CN111853854A - 蒸发管一体化结构、蒸发管式燃烧室及微型涡喷发动机 - Google Patents

蒸发管一体化结构、蒸发管式燃烧室及微型涡喷发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蒸发管一体化结构、蒸发管式燃烧室及微型涡喷发动机，用于通过高速气流将燃油喷嘴喷出的燃油进行冲击和混合后形成燃油‑空气混合物并喷至燃烧室头部区域，蒸发管一体化结构包括与燃烧室的支承环为一体化结构的蒸发管，多个蒸发管沿周向均匀布设于燃烧室的支承环上，蒸发管的第一端为用于高速气流输入的进气端，蒸发管的第二端为用于燃油‑空气混合物喷出的出气端，蒸发管包括靠近进气端的波纹段，波纹段设有沿蒸发管的径向向外凸出的波纹腔，燃油喷嘴从蒸发管的出气端插至蒸发管的波纹段内，以使燃油喷嘴喷出的燃油在波纹段内经高速气流冲击和混合后形成燃油‑空气混合物，进而从蒸发管的出气端喷至燃烧室头部区域。

Description

蒸发管一体化结构、蒸发管式燃烧室及微型涡喷发动机
技术领域
本发明涉及微型涡喷发动机技术领域，特别地，涉及一种蒸发管一体化结构、蒸发管式燃烧室及微型涡喷发动机。
背景技术
微型涡喷发动机具有尺寸小、重量轻、结构简单、成本低、寿命短、维护使用方便等特点，广泛应用于无人飞行器、巡飞弹等军用航空或民用航模动力装置。微型涡喷发动机多采用蒸发管式燃烧室，其具有结构简单、制造成本较低、供油压力低等优点。蒸发管是燃烧室的重要组成部分，用于对燃油充分地掺混和雾化。
现有的微型涡喷发动机中的蒸发管结构，蒸发管为焊接固定在支承环上的等截面均匀壁厚管体结构，燃油喷嘴从蒸发管的出气端插入蒸发管内，燃油经喷嘴喷出后，通过从进气端进入蒸发管内的高速气流对燃油进行冲击雾化、混合，并受到蒸发管管壁和气流加温，使部分燃油蒸发形成燃油蒸汽，雾滴和燃油蒸汽沿蒸发管逆燃气流动方向喷到燃烧室头部区域，进一步与燃烧室头部空气混合、蒸发与燃烧。
由于蒸发管长度有限，燃油在蒸发管内部的停留时间短，燃油雾化不充分，导致燃烧室燃烧效率低。蒸发管的进气端与支承环采用氩弧焊进行焊接，焊接过程中容易出现同轴度偏差较大的问题，进而造成燃烧室出口温度场较差。
发明内容
本发明提供了一种蒸发管一体化结构、蒸发管式燃烧室及微型涡喷发动机，以解决现有的微型涡喷发动机的蒸发管结构中燃油雾化不充分，且多个蒸发管焊接于支承环上的同轴度偏差较大而造成燃烧室出口温度场较差的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种蒸发管一体化结构，用于通过高速气流将燃油喷嘴喷出的燃油进行冲击和混合后形成燃油-空气混合物并喷至燃烧室头部区域，蒸发管一体化结构包括与燃烧室的支承环为一体化结构的蒸发管，多个蒸发管沿周向均匀布设于燃烧室的支承环上，蒸发管的第一端为用于高速气流输入的进气端，蒸发管的第二端为用于燃油-空气混合物喷出的出气端，蒸发管包括靠近进气端的波纹段，波纹段设有沿蒸发管的径向向外凸出的波纹腔，燃油喷嘴从蒸发管的出气端插至蒸发管的波纹段内，以使燃油喷嘴喷出的燃油在波纹段内经高速气流冲击和混合后形成燃油-空气混合物，进而从蒸发管的出气端喷至燃烧室头部区域。
进一步地，多个波纹腔沿气流输送方向间隔排布。
进一步地，相邻的波纹腔通过平直段连接。
进一步地，波纹腔的凸起方向与波纹段的轴向相垂直。
进一步地，波纹腔的轴向截面形状为半圆形，半圆形的半径为0.5mm～2mm；和/或波纹腔的轴向截面形状为半椭圆型，半椭圆形的长轴为0.5mm～2mm。
进一步地，蒸发管还包括连接波纹段与出气端的扩张段，扩张段为通道直径沿气流输送方向逐渐变大的锥形状。
进一步地，扩张段的锥度为2度-5度。
进一步地，波纹段与扩张段的分段位置位于蒸发管总长度的三分之一到二分之一的区域。
根据本发明的另一方面，还提供了一种蒸发管式燃烧室，包括上述蒸发管一体化结构。
根据本发明的另一方面，还提供了一种微型涡喷发动机，包括上述蒸发管式燃烧室。
本发明具有以下有益效果：
本发明的蒸发管一体化结构，通过在蒸发管上设置波纹段，且波纹段靠近蒸发管的进气端，通过将燃油喷嘴从蒸发管的出气端插至蒸发管的波纹段内，使燃油喷嘴新喷出的粒径较大的燃油滴进入向外凸起的波纹腔内被蒸发管的进气端进入的高速气流进行冲击破碎和混合形成燃油-空气混合物，通过向外凸起的波纹腔有效地增加了燃油-空气混合物与蒸发管外侧的高温燃气的换热面积，从而增强了燃油蒸发效果，并且燃油-空气混合物从波纹腔流出后会与蒸发管的进气端进入的高速气流差生强烈的动量交换，燃油-空气混合物被高速气流进一步剪切，进一步增强了燃油的雾化蒸发效果，最后雾化充分的燃油-空气混合物随高速气流从蒸发管的出气端流出至燃烧室头部区域进一步与燃烧室头部空气混合、蒸发与燃烧，此外，沿周向均匀布设的多个蒸发管与燃烧室的支承环为一体化结构，蒸发管与支承环一次性快速成型，提高了蒸发管的制造符合性，改善了多个蒸发管与支承环的同轴度，从而有利于改善燃烧室出口温度场。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的蒸发管一体化结构的结构示意图。
图例说明：
1、蒸发管；11、波纹段；12、扩张段；2、支承环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的蒸发管一体化结构的结构示意图。
如图1所示，本实施例的一种蒸发管一体化结构，用于通过高速气流将燃油喷嘴喷出的燃油进行冲击和混合后形成燃油—空气混合物并喷至燃烧室头部区域，蒸发管一体化结构包括与燃烧室的支承环2为一体化结构的蒸发管1，多个蒸发管1沿周向均匀布设于燃烧室的支承环2上，蒸发管1的第一端为用于高速气流输入的进气端，蒸发管1的第二端为用于燃油-空气混合物喷出的出气端，蒸发管1包括靠近进气端的波纹段，波纹段设有沿蒸发管1的径向向外凸出的波纹腔，燃油喷嘴从蒸发管1的出气端插至蒸发管1的波纹段11内，以使燃油喷嘴喷出的燃油在波纹段11内经高速气流冲击和混合后形成燃油-空气混合物，进而从蒸发管1的出气端喷至燃烧室头部区域。本发明的蒸发管一体化结构，通过在蒸发管1上设置波纹段11，且波纹段11靠近蒸发管1的进气端，通过将燃油喷嘴从蒸发管1的出气端插至蒸发管1的波纹段11内，使燃油喷嘴新喷出的粒径较大的燃油滴进入向外凸起的波纹腔内被蒸发管1的进气端进入的高速气流进行冲击破碎和混合形成燃油-空气混合物，通过向外凸起的波纹腔有效地增加了燃油-空气混合物与蒸发管1外侧的高温燃气的换热面积，从而增强了燃油蒸发效果，并且燃油-空气混合物从波纹腔流出后会与蒸发管1的进气端进入的高速气流差生强烈的动量交换，燃油-空气混合物被高速气流进一步剪切，进一步增强了燃油的雾化蒸发效果，最后雾化充分的燃油-空气混合物随高速气流从蒸发管1的出气端流出至燃烧室头部区域进一步与燃烧室头部空气混合、蒸发与燃烧，此外，沿周向均匀布设的多个蒸发管1与燃烧室的支承环2为一体化结构，蒸发管1与支承环2一次性快速成型，提高了蒸发管1的制造符合性，改善了多个蒸发管1与支承环2的同轴度，从而有利于改善燃烧室出口温度场，并且不会因为焊接导致材料性能损失。
如图1所示，在本实施例中，多个波纹腔沿气流输送方向间隔排布。相邻的波纹腔通过平直段连接。波纹腔的轴向截面形状为半圆形，半圆形的半径为0.5mm～2mm；和/或波纹腔的轴向截面形状为半椭圆型，半椭圆形的长轴为0.5mm～2mm。每个波纹腔构成用于燃油滴和空气流动的环形气流流道，半圆形或半椭圆型的曲面结构有助于消除不利于气流流动的漩涡，并且相对于其他非曲面结构燃油-空气混合物与蒸发管1外侧的高温燃气的换热面积更大，燃油蒸发效果更好。相邻的两个波纹腔通过平直段连接具有理顺气流方向的作用。波纹腔的凸起方向与波纹段11的轴向相垂直。燃油-空气混合物从波纹腔流出时的流动方向与波纹段11中心的气流方向相垂直，有利于燃油-空气混合物被高速气流充分剪切破碎，进一步增强了燃油的雾化蒸发效果。
如图1所示，蒸发管1还包括连接波纹段11与出气端的扩张段12，扩张段12为通道直径沿气流输送方向逐渐变大的锥形状。进入扩张段12中的燃油滴的粒径较小，需要更充足的时间接收蒸发管1外侧的高温燃气的热量，通过通道直径沿气流输送方向逐渐变大的扩张段12降低燃油-空气混合物流动的速度，以增强蒸发管1内燃油-空气混合物与蒸发管1外高温燃气的换热时间，使燃油-空气混合物中的燃油滴进一步雾化蒸发。
如图1所示，波纹段11与扩张段12的分段位置位于蒸发管1总长度的三分之一到二分之一的区域。对于蒸发管1靠近进气端的前三分之一到二分之一的区域，燃油滴粒径较大且高速气流的速度较高，通过波纹段11来加强高速气流对燃油的冲击和破碎以及增加蒸发管1内燃油-空气混合物与蒸发管1外高温燃气的换热面积，从而增强燃油雾化蒸发的效果。对于蒸发管1靠近出气端的后三分之二到后二分之一的区域，燃油滴粒径较小，通过扩张段12将燃油-空气混合物的流动速度降低，从而增加蒸发管1内燃油-空气混合物与蒸发管1外高温燃气的换热时间，从而进一步增强燃油雾化蒸发的效果。
如图1所示，扩张段12的锥度为2度-5度。若扩张段12的锥度过小则燃油-空气混合物流动的速度降得不够低，蒸发管1内燃油-空气混合物与蒸发管1外高温燃气的换热时间不够长。若扩张段12的锥度过大则燃油-空气混合物流动的速度降得过低，燃油-空气混合物容易滞留于蒸发管1内。
本实施例的蒸发管式燃烧室，包括上述蒸发管一体化结构。沿周向均匀布设的多个蒸发管1与支承环2为一体化结构，多个蒸发管1与支承环2的同轴度更好，使燃烧室出口温度场分布更均匀，燃油在蒸发管1中雾化蒸发地更加充分，提高了蒸发管式燃烧室的燃烧效率。
本实施例的微型涡喷发动机，包括上述蒸发管式燃烧室。蒸发管式燃烧室的燃烧效率高，有利于提高微型涡喷发动机的整体性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蒸发管一体化结构，用于通过高速气流将燃油喷嘴喷出的燃油进行冲击和混合后形成燃油—空气混合物并喷至燃烧室头部区域，
其特征在于，
蒸发管一体化结构包括与燃烧室的支承环(2)为一体化结构的蒸发管(1)，多个蒸发管(1)沿周向均匀布设于燃烧室的支承环(2)上，
蒸发管(1)的第一端为用于高速气流输入的进气端，蒸发管(1)的第二端为用于燃油-空气混合物喷出的出气端，
蒸发管(1)包括靠近进气端的波纹段，波纹段设有沿蒸发管(1)的径向向外凸出的波纹腔，
燃油喷嘴从蒸发管(1)的出气端插至蒸发管(1)的波纹段(11)内，以使燃油喷嘴喷出的燃油在波纹段(11)内经高速气流冲击和混合后形成燃油-空气混合物，进而从蒸发管(1)的出气端喷至燃烧室头部区域。
2.根据权利要求1所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
多个波纹腔沿气流输送方向间隔排布。
3.根据权利要求2所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
相邻的波纹腔通过平直段连接。
4.根据权利要求1所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
波纹腔的凸起方向与波纹段的轴向相垂直。
5.根据权利要求1所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
波纹腔的轴向截面形状为半圆形，半圆形的半径为0.5mm～2mm；和/或
波纹腔的轴向截面形状为半椭圆型，半椭圆形的长轴为0.5mm～2mm。
6.根据权利要求1所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
蒸发管(1)还包括连接波纹段(11)与出气端的扩张段(12)，扩张段(12)为通道直径沿气流输送方向逐渐变大的锥形状。
7.根据权利要求6所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
扩张段(12)的锥度为2度-5度。
8.根据权利要求6所述的蒸发管一体化结构，其特征在于，
波纹段(11)与扩张段(12)的分段位置位于蒸发管(1)总长度的三分之一到二分之一的区域。
9.一种蒸发管式燃烧室，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的蒸发管一体化结构。
10.一种微型涡喷发动机，其特征在于，包括权利要求9所述的蒸发管式燃烧室。
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