切向分速度以及轴向分速度的流体微团以其合速度在空间飞散，飞散出喷口的液体呈锥形；圆锥状高速喷出的液体，由于与外界有极大的相对速度与接触面积，产生很大的摩擦力，克服液体表面张力，把液流撕碎成极细微的雾滴，达到雾化的目的。
图2：喷嘴有效截面系数与喷嘴几何特性值A、流量系数μ及雾化角α的关系曲线。通过进行实验，确定各因素对喷嘴流量特性的影响，如图3至图8所示。图3(a)为不同液体注入压力pl下的乳化离心喷嘴在不同气液比ALR下所对应的液体质量流量ml，图3(b)为不同液体注入压力pl下的乳化离心喷嘴在不同气液比ALR下所对应的气体质量流量Qg。图4为不同液体注入压力pl下气体注入压力pg与雾滴质量平均直径D50的关系。图5为不同气体压力pg下液体压力pl与雾滴质量平均直径D50之间的关系。图6为不同液体注入压力pl下气液比ALR与雾滴质量平均直径D50之间的关系。图7为不同液体注入压力pl与不同孔径旋流室壁组合下气液比ALR与雾滴质量平均直径D50之间的关系。图8为拟合得到的临界气液比ALRcrit与液体注入压力pl关系曲线。通过对不同工况以及不同结构喷嘴的雾化特性研究得到下列结论：
(1)随着注气压力的升高，喷嘴气液比增大，雾滴质量平均直径减小；
(2)增加多孔旋流壁后，在一个很小的气液比ALR(略大于0)范围内，多孔旋流壁的内壁会形成气垫，气垫的形成会降低离心喷嘴流量系数，但是随着ALR进一步提高至超过临界值后，气垫消失；
(3)具有较大几何特征值的离心喷嘴的多孔旋流壁上容易形成气垫；
(4)多孔材料气孔孔径越小，越容易组织均匀气垫，乳化离心喷嘴的流量系数越低；
(5)气液比逐渐增加时，一旦超过某个临界值，喷嘴喷雾角明显减小。
其中，为了保证较好的雾化细度，多钛材质旋流室内壁的孔隙度应小于5μm。
其中，为了保证“气垫”的存在，在一定的供液压力pl下，气液比ALR不应超过临界气液比值ALRcrit：
ALRcrit＝-0.00165+0.00682exp(pl/0.3663) (4)
本发明一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法，其优点及功效在于：工作时，通过旋流室壁上的毛细孔向旋流室内通气，在喷嘴内液体高速旋转时，在液体和喷嘴内壁之间形成一个“气垫”，可以有效地减少液体和壁面之间的摩擦力，减少粘性损失，能在极少的耗气量下达到很好的雾化效果。它不同于传统的离心的喷嘴，需要少量的空气；同时也不同于空气雾化喷嘴，气体在雾化作用中更多的是充当一个“减阻”并辅助雾化的作用。
附图说明
图1：一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴结构示意图。图中多孔旋流壁可以采用多孔钛材质。
图2：喷嘴有效截面系数与喷嘴几何特性值A、流量系数μ及雾化角α的关系曲线。
图3(a)：不同液体注入压力pl下气液比ALR与液体质量流量ml的关系曲线。
图3(b)：不同液体注入压力pl下气液比ALR与气体质量流量Qg的关系曲线。
图4：不同液体注入压力pl下气体注入压力pg与雾滴质量平均直径D50的关系曲线。
图5：不同气体注入压力pg下液体注入压力pl与雾滴质量平均直径D50的关系曲线。
图6：不同液体注入压力pl下气液比ALR与雾滴质量平均直径D50的关系。
图7：不同液体注入压力pl与不同孔径旋流室壁组合下气液比ALR与雾滴质量平均直径D50的关系曲线。
图8：临界气液比ALRcrit与液体注入压力pl的拟合关系曲线
图中标号说明如下：
1-喷嘴头盖，2-旋流室头部，3-壳体，4-多孔旋流壁，5-旋流室，6-喷嘴底盖，7-螺钉，8-堵头，9-垫片，10-螺栓，11-垫片，12-喷孔入口，13-集液腔，21-切向通道，31-环形集气腔，32-进气口，61-收敛段，62-喷口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
如图1所示，本发明一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴和喷雾方法，主要由喷嘴头盖1，旋流室头部2，壳体3，多孔旋流壁4，旋流室5，喷嘴底盖6组成。喷嘴头盖1，其上有液体喷孔入口12及集液腔13。旋流室头部2，其上有切向通道21。壳体3，其上有进气口32。壳体3与多孔旋流壁4之间组成环形集气腔31。喷嘴底盖6，其上有收敛段61及喷口62。喷嘴头盖1与旋流室头部2用螺栓10连接，喷嘴头盖1与旋流室头部2之间组成集液腔13。集液腔13与旋流室5之间由切向通道21相通。旋流室头部2与多孔旋流壁4之间用垫片11加以密封。壳体3与旋流室头部2用同一螺栓10连接。多孔旋流壁4与壳体3之间组成环形集气腔31。喷嘴底盖6用螺钉7与壳体3连接。壳体3与喷嘴底盖6之间用堵头8与垫片9加以密封。可以通过更换不同的喷嘴底盖6来改变喷嘴的几何特性值，其中每个喷嘴底盖上的喷口62的直径不同。多孔旋流壁4两端均有垫片9、11加以密封，且可以更换。
喷嘴工作时，乳化离心喷嘴液体经喷孔入口12进入集液腔13后通过切通道21进入喷嘴旋流室5，气体则通过进气口32进入环形集气腔31，通过多孔旋流壁4的毛细孔进入旋流室5，在旋转液流与多孔旋流壁4之间形成一层“气垫”。旋流室5的旋转液流经过气垫的减阻，边旋转边沿轴线向喷口62前进，经过收敛段61的加速后，作螺旋运动流向喷口62。当液体流出喷口62后，筒壁给与的向心力消失，于是液体微团便沿直线向四周飞散。具有切向分速度以及轴向分速度的流体微团以其合速度在空间飞散，飞散出喷口的液体呈锥形。圆锥状高速喷出的液体，由于与外界有极大的相对速度与接触面积，产生很大的摩擦力，克服液体表面张力，把液流撕碎成极细微的雾滴，达到雾化的目的。
图1是一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴结构示意图。如图1所示，一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴，包括依次连接的旋流室头部2、多孔旋流壁4和喷嘴底盖6所形成的旋流室5，所述喷嘴底盖6上设置有喷口62，所述多孔旋流壁4的外周设置有集气腔(例如环形集气腔31)，所述旋流室头部2的外侧与喷嘴头盖1之间形成集液腔13，所述旋流室头部2上设置有切向通道21连通所述集液腔13和所述旋流室5，所述喷嘴头盖1上设置有喷孔入口12。所述多孔旋流壁4为多孔钛材质旋流壁，所述集气腔中的气体通过多孔钛材质的毛细孔通入所述旋流室5内。所述多孔旋流壁4外围设置有壳体3，所述壳体3与所述多孔旋流壁4之间为所述集气腔31，所述壳体3上设置有进气口32。所述喷嘴底盖6上自旋流室5到喷口62具有收敛段61。所述喷嘴头盖1、旋流室头部2和壳体4用螺栓连接，旋流室头部2与多孔旋流壁4之间用垫片11加以密封，喷嘴底盖6用螺钉7与壳体3连接，壳体3与喷嘴底盖6之间用堵头8与垫片9加以密封。
所述喷嘴有效截面系数与喷嘴几何特性值A、流量系数μ及雾化角α之间的关系如下：
其中，r0为空气涡半径，rp为喷口半径。对于给定A值的喷嘴，可以求得有效截面系数的值，进而确定流量系数μ及雾化角α，并按照离心喷嘴设计方法确定各部分结构尺寸。所述多孔旋流壁的孔隙度小于或等于5μm，在一定的供液压力pl下，气液比ALR小于或等于临界气液比值ALRcrit，以便当旋流室内液体高速旋转时，通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，
ALRcrit＝-0.00165+0.00682exp(pl/0.3663)。
一种基于多孔旋流壁的离心喷雾方法，其特征在于，通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体，当喷嘴内液体高速旋转时，气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，从而减少液体和壁面之间的摩擦力及粘性损失以提高雾化效果。旋流室的旋转液流经过气垫的减阻，边旋转边沿轴线向喷口前进，经过收敛段的加速后，作螺旋运动流向喷口；当液体流出喷口后，筒壁给与的向心力消失，液体微团便沿直线向四周飞散；具有切向分速度以及轴向分速度的流体微团以其合速度在空间飞散，飞散出喷口的液体呈锥形；圆锥状高速喷出的液体，由于与外界有极大的相对速度与接触面积，产生很大的摩擦力，克服液体表面张力，把液流撕碎成极细微的雾滴，达到雾化的目的。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，包括依次连接的旋流室头部、多孔旋流壁和喷嘴底盖所形成的旋流室，所述喷嘴底盖上设置有喷口，所述多孔旋流壁的外周设置有集气腔，所述旋流室头部的外侧与喷嘴头盖之间形成集液腔，所述旋流室头部上设置有切向通道连通所述集液腔和所述旋流室，所述喷嘴头盖上设置有喷孔入口。
2.根据权利要求1所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，所述多孔旋流壁为多孔钛材质旋流壁，所述集气腔中的气体通过多孔钛材质的毛细孔通入所述旋流室内。
3.根据权利要求1所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，所述多孔旋流壁外围设置有壳体，所述壳体与所述多孔旋流壁之间为所述集气腔，所述壳体上设置有进气口。
4.根据权利要求1所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴底盖上自旋流室到喷口具有收敛段。
5.根据权利要求1所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴头盖、旋流室头部和壳体用螺栓连接，旋流室头部与多孔旋流壁之间用垫片加以密封，喷嘴底盖用螺钉与壳体连接，壳体与喷嘴底盖之间用堵头与垫片加以密封。
6.根据权利要求1所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴有效截面系数与喷嘴几何特性值A、流量系数μ及雾化角α之间的关系如下：
其中，r0为空气涡半径，rp为喷口半径。
7.根据权利要求6所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，对于给定A值的喷嘴，可以求得有效截面系数的值，进而确定流量系数μ及雾化角α，并按照离心喷嘴设计方法确定各部分结构尺寸。
8.根据权利要求6所述的具有多孔旋流壁的离心喷嘴，其特征在于，所述多孔旋流壁的孔隙度小于或等于5μm，在一定的供液压力pl下，气液比ALR小于或等于临界气液比值ALRcrit，以便当旋流室内液体高速旋转时，通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，
ALRcrit＝-0.00165+0.00682exp(pl/0.3663)。
9.一种基于多孔旋流壁的离心喷雾方法，其特征在于，通过多孔旋流壁的毛细孔向旋流室内部通入气体，当喷嘴内液体高速旋转时，气体在所述多孔旋流壁与液体之间形成一个“气垫”，从而减少液体和壁面之间的摩擦力及粘性损失以提高雾化效果。
10.根据权利要求9所述的基于多孔旋流壁的离心喷雾方法，其特征在于，旋流室的旋转液流经过气垫的减阻，边旋转边沿轴线向喷口前进，经过收敛段的加速后，作螺旋运动流向喷口；当液体流出喷口后，筒壁给与的向心力消失，液体微团便沿直线向四周飞散；具有切向分速度以及轴向分速度的流体微团以其合速度在空间飞散，飞散出喷口的液体呈锥形；圆锥状高速喷出的液体，由于与外界有极大的相对速度与接触面积，产生很大的摩擦力，克服液体表面张力，把液流撕碎成极细微的雾滴，达到雾化的目的。
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