CN106000674A - 一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法 - Google Patents

Abstract

一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，包括依次连接的旋流室头部、旋流室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，所述旋流室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孔，所述切向孔的入口对应所述集液腔，所述切向孔的出口对应所述旋流室，在所述切向孔的出口处设置簧片，所述喷嘴头盖上设置有喷孔入口。喷嘴工作时，喷嘴旋流室内部液体压力慢慢升高，簧片上下两面的压差逐渐减小，簧片依靠自身弹性力恢复原位，喷嘴切向孔被遮盖，喷嘴内部压力降低，簧片张开，如此反复，激起喷嘴旋流室内压力和流量的脉动，喷嘴内部组织的不稳定振荡有利于改善雾化。

Description

一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法

技术领域

本发明涉及一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，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。但是，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。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。研究表明，在离心喷嘴中组织流体振荡能够改善雾化细度，而且雾化均匀性明显提高。本发明旨在提供一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，可改善传统离心喷嘴的雾化效果，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切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，使用该喷嘴主要依靠簧片在喷嘴内部组织流体振荡，以便改善雾化细度，提高雾化均匀度。

本发明提供一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，其技术方案是：

一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，包括依次连接的旋流室头部、旋流室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，所述旋流室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孔，所述切向孔的入口对应所述集液腔，所述切向孔的出口对应所述旋流室，在所述切向孔的出口处设置簧片，所述喷嘴头盖上设置有喷孔入口。

在所述切向孔的出口处沿所述旋流室头部的内壁设置有环槽。

所述簧片包括弹性小片，所述弹性小片覆盖切向孔出口，所述环槽与所述弹性小片之间形成切向间隙。

所述旋流室壁外围设置有壳体，所述壳体与所述旋流室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，旋流室头部与旋流室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。

所述喷嘴的流量系数由以下公式获得：

$\mathrm{\μ}=\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{r_p}{r_c}\right)}^4(\frac{1}{{r_0}^{2n}}-\frac{1-n}{r_p^{2n}})\frac{{(R+r_c\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)}^{2n}}{n}+\frac{{r_p}^4}{{(r_p^2-r_0^2)}^2}}}---\left(1\right)$

其中，n为阻尼系数，r_c为喷嘴切向孔进口半径，r_p为喷嘴切向孔出口半径，r₀为空气涡半径，R为旋流半径，ω₀为簧片振动频率，簧片振动频率仅与簧片的厚度、悬臂长度以及簧片的物理性质有关，其计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_0=c_0{l}^{-\frac{3}{2}}---\left(2\right)$

$f=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}}{l}^{-\frac{3}{2}}---\left(3\right)$

其中其中ρ为簧片密度，Y为杨氏模量，按照离心喷嘴设计方法确定各部分结构尺寸。

簧片的固有振动频率与喷嘴内部低频扰动波的共振频率接近或者相匹配。

一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷雾方法，其特征在于，包括离心喷嘴中的切向孔，所述切向孔连通集液腔和旋流室，切向孔出口处位于所述旋流室一侧，切向孔进口处位于所述集液腔一侧，在所述切向孔出口处加设簧片，所述簧片在切向孔出口处形成切向间隙，簧片在液体压力的驱动下开合，同时激起喷嘴旋流室内压力变化，二者相互影响使得旋流室内压力发生脉动，同时引起喷嘴旋流室流量脉动，喷嘴内部压力脉动从而改善雾化效果。

通过选用不同厚度和/或不同固有振动频率的簧片以改善喷嘴雾化效果。

通过进行实验，对其雾化特性进行分析，结果如图3至图8所示。图3(a)为A1喷嘴液体供应压力p与流量m_l之间的关系。图3(b)为A5喷嘴液体供应压力p与流量m_l之间的关系。图4(a)为A1喷嘴液体供应压力p与流量系数μ之间的关系。图4(b)为A5喷嘴液体供应压力p与流量系数μ之间的关系。图5为喷嘴几何特征值A与流量系数μ之间的关系。图6为簧片固有频率与流量系数μ之间的关系。图7为不同固有频率的簧片下液体供应压力p与雾滴质量平均直径D₅₀之间的关系。图8为A3喷嘴与固有频率为30Hz的簧片相匹配时激励频率与雾滴质量平均直径D₅₀之间的关系。通过对各种类型簧片喷嘴在不同工况下的实验研究，得到以下结论：

(1)簧片在几何特征值比较小的情况下，加簧片对喷嘴影响不明显，在几何特征值比较大的情况下，加簧片后流量系数增加；

(2)不同结构的簧片对喷嘴流量系数影响不同，随着簧片固有频率的提高，喷嘴的流量系数增加到一定值后会降低，但高于不加簧片的情况；

(3)喷嘴旋流室内部液体与空气涡交界面上存在一个低频波动，当簧片固有频率与低频波动相匹配的时候能改善喷嘴雾化效果；

(4)离心喷嘴内部存在两种雾化机制，一种是出口液膜分离成液丝然后断裂成为液滴，这是主要雾化方式；另一种雾化存在于喷嘴旋流室内部旋转液流表面波动的波峰破碎。旋转液流表面波波动频率随着离心喷嘴几何特征值的增大而增加。

其中，为了保证一定的喷嘴流量(系数)，几何特征值A不能小于4。图2是簧片变形受力分析。

其中，为了保证较好地雾化细度，簧片的固有振动频率必须与喷嘴内部低频扰动波的共振频率接近或者相匹配。

本发明一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，其优点及功效在于：簧片在液体压力的驱动下开合，同时激起喷嘴旋流室内压力变化，二者相互影响使得旋流室内压力发生脉动，同时引起喷嘴旋流室流量脉动，喷嘴内部压力脉动可以改善雾化效果。

附图说明

图1：具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴结构示意图。

图2：簧片变形受力分析。

图3(a)：A1喷嘴液体供应压力p与流量m_l的关系曲线。

图3(b)：A5喷嘴液体供应压力p与流量m_l的关系曲线。

图4(a)：A1喷嘴液体供应压力p与流量系数μ的关系曲线。

图4(b)：A5喷嘴液体供应压力p与流量系数μ的关系曲线。

图5：喷嘴几何特征值A与流量系数μ的关系曲线。

图6：簧片固有频率与流量系数μ的关系曲线。

图7：不同固有频率的簧片下液体供应压力p与雾滴质量平均直径D₅₀的关系曲线。

图8：A3喷嘴与固有频率为30Hz的簧片相匹配时激励频率与雾滴质量平均直径D₅₀的关系曲线。

图中标号说明如下：1-喷嘴头盖，2-旋流室头部，3-簧片，4-壳体，5-旋流室壁，6-旋流室，7-喷嘴底盖，8-螺钉，9-堵头，10-垫片，11-螺栓，12-垫片，13-喷孔入口，14-集液腔，21-切向孔，31-弹性小片，41-集气腔或环形集气腔，42-进气口，71-收敛段，72-喷口。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴及喷雾方法，主要由喷嘴头盖1、旋流室头部2、簧片3、壳体4、旋流室壁5、旋流室6、喷嘴底盖7组成。喷嘴头盖1，其上有液体喷孔入口13及集液腔14。旋流室头部2，其上有切向孔21。簧片3为筒形，其上有弹性小片31。壳体4，其上有进气口42。壳体4与旋流室壁5之间组成环形集气腔41。喷嘴底盖7，其上有收敛段71及喷口72。喷嘴头盖1与旋流室头部2用螺栓11连接，喷嘴头盖1与旋流室头部2之间组成集液腔14。集液腔14与旋流室6之间由切向孔21相通。簧片3安装在切向孔21出口处，依靠自身弹力固定在旋流室壁5上。旋流室头部2与旋流室壁5之间用垫片12加以密封。壳体4与旋流室头部2用同一螺栓11连接。旋流室壁5与壳体4之间组成环形集气腔41。喷嘴底盖7用螺钉8与壳体4连接。壳体4与喷嘴底盖7之间用堵头9与垫片10加以密封。其中，可以通过更换不同的喷嘴底盖7来改变喷嘴的几何特性值，其中每个喷嘴底盖上的喷口72的直径不同。簧片3可以更换，每种簧片3具有不同的厚度。

当喷嘴工作时，液体由喷孔入口13进入喷嘴，经由集液腔14通过切向孔21供入液体燃料，弹性小片被压弯，液体沿着小片和环槽形成的切向间隙流入旋流室6，在其中形成空心的液体旋涡，并通过喷口72以很薄的环形液膜形式喷出。随着旋流室6逐渐充满液体，切向孔21中的压降和液流速度减小，簧片3便遮蔽切向孔21的出口，使流入切向孔21的液体流量减小，于是液体充填旋流室6的速度变小。经过一段时间，旋流室6呈松弛状态，使得离心压力减小。于是切向孔21中的压力又开始增加，簧片3松开，流量增加，重复流量的脉动循环。这里通过切向孔21的流量振荡就导致了旋流室6的液面、喷口72的液膜厚度和流出速度的振荡，进而引起喷雾角，雾化细度的振荡。

图1是具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴结构示意图。如图1所示，一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，包括依次连接的旋流室头部2、旋流室壁5和喷嘴底盖7所形成的旋流室6，所述喷嘴底盖7上设置有喷口72，所述旋流室壁5的外周设置有集气腔41，所述旋流室头部2的外侧与喷嘴头盖1之间形成集液腔14，所述旋流室头部2上设置有切向孔21，所述切向孔21的入口对应所述集液腔14，所述切向孔21的出口对应所述旋流室6，在所述切向孔21的出口处设置簧片3，所述喷嘴头盖1上设置有喷孔入口13。在所述切向孔21的出口处沿所述旋流室头部2的内壁设置有环槽。所述簧片3包括弹性小片31，所述弹性小片31覆盖切向孔出口，所述环槽与所述弹性小片之间形成切向间隙。所述旋流室壁5外围设置有壳体4，所述壳体4与所述旋流室壁5之间为所述集气腔41，所述壳体4上设置有进气口42。所述喷嘴底盖7上自旋流室6到喷口72具有收敛段71。所述喷嘴头盖1、旋流室头部2和壳体4用螺栓11连接，旋流室头部2与旋流室壁5之间用垫片12加以密封，喷嘴底盖7用螺钉8与壳体4连接，壳体4与喷嘴底盖7之间用堵头9与垫片10加以密封。

所述喷嘴的流量系数由以下公式获得：

$\mathrm{\μ}=\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{r_p}{r_c}\right)}^4(\frac{1}{{r_0}^{2n}}-\frac{1-n}{r_p^{2n}})\frac{{(R+r_c\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)}^{2n}}{n}+\frac{{r_p}^4}{{(r_p^2-r_0^2)}^2}}}---\left(1\right)$

其中，n为阻尼系数，r_c为喷嘴切向孔进口半径，r_p为喷嘴切向孔出口半径，r₀为空气涡半径，R为旋流半径，ω₀为簧片振动频率，簧片振动频率仅与簧片的厚度、悬臂长度以及簧片的物理性质有关，其计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_0=c_0{l}^{-\frac{3}{2}}---\left(2\right)$

$f=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}}{l}^{-\frac{3}{2}}---\left(3\right)$

其中其中ρ为簧片密度，Y为杨氏模量，按照离心喷嘴设计方法确定各部分结构尺寸。簧片的固有振动频率与喷嘴内部低频扰动波的共振频率接近或者相匹配。

一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷雾方法，其特征在于，包括离心喷嘴中的切向孔，所述切向孔连通集液腔和旋流室，切向孔出口处位于所述旋流室一侧，切向孔进口处位于所述集液腔一侧，在所述切向孔出口处加设簧片，所述簧片在切向孔出口处形成切向间隙，簧片在液体压力的驱动下开合，同时激起喷嘴旋流室内压力变化，二者相互影响使得旋流室内压力发生脉动，同时引起喷嘴旋流室流量脉动，喷嘴内部压力脉动从而改善雾化效果。通过选用不同厚度和/或不同固有振动频率的簧片以改善喷嘴雾化效果。

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)

1.一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，包括依次连接的旋流室头部、旋流室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，所述旋流室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孔，所述切向孔的入口对应所述集液腔，所述切向孔的出口对应所述旋流室，在所述切向孔的出口处设置簧片，所述喷嘴头盖上设置有喷孔入口。

2.根据权利要求1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，在所述切向孔的出口处沿所述旋流室头部的内壁设置有环槽。

3.根据权利要求1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，所述簧片包括弹性小片，所述弹性小片覆盖切向孔出口，所述环槽与所述弹性小片之间形成切向间隙。

4.根据权利要求1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，所述旋流室壁外围设置有壳体，所述壳体与所述旋流室壁之间为所述集气腔，所述壳体上设置有进气口。

5.根据权利要求1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴底盖上自旋流室到喷口具有收敛段。

6.根据权利要求1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴头盖、旋流室头部和壳体用螺栓连接，旋流室头部与旋流室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。

7.根据权利要求1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，所述喷嘴的流量系数由以下公式获得：

$\mathrm{\μ}=\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{r_p}{r_c}\right)}^4(\frac{1}{{r_0}^{2n}}-\frac{1-n}{r_p^{2n}})\frac{{(R+r_c\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\frac{\mathrm{\π}}{2}\left)\right)}^{2n}}{n}+\frac{{r_p}^4}{{(r_p^2-r_0^2)}^2}}}---\left(1\right)$

其中，n为阻尼系数，r_c为喷嘴切向孔进口半径，r_p为喷嘴切向孔出口半径，r₀为空气涡半径，R为旋流半径，ω₀为簧片振动频率，簧片振动频率仅与簧片的厚度、悬臂长度以及簧片的物理性质有关，其计算公式如下：

${\mathrm{\ω}}_0=c_0{l}^{-\frac{3}{2}}---\left(2\right)$

$f=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}}{l}^{-\frac{3}{2}}---\left(3\right)$

其中其中ρ为簧片密度，Y为杨氏模量，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1所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷嘴，其特征在于，簧片的固有振动频率与喷嘴内部低频扰动波的共振频率接近或者相匹配。

9.一种具有切向孔出口处加设簧片的离心喷雾方法，其特征在于，包括离心喷嘴中的切向孔，所述切向孔连通集液腔和旋流室，切向孔出口处位于所述旋流室一侧，切向孔进口处位于所述集液腔一侧，在所述切向孔出口处加设簧片，所述簧片在切向孔出口处形成切向间隙，簧片在液体压力的驱动下开合，同时激起喷嘴旋流室内压力变化，二者相互影响使得旋流室内压力发生脉动，同时引起喷嘴旋流室流量脉动，喷嘴内部压力脉动从而改善雾化效果。

10.根据权利要求9所述的具有切向孔出口处加设簧片的离心喷雾方法，其特征在于，通过选用不同厚度和/或不同固有振动频率的簧片以改善喷嘴雾化效果。