CN106091011A - 压力自适应的喷射面积可调式喷嘴 - Google Patents

Abstract

压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，包括第一本体、第二本体和弹片，第一本体上设置有至少一个矩形通孔，第二本体上设置有安装流体输送管接头的装配孔、流体通道和弹片安装槽；各矩形通孔配置一片弹片或两片弹片，若配置一片弹片，弹片的变形段位于相应矩形通孔内在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将矩形通孔遮盖，且弹片变形段的自由端与该矩形通孔的内壁相贴，在有压流体的作用下弹片变形段的自由端与矩形通孔内壁分离形成喷孔，若配置两片弹片，两弹片的变形段位于同一相应矩形通孔内在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该矩形通孔遮盖，且两变形段的自由端端部相贴，在有压流体的作用下两变形段的自由端端部分离形成喷孔。

Description

压力自适应的喷射面积可调式喷嘴

技术领域

本发明属于液体与气体喷射领域，涉及适用于液体和气体两种流体且压力自适应的喷射面积可调式喷嘴。

背景技术

在某些系统，喷嘴喷射的流体包括液体和气体两种流体，且流体的压力不稳定，因此要求喷嘴适用于液体和气体两种流体，且喷射面积随着流体压力变化而变化，以满足系统的要求。如超燃冲压发动机系统，要求一定流量的碳氢燃料(液体)在小口径冷却通道中加热并发生相变气化和裂解反应，吸收发动机燃烧室的热量，从而实现发动机的冷却；碳氢燃料吸热后变成气体，最终裂解气喷入燃烧室内燃烧后产生推力。因此，当发动机启动时碳氢燃料以液态喷入到燃烧室内，碳氢燃料吸热后以气态喷入到燃烧室内，超燃冲压发动机的喷嘴需要适应液体和气体两种不同形态的燃料。再者，由于燃料在冷却通道内压力不稳定，处在动态变化中，因此要求喷嘴有一定的压力适应性。现有的超燃冲压发动机燃料喷嘴一般是喷射面积不可调的小直径圆孔，设置在凹槽和支板两种结构上面，因而对冷却通道中燃料压力的变化适应性差，且难以适应将液体燃料和气体燃料喷入发动机燃烧室内。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，以满足喷射的流体压力不稳定且流体为液体和气体的系统的需要，并简化喷嘴结构。

本发明的原理是：当流体压力达到弹片的开口压力，从而引起弹片发生形变，使喷孔开启，当流体压力升高或降低时，弹片形变增大或减小，从而改变喷孔面积进行喷射，达到压力自适应调节的作用，使得喷注压力维持在一个较为恒定的范围。

本发明所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，有以下两种结构形式，但它们属于一个总的发明构思。

第一种结构形式的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴：

此种压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，包括本体、流体输送管接头和弹片；所述本体由第一本体和第二本体组成，第一本体上设置有至少一个矩形通孔，第二本体上设置有用于安装流体输送管接头的装配孔、流体通道和弹片安装槽，流体通道与装配孔相通并与第一本体上所设矩形通孔的位置相对应，弹片安装槽设置在流体通道一侧，数量与弹片数量相同；所述弹片的数量与矩形通孔的数量相同，形状为长方形片状体，弹片的宽度与第一本体上设置的矩形通孔宽度相同，弹片的长度＝固定段长度+变形段长度，固定段长度与弹片安装槽的长度相同，变形段长度根据第一本体上设置的矩形通孔长度和变形段自由端端部所要求的最大挠度y_max确定，弹片厚度应同时满足在流体压力作用下的强度要求和变形段自由端端部的最大挠度y_max要求；第一本体上设置的各矩形通孔均配置一片弹片，各矩形通孔配置的弹片的安装方式为：弹片的固定段位于第二本体设置的相应弹片安装槽中，通过将第一本体和第二本体连接成一体实现弹片固定段的固定，弹片的变形段位于第一本体设置的相应矩形通孔内在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该矩形通孔遮盖，且弹片变形段的自由端与该矩形通孔朝向弹片安装槽的内壁相贴(喷孔处于关闭状态)，在有压流体的作用下弹片变形段的自由端与该矩形通孔朝向弹片安装槽的内壁分离形成喷孔(即喷孔打开)；燃料输送管接头插装在第二本体设置的装配孔中并与第二本体连接。

第二种结构形式的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴：

此种压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，包括本体、流体输送管接头和弹片；所述本体由第一本体和第二本体组成，第一本体上设置有至少一个矩形通孔，第二本体上设置有用于安装流体输送管接头的装配孔、流体通道和弹片安装槽，流体通道与装配孔相通并与第一本体上所设矩形通孔的位置相对应，弹片安装槽设置在流体通道的两侧，数量与弹片的数量相同；所述弹片的数量为矩形通孔数量的两倍，形状为长方形片状体，弹片的宽度与矩形通孔宽度相同，弹片的长度＝固定段长度+变形段长度，固定段长度与弹片安装槽的长度相同，变形段长度根据第一本体上设置的矩形通孔长度的0.5倍和变形段自由端端部所要求的最大挠度y_max确定，弹片厚度应同时满足在流体压力作用下的强度要求和变形段自由端端部的最大挠度y_max要求；第一本体上设置的各矩形通孔均配置两片弹片，各矩形通孔配置的两片弹片的安装方式为：两弹片的固定段分别位于第二本体设置的相应弹片安装槽中，通过将第一本体和第二本体连接成一体实现弹片固定段的固定，两弹片的变形段位于第一本体设置的同一相应矩形通孔内在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该矩形通孔遮盖，且两变形段的自由端端部相贴(喷孔处于关闭状态)，在有压流体的作用下两变形段的自由端端部分离形成喷孔(即喷孔打开)；燃料输送管接头插装在第二本体设置的装配孔中并与第二本体连接。

上述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，第一本体和第二本体连接成一体的方式可采用螺钉连接、卡套连接、焊接或粘接等方式。

上述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其弹片变形段自由端端部所要求的最大挠度y_max为0.2mm～3mm。可以采用理论计算、有限元分析和试验研究几种方法进行设计，下面以理论计算为例进行说明：

梁在弯曲变形后，其横截面的位置将发生改变，横截面的形心在垂直于梁轴向的位移，称为扰度，弹片的变形段可简化为均布载荷的悬臂梁，挠性分布如下式所示：

$y=\frac{{\mathrm{qx}}^2}{24EI}(x^2-4lx+6l^2)---\left(1\right)$

(1)式中，E：弹性模量，Pa；I：截面惯性矩，m⁴；q：单位长度受力，N/m；l：悬臂梁长度，m；x：距固定端距离，m。

因此，弹片变形段自由端端部最大挠度如下式：

$y_{max}=\frac{{\mathrm{ql}}^4}{8EI}---\left(2\right)$

(2)式中，截面惯性矩I如下式所示：

I＝bh³/12 (3)

(3)式中，b：弹片宽度，m；h：弹片厚度，m。

$y_{max}=\frac{12\×{\mathrm{bpl}}^4}{8\×E\×b\×h^3}=\frac{12\×{\mathrm{pl}}^4}{8\×E\×h^3}---\left(4\right)$

因此，在设计时可通过调整弹片的长度和厚度来满足所需的最大挠度y_max要求。

上述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，优选第一本体和第二本体为长方形板状体，当第一本体上设置的矩形通孔数量＞1时，各矩形通孔沿第一本体的长度方向布置，排列成至少一行。矩形通孔的尺寸及相邻矩形通孔之间的间距根据需要确定，但从加工的角度考虑，尽可能使矩形通孔的尺寸相同，相邻矩形通孔之间的间距相等。

为了适应超燃冲压发动机系统，弹片用工作温度为-10℃～1100℃的高温弹簧钢制作，第一本体、第二本体和燃料输送管接头用工作温度为-10℃～1100℃的高温合金钢制作。

下面以超燃冲压发动机系统为例，说明本发明所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的工作模式：

发动机刚启动时处于冷态，不需要冷却，此时碳氢液态燃油压力较低，温度也较低，在压力较低的碳氢液态燃油作用下，弹片自由端与矩形通孔孔壁之间或两弹片自由端之间的分离度很小，即形成的喷孔喷射面积很小，碳氢液态燃油通过喷射面积很小的喷孔喷射到燃烧室内；当燃烧室启动之后，燃烧室需要冷却，碳氢液态燃油通过冷却通道时发生裂解相变成为气态，由于气体压力较大，温度也较高，使得弹片自由端与矩形通孔孔壁之间或两弹片自由端之间的分离度增大，即形成的喷孔喷射面积变大，气态燃料通过喷射面积增大的喷孔喷射到燃烧室内；随着气体压力升高，弹片自由端与矩形通孔孔壁之间或两弹片自由端之间的分离度不断增大，直到平衡；当气体压力降低，弹片自由端与矩形通孔孔壁之间或两弹片自由端之间的分离度随之减小。因此，实现了喷孔的喷射面积随着流体压力的升高或降低自适应的增大或减小。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，由于在有压流体的作用下使弹片自由端与矩形通孔孔壁之间或两弹片自由端之间相分离形成喷孔，且喷孔的喷射面积随着流体压力的升高而自适应的增大，随着流体压力的降低而自适应的减小，因而可省去调整喷孔喷射面积的控制机构，简化喷嘴的结构。

2、本发明所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴对液体和气体两种流体均能适应，因而特别适用于超燃冲压发动机或类似于超燃冲压发动机的系统或工况。

附图说明

图1是本发明所述第一种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的一种结构示意图，第一本体上设置了两个长方形通孔；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是本发明所述第一种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴中第二本体的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明所述第一种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的又一种结构示意图，第一本体上设置了六个矩形通孔；

图7是本发明所述第二种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的一种结构示意图，第一本体上设置了两个长方形通孔；

图8是图7的俯视图；

图9是图7的仰视图；

图10是本发明所述第二种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴中第二本体的结构示意图；

图11是图10的俯视图；

图12是本发明所述第二种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的又一种结构示意图，第一本体上设置了六个矩形通孔；

图13是本发明所述第一种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的喷孔处于关闭状态的示意图；

图14是本发明所述第一种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的喷孔处于开启状态的示意图；

图15是本发明所述第二种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的喷孔处于关闭状态的示意图；

图16是本发明所述第二种结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴的喷孔处于开启状态的示意图；

图17是本发明所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴中弹片变形段自由端端部最大挠度y_max的示意图。

图中，1—弹片、2—第一本体、3—第二本体、4—流体输送管接头、5—螺钉、6—矩形通孔、7—流体输送管接头装配孔、8—流体通道、9—弹片安装槽、10—第二螺孔、11—喷孔、12—第一螺孔。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴作进一步说明。

实施例1

本实施例中，压力自适应的喷射面积可调式喷嘴如图1、图2、图3所示，由包括本体、流体输送管接头4、弹片1。所述本体由第一本体2和第二本体3组成；第一本体2为长方形板状体，用高温合金3128制作，第一本体上设置有两个尺寸相同的长方形通孔6和多个第一螺孔12，两长方形通孔沿第一本体2的长度方向布置，排列成一行，它们之间的间距为15mm，两长方形通孔的长度为5mm、宽度为2mm、深度为3mm；第二本体3为与第一本体长度和宽度相同的长方形板状体，制作材料与第一本体相同，其结构如图4、图5所示，第二本体上设置有用于安装流体输送管接头的装配孔7、流体通道8、弹片安装槽9和第二螺孔10，流体通道8与装配孔7相通并与第一本体2上所设矩形通孔6的位置相对应，弹片安装槽9为两个，分别设置在流体通道一侧，第二螺孔10的数量与第一本体上设置的第一螺孔12数量相同且位置对应；弹片1为两片，用弹簧钢GH90(弹性模量E＝225GPa)制作，两弹片为尺寸相同的长方形片状体，所述弹片的宽度为2mm，长度为7.02mm(其中，固定段长度为2mm、变形段长度为5.02mm)，厚度为0.2mm，所述流体输送管接头4为圆形管，其外径与第二本体上设置的装配孔7的孔径匹配，制作材料与第一本体相同。

第一本体上设置的两个长方形通孔均配置一片弹片，两长方形通孔配置的弹片的安装方式为：弹片的固定段位于第二本体3设置的相应弹片安装槽9中，通过螺钉5与第一螺孔、第二螺孔的配合将第一本体2和第二本体3连接成一体实现弹片固定段的固定，弹片1的变形段位于第一本体2设置的相应长方形通孔内，在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该长方形通孔遮盖，且弹片变形段的自由端与该长方形通孔朝向弹片安装槽的内壁上端相贴(见图1)，在有压流体的作用下弹片变形段的自由端与该长方形通孔朝向弹片安装槽的内壁上端分离形成喷孔(见图14)，弹片变形段的自由端与该长方形通孔朝向弹片安装槽的内壁上端相贴时喷孔关闭(见图13)；流体输送管接头4插装在第二本体3设置的装配孔7中，通过焊接与第二本体固连。

弹片变形段自由端端部最大挠度y_max的设计计算如下：

$y_{\max }=\frac{12\×{\mathrm{bpl}}^4}{8\×E\×b\×h^3}=\frac{12\×{\mathrm{pl}}^4}{8\×E\×h^3}---\left(4\right)$

当弹片弹性模量E＝225GPa，弹片厚度h＝0.2mm，弹片变形段长度l＝5.02mm，压差p＝0.8MPa，则y_max＝0.42mm。

本实施例所述结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴适用超燃冲压发动机系统。

实施例2

本实施例中，压力自适应的喷射面积可调式喷嘴如图7、图8、图9所示，由包括本体、流体输送管接头4、弹片1。所述本体由第一本体2和第二本体3组成；第一本体2为长方形板状体，用高温合金3128制作，第一本体上设置有两个尺寸相同的长方形通孔6和多个第一螺孔12，两长方形通孔沿第一本体2的长度方向布置，排列成一行，它们之间的间距为19mm，两长方形通孔的长度为11mm、宽度为2mm、深度为3mm；第二本体3为与第一本体长度和宽度相同的长方形板状体，制作材料与第一本体相同，其结构如图10、图11所示，第二本体上设置有用于安装流体输送管接头的装配孔7、流体通道8、弹片安装槽9和第二螺孔10，流体通道8与装配孔7相通并与第一本体2上所设矩形通孔6的位置相对应，弹片安装槽9为四个，分别设置在流体通道两侧，第二螺孔10的数量与第一本体上设置的第一螺孔数量相同且位置对应；弹片1为四片，用耐热钢750(弹性模量E＝295GPa)制作，四弹片为尺寸相同的长方形片状体，所述弹片的宽度为2mm，长度为8.03mm(其中，固定段长度为2.5mm、变形段长度为5.53mm)，厚度为0.2mm。所述流体输送管接头4为圆形管，其外径与第二本体上设置的装配孔7的孔径匹配，制作材料与第一本体相同。

第一本体上设置的两个长方形通孔均配置两片弹片，两长方形通孔配置的弹片的安装方式为：两弹片的固定段分别位于第二本体3设置的相应弹片安装槽9中，通过螺钉5与第一螺孔、第二螺孔的配合将第一本体2和第二本体3连接成一体实现弹片固定段的固定，两弹片1的变形段位于第一本体2设置的同一相应长方形孔内，在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该长方形通孔遮盖，且两弹片变形段的自由端端部相贴(见图7)，在有压流体的作用下两弹片变形段的自由端端部分离形成喷孔(见图16)，两弹片变形段的自由端相贴时喷孔关闭(见图15)；燃料输送管接头4插装在第二本体3设置的装配孔7中，通过焊接与第二本体固连。

本实施例中，弹片变形段自由端端部最大挠度y_max的设计计算与实施例1相同，当弹片弹性模量E＝295GPa，弹片厚度h＝0.2mm，弹片变形段长度l＝5.53mm，压差p＝1.0MPa，则y_max＝0.58mm。

本实施例所述结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴适用于超然冲压发动机。

本发明不限于上述实施例，按照权利要求书限定的范围可设计并制造出多种具体结构的压力自适应的喷射面积可调式喷嘴。

Claims (9)

1.一种压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于通过弹片在流体压力作用下产生形变而改变喷孔面积，包括本体、流体输送管接头(4)和弹片(1)；所述本体由第一本体(2)和第二本体(3)组成，第一本体上设置有至少一个矩形通孔(6)，第二本体上设置有用于安装流体输送管接头的装配孔(7)、流体通道(8)和弹片安装槽(9)，流体通道(8)与装配孔(7)相通并与第一本体(2)上所设矩形通孔(6)的位置相对应，弹片安装槽(9)设置在流体通道一侧，数量与弹片数量相同；所述弹片(1)的数量与矩形通孔(6)的数量相同，形状为长方形片状体，弹片的宽度与第一本体上设置的矩形通孔(6)宽度相同，弹片的长度＝固定段长度+变形段长度，固定段长度与弹片安装槽(9)的长度相同，变形段长度根据第一本体上设置的矩形通孔长度和变形段自由端端部所要求的最大挠度y_max确定，弹片厚度应同时满足在流体压力作用下的强度要求和变形段自由端端部的最大挠度y_max要求；

第一本体上设置的各矩形通孔均配置一片弹片，各矩形通孔配置的弹片的安装方式为：弹片的固定段位于第二本体(3)设置的相应弹片安装槽(9)中，通过将第一本体(2)和第二本体(3)连接成一体实现弹片固定段的固定，弹片(1)的变形段位于第一本体(2)设置的相应矩形通孔内在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该矩形通孔遮盖，且弹片变形段的自由端与该矩形通孔朝向弹片安装槽的内壁相贴，在有压流体的作用下弹片变形段的自由端与该矩形通孔朝向弹片安装槽的内壁分离形成喷孔；流体输送管接头(4)插装在第二本体(3)设置的装配孔(7)中并与第二本体连接。

2.一种压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于通过弹片在流体压力作用下产生形变而改变喷孔面积，包括本体、流体输送管接头(4)和弹片(1)；所述本体由第一本体(2)和第二本体(3)组成，第一本体上设置有至少一个矩形通孔(6)，第二本体上设置有用于安装流体输送管接头的装配孔(7)、流体通道(8)和弹片安装槽(9)，流体通道(8)与装配孔(7)相通并与第一本体(2)上所设矩形通孔(6)的位置相对应，弹片安装槽(9)设置在流体通道的两侧，数量与弹片的数量相同；所述弹片(1)的数量为矩形通孔(6)数量的两倍，形状为长方形片状体，弹片的宽度与矩形通孔(6)宽度相同，弹片的长度＝固定段长度+变形段长度，固定段长度与弹片安装槽(9)的长度相同，变形段长度根据第一本体上设置的矩形通孔长度的0.5倍和变形段自由端端部所要求的最大挠度y_max确定，弹片厚度应同时满足在流体压力作用下的强度要求和变形段自由端端部的最大挠度y_max要求；

第一本体上设置的各矩形通孔均配置两片弹片，各矩形通孔配置的两片弹片的安装方式为：两弹片的固定段分别位于第二本体(3)设置的相应弹片安装槽(9)中，通过将第一本体(2)和第二本体(3)连接成一体实现弹片固定段的固定，两弹片(1)的变形段位于第一本体(2)设置的同一相应矩形通孔内在预变形力的作用下形成向上凹的弧形状将该矩形通孔遮盖，且两弹片变形段的自由端端部相贴，在有压流体的作用下两弹片变形段的自由端端部分离形成喷孔；燃料输送管接头(4)插装在第二本体(3)设置的装配孔(7)中并与第二本体连接。

3.根据权利要求1或2所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于弹片变形段自由端端部所要求的最大挠度y_max为0.2mm～3mm。

4.根据权利要求1或2所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于第一本体(2)和第二本体(3)为长方形板状体，当第一本体(2)上设置的矩形通孔数量＞1时，各矩形通孔沿第一本体(2)的长度方向布置，排列成至少一行。

5.根据权利要求3所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于第一本体(2)和第二本体(3)为长方形板状体，当第一本体(2)上设置的矩形通孔数量＞1时，各矩形通孔沿第一本体(2)的长度方向布置，排列成至少一行。

6.根据权利要求1或2所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于弹片(1)用工作温度为-10℃～1100℃的高温弹簧钢制作，第一本体(2)、第二本体(3)和燃料输送管接头(4)用工作温度为-10℃～1100℃的高温合金钢制作。

7.根据权利要求3所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于弹片(1)用工作温度为-10℃～1100℃的高温弹簧钢制作，第一本体(2)、第二本体(3)和燃料输送管接头(4)用工作温度为-10℃～1100℃的高温合金钢制作。

8.根据权利要求4所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于弹片(1)用工作温度为-10℃～1100℃的高温弹簧钢制作，第一本体(2)、第二本体(3)和燃料输送管接头(4)用工作温度为-10℃～1100℃的高温合金钢制作。

9.根据权利要求5所述压力自适应的喷射面积可调式喷嘴，其特征在于弹片(1)用工作温度为-10℃～1100℃的高温弹簧钢制作，第一本体(2)、第二本体(3)和燃料输送管接头(4)用工作温度为-10℃～1100℃的高温合金钢制作。