CN106996561A - 燃油雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃油雾化喷嘴，燃油雾化喷嘴包括喷嘴壳体、副气路油路基座、主进气喷嘴、喷嘴芯以及谐振管，该燃油雾化喷嘴应用于燃烧加热器，采用超声波雾化机理与气泡雾化机理相结合，设计一种谐振式内超声波‑气泡组合雾化喷嘴，结合两者的优点得到一种具有低气液比、雾化效果好、具有自洁净功能、能对轻质油(例如煤油)和重油均有很好的雾化能力。更进一步地，该燃油雾化喷嘴简化了雾化过程，缩短了喷嘴长度。更进一步地，该燃油雾化喷嘴能够通过改变进气孔和进油孔的数量、开口大小以及副进气管和燃油导管的压力来调节气泡雾化的油气比，从而减小主气路气量的波动以及气量大小对雾化性能的影响。

Description

燃油雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种喷嘴，尤其涉及一种燃油雾化喷嘴。

背景技术

在我国现有的航空发动机地面验证试验中，采用的燃烧加热器一般为燃油加热器。目前，燃烧加热器的性能参数指标单点化没有形成系列和加热器的型号也较少，已经难以满足我国航空发动机的试验验证需求。

一般燃烧加热器的喷嘴有三种形式：压力雾化喷嘴、空气雾化喷嘴、蒸发管型喷嘴。压力雾化喷嘴(常见形式为离心式喷嘴)长期处于高温环境中，喷嘴零件易发生变形，影响喷雾效果，从而影响燃烧效率等。目前燃烧重油或原油的锅炉、窑炉等，大都使用离心式喷嘴，由于加温后燃料粘性仍很大，影响雾化质量和喷雾锥角，雾化效果不好，严重影响燃烧室内油气分布的均匀性，燃烧效率很低。空气雾化喷嘴，虽可以改善雾化质量，但由于需要较多高压蒸气(或冷气)，增加了附加能量消耗，综合效果仍不理想。蒸发管型喷嘴长期处在火焰包围之中工作，为了防止其烧蚀和变形，对蒸发管的结构设计要求较高，为了满足点火需要还需设计配套副燃烧室来提供点火火炬。

20世纪90年代初以来，超声雾化作为一项新型雾化技术逐渐引起人们的关注。研究结果表明：超声波燃烧器的雾化性能一般要优于其它类型燃烧器，而且易于实现低氧燃烧，从而减少烟气中的烟尘和氮氧污染物的排放。目前，超声波雾化器已经开始应用于工业炉中。

一般的离心式喷嘴和气动雾化喷嘴对重油和原油的雾化效果较差，在燃烧过程中存在油耗率高等缺陷。

采用超声波雾化喷嘴可以对重油和原油的雾化能力得到较大提高。但是，流体动力式超声波雾化喷嘴存在气液比大(ALR在0.5～1.0)，导致其在小流量燃烧室中的应用受到限制；当空气流量超过临界空气值后超声波雾化喷嘴的雾化质量将急剧下降，该超声波雾化喷嘴喷射的液雾的索太尔平均直径(SMD)从小于50μm急剧升到大于100μm，从而导致燃烧不完全，燃烧效率下降等现象。

现有的气泡雾化喷嘴对重油的雾化质量较差，油耗率高等缺陷，在工业炉中的应用效果不佳。

现有的超声波气泡组合雾化喷嘴其存在以下缺陷：

1)气泡雾化过程复杂，采用三级空气掺混，导致喷嘴长度较长。

2)气液比的调节存在困难，难以满足多工况燃烧室的油气比调节需要。燃烧加热器对整个燃烧室油气比有要求，对燃烧室头部的气量分配也存在要求。该喷嘴的油气比较高，而且气流流量难以调节：整个进气口只有1处，在保证气泡雾化效果的前提下进气压力的调节范围较小(气压最好大于油压，小于油压有可能导致燃油从掺混室进入气路)。

3)喷嘴喷射锥角和油雾喷射形状难以控制。该喷嘴属于外超声波雾化器，油雾经过超声波雾化后直接射入锅炉中，油雾的喷射分散，不够集中，虽然能够满足大尺寸的锅炉使用，但不适合燃烧加热器对于头部油雾分布的需要。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种燃油雾化喷嘴，应用于燃烧加热器，采用了谐振式内超声波-气泡组合，以在提高雾化质量的基础上，降低气液比。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种燃油雾化喷嘴，以简化雾化过程，缩短了喷嘴长度。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种燃油雾化喷嘴，以通过改变进气孔和进油孔的数量、开口大小以及副进气管和燃油导管的压力来调节气泡雾化的油气比，从而减小主气路气量的波动以及气量大小对雾化性能的影响。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种燃油雾化喷嘴，所述燃油雾化喷嘴应用于燃烧加热器，所述燃油雾化喷嘴包括喷嘴壳体、副气路油路基座、主进气喷嘴、喷嘴芯以及谐振管，所述喷嘴壳体的两端分别设置有空气进口和混合气出口，所述喷嘴壳体呈筒形结构，所述喷嘴壳体包括相互隔离的二次混合腔、燃油腔以及副进气腔，所述二次混合腔、所述燃油腔以及所述副进气腔沿所述喷嘴壳体的轴线方向依次设置，所述混合气出口设置于所述二次混合腔的壁面上，所述燃油腔和所述副进气腔的侧壁上分别设置有燃油进口和副进气口，所述燃油进口与所述燃油腔连通，所述副进气口与所述副进气腔连通；所述副气路油路基座固定套设于所述喷嘴壳体内，所述副气路油路基座的侧壁上形成有进油孔和进气孔，所述进油孔和所述进气孔分别与所述燃油腔和所述副进气腔连通；所述主进气喷嘴间隔套设于所述副气路油路基座内，所述主进气喷嘴和所述副气路油路基座之间形成有初步混合腔，所述初步混合腔与所述二次混合腔连通，所述主进气喷嘴包括进气端和出气端，所述出气端与所述二次混合腔室连；所述喷嘴芯套设于所述喷嘴壳体内，所述喷嘴芯包括柱体结构和设置于所述柱体结构的一端的锥形结构，所述柱体结构的另一端固定于所述主进气喷嘴上，所述锥形结构的横截面由所述柱体结构的一端逐渐增大，所述锥形结构间隔套设于所述混合气出口；所述谐振管设置于所述二次混合腔内，所述谐振管套设于所述柱体结构的外周，所述谐振管距所述主进气喷嘴的距离可调。

根据本发明的一实施方式，其中所述主进气喷嘴包括导流板以及分别设置于所述导流板两端的主进气管和声速喷嘴，所述导流板上设置有轴向延伸的通孔，所述通孔分别与所述主进气管和所述声速喷嘴连通。

根据本发明的一实施方式，其中所述进油孔沿所述副气路油路基座的周向倾斜设置；所述进气孔沿所述喷嘴壳体的径向延伸。

根据本发明的一实施方式，其中所述进油孔的延伸方向与径向之间的夹角为30°-60°。

根据本发明的一实施方式，其中所述进油孔的延伸方向与径向之间的夹角为45°。

根据本发明的一实施方式，其中所述进油孔为10个，10个所述进油孔均布于所述副气路油路基座的同一圆周上；所述进气孔为10个，10个所述进气孔均布于所述副气路油路基座的同一圆周上。

根据本发明的一实施方式，其中所述进气孔的直径为0.7mm，所述进油孔的直径为0.9mm。

根据本发明的一实施方式，其中所述谐振管与所述主进气喷嘴之间的距离为8-12mm。

根据本发明的一实施方式，其中所述燃油进口的燃油压力为0.2-0.8Mpa；所述副进气口的气压为0.3-0.9Mpa；所述进气端的气压为0.2-0.8Mpa。

根据本发明的一实施方式，其中所述谐振管具有开口朝向所述主进气喷嘴的凹腔，所述凹腔的横截面大于所述主进气喷嘴的出气端的横截面，所述凹腔的内径由所述谐振管的端面向内逐渐减小。

由上述技术方案可知，本发明的燃油雾化喷嘴的优点和积极效果在于：该燃油雾化喷嘴应用于燃烧加热器，采用谐振式内超声波-气泡组合，能够很好地提高雾化效果，降低了气液比。该燃油雾化喷嘴仅需经过两次雾化，从而简化了雾化过程，缩短了燃油雾化喷嘴的长度。更进一步地，通过进油孔和进气孔的数量以及孔径的设置，便于控制油气混合气中的燃油和空气的比例。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种燃油雾化喷嘴的轴向剖视图。

图2是图1中的导流板的剖视图。

图3是图1中的谐振管的剖视图。

图4是图1中的副气路油路基座的剖视图。

图5是图1中的燃油雾化喷嘴的工作原理图。

其中，附图标记说明如下：

1、主进气管； 2、副进气管；

3、燃油导管； 4、导流板；

5、副气路油路基座； 6、混合室安装座；

7、声速喷嘴； 8、柱体结构；

9、谐振管； 10、锥形结构；

11、混合气出口； 12、初步混合腔；

13、二次混合腔； 14、燃油腔；

15、副进气腔； 16、燃油进口；

17、副进气口； 18、通孔；

19、凹腔； 20、空气进口；

21、进油孔； 22、进气孔；

23、凸环。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1和图5，根据本发明的一具体实施方式，其中该燃油雾化喷嘴可以应用于燃烧加热器。该燃油雾化喷嘴可以包括依次设置但彼此不连通的副进气腔15、燃油腔14以及二次混合腔13，其中副进气腔15和燃油腔14分别与初步混合腔12连通，以使空气和燃油在该初步混合腔12中进行初步混合。该初步混合腔12可以与二次混合腔13连通，完成该初步混合的混合物进入到二次混合腔13，在两者的连接处进行初步雾化。该燃油雾化喷嘴还可以包括主进气喷嘴和谐振管9，该主进气喷嘴也与二次混合腔13连通，由该主进气喷嘴进入的空气从声速喷嘴7喷出时将产生膨胀波，该膨胀波与谐振管9作用，完成二次雾化，以形成更加细小、更加均匀的液雾。该二次雾化过程是在二次混合腔13内完成。该燃油雾化喷嘴采用谐振式内超声波-气泡组合，其雾化过程仅包括两次雾化过程，因此雾化过程得到了简化。除此，较现有技术中的燃油喷嘴，其燃油雾化喷嘴的长度得到了进一步的缩短。能够很好地提高雾化效果，降低了气液比。

参照图1，根据本发明的一个方面，提供了一种燃油雾化喷嘴，燃油雾化喷嘴可以包括呈筒形结构的喷嘴壳体，该喷嘴壳体的两端分别设置有空气进口20和混合气出口11。根据本发明的一具体实施方式，其中喷嘴壳体可以包括彼此相互隔离的二次混合腔13、燃油腔14以及副进气腔15，二次混合腔13、燃油腔14以及副进气腔15可以沿喷嘴壳体的轴线方向依次设置。根据本发明的一具体实施方式，其中混合气出口11可以与二次混合腔13连通，以使在二次混合腔13内充分混合后的燃油与空气的混合物能够经该混合气出口11喷出，以参与燃烧。根据本发明的一具体实施方式，其中燃油腔14和副进气腔15之间可以通过不锈钢环进行隔离，但不以此为限。

继续参照图1，根据本发明的一具体实施方式，其中燃油腔14的侧壁上可以设置有燃油进口16。根据本发明的一具体实施方式，其中该燃油进口16可以设置有导油管，该燃油进口16可以通过导油管与燃油源连通，燃油源中的燃油可以经过该燃油进口16进入到燃油腔14中。根据本发明的一具体实施方式，其中在燃油源和燃油进口16之间还可以设置有燃油泵，该燃油泵可以设置于燃油源和燃油进口16之间的导油管上。根据本发明的一具体实施方式，经过该燃油进口16的燃油压力可以为0.2-0.8Mpa，但不以此为限，根据实际工况进行选择。

继续参照图1，根据本发明的一具体实施方式，其中副进气腔15的侧壁上可以设置有副进气口17，该副进气口17可以与副进气腔15连通。根据本发明的一具体实施方式，其中该副进气口17可以设置有导气管，通过该导气管使副进气腔15与气泵连通。根据本发明的一具体实施方式，其中经过副进气口17的气压可以为0.3-0.9Mpa，但不以此为限，根据实际工况进行选择。

继续参照图1，根据本发明的一具体实施方式，其中副气路油路基座5上可以设置有进油孔21，通过该进油孔21将燃油腔14与初步混合腔12连通。根据本发明的一实施方式，其中进油孔21可以沿副气路油路基座5的周向倾斜设置，以使燃油进入该燃油腔14内后具有切向速度，从而使燃油与空气混合的更加充分。根据本发明的一实施方式，其中进油孔21的延伸方向与径向之间的夹角可以为30°-60°，但不以此为限，可以根据实际需要进行调整。根据本发明的一实施方式，其中进油孔21的延伸方向与径向之间的夹角可以为45°，但不以此为限。

继续参照图1，根据本发明的一实施方式，其中副气路油路基座5上还可以设置有进气孔22，通过该进气孔22可以使副进气腔15与该初步混合腔12连通。根据本发明的一具体实施方式，其中进气孔22可以沿喷嘴壳体的径向延伸。

参照图1和图4，根据本发明的一实施方式，其中进油孔21可以为10个，10个进油孔21可以均布于副气路油路基座5的同一圆周上，但不以此为限，进油孔21的数量可以根据实际工况进行选择设置。根据本发明的一具体实施方式，其中进气孔22可以为10个，10个进气孔22可以均布于副气路油路基座5的同一圆周上，但不以此为限，进气孔22的数量可以根据实际工况进行选择设置。根据本发明的一实施方式，其中进气孔22的直径可以为0.7mm，进油孔21的直径可以为0.9mm，但不以此为限，可以根据实际需要进行选择。根据本发明的一具体实施方式，其中进入初步混合腔12的空气和燃油的质量比可以为0.5％-4％，但不以此为限，可以根据实际需要进行调整。本发明提供的燃油雾化喷嘴能够通过改变进气孔22和进油孔21的数量、开口大小以及副进气管2和燃油导管3的压力来调节气泡雾化的油气比，从而减小主气路气量的波动以及气量大小对雾化性能的影响，此处描述的主气路可以为由空气进口20进入的空气形成的气路。

继续参照图1，根据本发明的一具体实施方式，其中燃油雾化喷嘴还可以包括副气路油路基座5，该副气路油路基座5可以固定套设于喷嘴壳体内。根据本发明的一具体实施方式，其中副气路油路基座5可以为筒形结构，该副气路油路基座5的一端可以设置有凸环23，该凸环23可以由副气路油路基座5的外周向外突出形成，该凸环23可以固定于喷嘴壳体的一端。根据本发明的一具体实施方式，其中副气路油路基座5的另一端的外周面可以套设有混合室安装座6，该混合室安装座6可以固定于喷嘴壳体内。根据本发明的一具体实施方式，其中混合室安装座6可以与副气路油路基座5同轴设置。根据本发明的一具体实施方式，其中副气路油路基座5可以与喷嘴壳体同轴设置。

参照图1和图2，根据本发明的一具体实施方式，其中主进气喷嘴可以间隔套设于副气路油路基座5内，初步混合腔12可以设置于主进气喷嘴和副气路油路基座5之间，初步混合腔12可以与二次混合腔13连通，主进气喷嘴可以包括进气端和出气端，出气端可以与二次混合腔13连通。根据本发明的一实施方式，其中经过进气端的气压可以为0.2-0.8Mpa。根据本发明的一具体实施方式，其中主进气喷嘴可以包括导流板4以及分别设置于导流板4两端的主进气管1和声速喷嘴7，导流板4上可以设置有轴向延伸的通孔18，通孔18可以分别与主进气管1和声速喷嘴7连通。根据本发明的一实施方式，其中主进气喷嘴可以与副气路油路基座5同轴设置。

继续参照图1，根据本发明的一具体实施方式，其中燃油雾化喷嘴还可以包括喷嘴芯，该喷嘴芯可以套设于喷嘴壳体内，该喷嘴芯可以与喷嘴壳体同轴设置。根据本发明的一具体实施方式，其中喷嘴芯可以包括柱体结构8和设置于柱体结构8的一端的锥形结构10，柱体结构8的另一端固定于主进气喷嘴上，锥形结构10的横截面由柱体结构8的一端逐渐增大，锥形结构10可以间隔套设于混合气出口11内。根据本发明的一具体实施方式，其中柱体结构8的另一端可以通过螺纹连接与主进气喷嘴固定连接，但不以此为限。

参照图1和图3，根据本发明的一具体实施方式，其中燃油雾化喷嘴还可以包括谐振管9可以设置于二次混合腔13内，谐振管9可以套设于柱体结构8的外周，该谐振管9可以参与燃油的二次雾化过程。根据本发明的一实施方式，其中谐振管9与声速喷嘴7之间的距离可以为8-12mm。根据本发明的一实施方式，其中谐振管9可以具有开口朝向主进气喷嘴的凹腔19，凹腔19的横截面大于主进气喷嘴的出气端的横截面，凹腔19的内径由谐振管9的端面向内逐渐减小。根据本发明的一具体实施方式，其中谐振管9可以通过螺纹连接与喷嘴芯连接，通过旋转该谐振管9，可以调整谐振管9在喷嘴芯上的位置，从而调整谐振管9与声速喷嘴7之间的距离。根据本发明的一具体实施方式，其中谐振管9的柱体结构8的另一端可以固定于导流板4上。根据本发明的一具体实施方式，其中柱体结构8与导流板4之间可以通过螺纹连接，但不以此为限。

根据本发明的一具体实施方式，其中本发明提供的燃油雾化喷嘴的雾化效果较好，例如但不限于，当空气流量在临界值以上时，该燃油雾化喷嘴喷射的液雾的索太尔平均直径可以小于30μm，该燃油雾化喷嘴能够对高粘度的重油或者原油具有较好的雾化效果。根据本发明的一具体实施方式，其中混合气出口11为锥形设计，该混合气出口11沿由燃油雾化喷嘴内部向外部延伸的方向其直径逐渐增大，该锥形设计可以使燃油以预定的锥角和速度喷入到燃烧室头部参与燃烧。该燃油雾化喷嘴采用超声波-气泡组合雾化机理，其内部气体流量较大，能够将混合气出口11处的积碳或杂质吹走，从而具有自净化功能，从而提高其使用寿命。更进一步地，由于该燃油雾化喷嘴的内部通有空气，因此喷嘴的耐高温性能较好，能大大增加燃油雾化喷嘴的工作寿命。更进一步地，该燃油雾化喷嘴能够安装在常规的燃烧加热器，即使在较恶劣条件下，也能够实现稳定点火，并保持较高的燃烧效率。加装组合喷嘴的燃烧加热器可以应用于航空发动机燃烧室地面验证试验系统中，为试验件提供高温进口来流。

根据本发明的一具体实施方式，其中该燃油雾化喷嘴在气液比为0.1-0.3的情况下能够保持较好的雾化效果，其低于现有的一般的超声波雾化喷嘴的气液比，其中一般的超声波雾化喷嘴的气液比为0.5-1.0左右。

根据本发明的一种具体实施方式，其中本发明限定的固定连接可以采用螺纹连接固定，或者采用焊接固定，或者铆接固定等，都在本发明的保护范围内。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

Claims (10)

1.一种燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述燃油雾化喷嘴应用于燃烧加热器，所述燃油雾化喷嘴包括：

喷嘴壳体，所述喷嘴壳体的两端分别设置有空气进口和混合气出口，所述喷嘴壳体为筒形结构，所述喷嘴壳体包括相互隔离的二次混合腔、燃油腔以及副进气腔，所述二次混合腔、所述燃油腔以及所述副进气腔沿所述喷嘴壳体的轴线方向依次设置，所述混合气出口与所述二次混合腔连通，所述燃油腔和所述副进气腔的侧壁上分别设置有燃油进口和副进气口，所述燃油进口与所述燃油腔连通，所述副进气口与所述副进气腔连通；

副气路油路基座，所述副气路油路基座固定套设于所述喷嘴壳体内，所述副气路油路基座的侧壁上形成有进油孔和进气孔，所述进油孔和所述进气孔分别与所述燃油腔和所述副进气腔连通；

主进气喷嘴，所述主进气喷嘴间隔套设于所述副气路油路基座内，所述主进气喷嘴和所述副气路油路基座之间形成有初步混合腔，所述初步混合腔与所述二次混合腔连通，所述主进气喷嘴包括进气端和出气端，所述出气端与所述二次混合腔连通；

喷嘴芯，所述喷嘴芯套设于所述喷嘴壳体内，所述喷嘴芯包括柱体结构和设置于所述柱体结构的一端的锥形结构，所述柱体结构的另一端固定于所述主进气喷嘴上，所述锥形结构的横截面由所述柱体结构的一端逐渐增大，所述锥形结构间隔套设于所述混合气出口；以及

谐振管，所述谐振管设置于所述二次混合腔内，所述谐振管套设于所述柱体结构的外周，所述谐振管距所述主进气喷嘴的距离可调。

2.如权利要求1所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述主进气喷嘴包括导流板以及分别设置于所述导流板两端的主进气管和声速喷嘴，所述导流板上设置有轴向延伸的通孔，所述通孔分别与所述主进气管和所述声速喷嘴连通。

3.如权利要求1所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述进油孔沿所述副气路油路基座的周向倾斜设置；所述进气孔沿所述喷嘴壳体的径向延伸。

4.如权利要求2所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述进油孔的延伸方向与径向之间的夹角为30°-60°。

5.如权利要求4所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述进油孔的延伸方向与径向之间的夹角为45°。

6.如权利要求4所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述进油孔为10个，10个所述进油孔均布于所述副气路油路基座的同一圆周上；所述进气孔为10个，10个所述进气孔均布于所述副气路油路基座的同一圆周上。

7.如权利要求6所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述进气孔的直径为0.7mm，所述进油孔的直径为0.9mm。

8.如权利要求1至7中任一项所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述谐振管与所述主进气喷嘴之间的距离为8-12mm。

9.如权利要求1至7中任一项所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述燃油进口的燃油压力为0.2-0.8Mpa；所述副进气口的气压为0.3-0.9Mpa；所述进气端的气压为0.2-0.8Mpa。

10.如权利要求1至7中任一项所述的燃油雾化喷嘴，其特征在于，所述谐振管具有开口朝向所述主进气喷嘴的凹腔，所述凹腔的横截面大于所述主进气喷嘴的出气端的横截面，所述凹腔的内径由所述谐振管的端面向内逐渐减小。