CN111980809A - 一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机燃料喷注领域，提供一种主动冷却发动机燃料切换装置，使得燃料从液态进入超临界态或气态时，燃料喷孔截面积根据燃料压力变化自适应调节，维持燃料喷射压力稳定，从而确保燃料切换过程中发动机稳定燃烧，包括一端开口的壳体，且壳体的开口侧上安装有端面法兰，所述壳体内腔背离端面法兰的一侧依次开设有汇流腔和下游腔室，壳体的内腔中插设有针锥，且针锥的头部贯穿汇流腔并延伸至下游腔室中，汇流腔与下游腔室的连接处设有与针锥侧壁相匹配的内流道壁面。本发明还提供一种主动冷却发动机燃料切换方法。本发明尤其适用于主动冷却发动机的燃料稳定切换，具有较高的社会使用价值和应用前景。

Description

一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法

技术领域

本发明涉及发动机燃料喷注领域，具体涉及一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法。

背景技术

主动冷却发动机要求采用燃料对发动机燃烧室壁面进行冷却保护，之后将燃料喷入燃烧室进行燃烧。主动冷却技术的优点体现在以下几方面：

1)对燃烧室进行冷却，保护燃烧室不受燃烧破坏，延长燃烧室工作寿命；

2)能够预热燃料，提高燃烧效率，获得更大推力；

3)燃烧室内部设置冷却槽道，减轻燃烧室重量。

随燃烧室总温升高，经燃烧室冷却槽道流出的燃料温度也随之升高。当燃料从液态进入超临界态或气态时，密度急剧降低，因此需要通过增大喷孔面积来维持燃料流量和喷射压力稳定。常用的解决办法是在喷孔上游管路设置阀门进行切换，通过监测燃料温度或压力达到预设切换点时，触发阀门切换指令，实现燃料喷孔截面积调节。

但由于切换时喷射面积瞬间增大，喷射压力的建立过程存在一定滞后，导致穿透深度降低，燃烧室总压和推力瞬间下降，致使发动机燃烧效率降低，甚至有可能造成切换过程中发动机熄火。为此，我们提出了一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，使得燃料从液态进入超临界态或气态时，燃料喷孔截面积根据燃料压力变化自适应调节，维持燃料喷射压力稳定，从而确保燃料切换过程中发动机稳定燃烧。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种主动冷却发动机燃料切换装置，包括一端开口的壳体，且壳体的开口侧上安装有端面法兰，所述壳体内腔背离端面法兰的一侧依次开设有贯通的汇流腔和下游腔室，壳体的内腔中插设有针锥，且针锥的头部贯穿汇流腔并延伸至下游腔室中，汇流腔与下游腔室的连接处设有与针锥侧壁相匹配的内流道壁面，针锥侧壁与内流道壁面之间形成有收缩-扩张流道，且收缩-扩张流道靠近汇流腔的一段为收缩段，靠近下游腔室的一段为扩张段，针锥的端部通过设有预压缩量的弹性元件与端面法兰相连接，且针锥在弹性元件预紧力的作用下与内流道壁面接触密封；

所述壳体背离端面法兰一侧的侧壁上依次开设有贯穿壳体的上游喷孔和下游喷孔，上游喷孔和下游喷孔均为多个，且上游喷孔与汇流腔贯通连接，下游喷孔与下游腔室贯通连接，多个上游喷孔上分别贯通连接有与壳体同向延伸的壳体内流道；

所述端面法兰的内部形成有用于降低燃料冲击力的缓冲腔，且端面法兰的凸起面上开设有燃料入口，端面法兰的内壁上分别开设有多个连通缓冲腔和壳体内流道的端面法兰内流道。

优选的，所述内流道壁面为圆角结构，且针锥侧壁与内流道壁面之间为线接触密封。

优选的，所述端面法兰与壳体通过螺栓连接，且端面法兰与壳体之间设有耐高温静密封。

优选的，所述针锥靠近端面法兰一侧的环形侧壁上套设有耐高温动密封，且耐高温动密封与壳体的内腔滑动密封。

优选的，所述针锥的头部为钝头状或针状结构，且头部的锥角大于0°小于180°。

优选的，所述耐高温动密封为柔性石墨或O型密封圈。

优选的，所述弹性元件为弹簧或金属波纹管。

优选的，所述收缩-扩张流道在收缩段和扩张段之间形成有环状喉道，且环状喉道的截面积小于等于下游喷孔的截面积。

本发明还提供有一种基于主动冷却发动机燃料切换装置的燃料切换方法，包括以下步骤：

S、燃料流经燃料入口、缓冲腔、端面法兰内流道和壳体内流道到达汇流腔和上游喷孔；

S2、根据燃料的不同状态，燃料切换装置进行自适应调节；

S2-1、当燃料为液态时，针锥表面所受汇流腔内燃料压力和下游腔室内气体压力的合力小于弹性元件的预紧力，针锥在弹性元件的预紧力下贴合内流道壁面，燃料从上游喷孔喷射；

S2-2、当燃料为超临界态或气态时，针锥表面所受汇流腔内燃料压力和下游腔室内气体压力的合力大于弹性元件的预紧力，针锥被推离内流道壁面，汇流腔与下游腔室连通，部分燃料通过针锥侧表面与内流道壁面之间形成的环状收缩-扩张流道到达下游喷孔，燃料由上游喷孔和下游喷孔同时喷射，实现喷孔面积自适应调节；

其中，步骤S2-2中，在下游喷孔燃料喷射压力建立过程中，收缩-扩张流道内形成超声速气流并产生激波，维持上游喷孔的燃料喷射压力稳定。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法，具备以下有益效果：

1、当燃料由液态进入超临界态或气态时，基于作用在针锥上的燃料压力变化自适应调节喷孔截面积；

当燃料为液态时，针锥表面所受汇流腔内燃料压力和下游腔室内气体压力的合力不足以克服弹性元件的预紧力将针锥推离内流道壁面，燃料从上游喷孔喷射；

当燃料为超临界态或气态时，针锥表面所受汇流腔内燃料压力和下游腔室内气体压力的合力大于弹性元件的预紧力，针锥被推离内流道壁面，汇流腔与针锥下游腔室连通，此时部分燃料则通过针锥侧表面与内流道壁面之间形成的环状收缩-扩张流道到达下游喷孔，燃料由上游喷孔和下游喷孔同时喷射，实现喷孔面积自适应调节。

2、当燃料为超临界态或气态时，在下游喷孔燃料喷射压力建立过程中，收缩-扩张流道内形成超声速气流并产生激波，不会对上游喷孔喷射产生影响，从而维持上游喷孔的燃料喷射压力稳定。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种主动冷却发动机燃料切换装置及切换方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中收缩-扩张流道的局部示意图。

图中：端面法兰1、壳体2、针锥3、弹性元件4、燃料入口5、缓冲腔6、壳体内流道7、汇流腔8、上游喷孔9、下游喷孔10、耐高温静密封11、耐高温动密封12、内流道壁面13、收缩-扩张流道14、环状喉道141、端面法兰内流道15、下游腔室16。

具体实施方式

下面结合附图1-2和实施例对本发明进一步说明：

实施例1

一种主动冷却发动机燃料切换装置，包括一端开口的壳体2，且壳体2的开口侧上安装有端面法兰1，所述壳体2内腔背离端面法兰1的一侧依次开设有贯通的汇流腔8和下游腔室16，壳体2的内腔中插设有针锥3，且针锥3的头部贯穿汇流腔8并延伸至下游腔室16中，汇流腔8与下游腔室16的连接处设有与针锥3侧壁相匹配的内流道壁面13，针锥3侧壁与内流道壁面13之间形成有收缩-扩张流道14，且收缩-扩张流道14靠近汇流腔8的一段为收缩段，靠近下游腔室16的一段为扩张段，针锥3的端部通过设有预压缩量的弹性元件4与端面法兰1相连接，且针锥3在弹性元件4预紧力的作用下与内流道壁面13接触密封；

所述壳体2背离端面法兰1一侧的侧壁上依次开设有贯穿壳体2的上游喷孔9和下游喷孔10，上游喷孔9和下游喷孔10均为多个，且上游喷孔9与汇流腔8贯通连接，下游喷孔10与下游腔室16贯通连接，多个上游喷孔9上分别贯通连接有与壳体2同向延伸的壳体内流道7；

所述端面法兰1的内部形成有用于降低燃料冲击力的缓冲腔6，且端面法兰1的凸起面上开设有燃料入口5，端面法兰1的内壁上分别开设有多个连通缓冲腔6和壳体内流道7的端面法兰内流道15；

本实施例中，可以理解的是，端面法兰内流道15与壳体内流道7的直径、个数、位置完全一一对应。

本实施例中，根据燃料的工作温度范围，端面法兰1、壳体2、针锥3、弹性元件4可选用不锈钢、高温合金钢、铝、铜等材料，如当燃料对发动机主动冷却后，温度达到450℃时，综合考虑材料的高温机械性能和加工性能，则采用高温合金钢，如牌号GH625、GH4169等。

本实施例中，如图1-2所示，所述端面法兰1与壳体2通过螺栓连接，为了避免燃料从端面法兰1和壳体2之间泄漏，且综合高温环境，端面法兰1与壳体2之间设有耐高温静密封11。

本实施例中，根据使用环境温度不同，耐高温静密封11的材质可以选择黄铜、紫铜、熟铁、不锈钢、铝等，且可在端面法兰1上对应耐高温静密封11的相应位置设置多道环状密封刺，用于增加密封材料变形，提高密封效果。

本实施例中，如图1所示，所述针锥3靠近端面法兰1一侧的环形侧壁上套设有耐高温动密封12，且耐高温动密封12与壳体2的内腔滑动密封，保证针锥3在滑动时的密封效果。

本实施例中，如图1-2所示，所述针锥3的头部为钝头状或针状结构，且头部的锥角大于0°小于180°，当端面法兰1与壳体2固定连接后，弹性元件4的预压缩量所产生的预紧力作用在针锥3上，使得针锥3与内流道壁面13之间紧密贴合，其中弹性元件4的预紧力根据使用工况下针锥3开启压力计算获得；

针锥3的锥角由设计而定，本实施例中，针锥3为钝头结构，锥角为10°；

本实施例中，如图1-2所示，内流道壁面13为圆角结构，圆角半径为R20；

因此，针锥3的侧表面与内流道圆弧壁面13之间为线接触密封。

本实施例中，所述耐高温动密封12为柔性石墨或O型密封圈，O型密封圈的材质可根据燃料的工作温度范围，选用不同的橡胶材质，如硅橡胶、氟橡胶等，以保证其耐热特性和密封特性。

本实施例中，所述弹性元件4为弹簧或金属波纹管，保证弹性元件4的预压缩量。

本实施例中，所述收缩-扩张流道14在收缩段和扩张段之间形成有环状喉道141，且环状喉道141的截面积小于等于下游喷孔10的截面积，实现燃料喷孔面积的自适应调节，且在下游喷孔10燃料喷射压力建立过程中，环状喉道141内形成超声速气流并产生激波，维持上游喷孔9的燃料喷射压力稳定。

根据本发明上述实施例的主动冷却发动机燃料切换装置，可以在燃料由液态到超临界态或气态切换时，根据燃料作用在针锥3上的压力变化，通过弹性元件4自适应增大喷孔截面积；同时，在针锥3侧表面与内流道壁面13之间形成的收缩-扩张流道14内形成超声速流并产生激波，阻隔下游喷射压力变化对上游喷射压力的影响，从而在燃料切换过程中维持上游喷射压力稳定，确保发动机稳定燃烧。

实施例2

本实施例提供一种基于主动冷却发动机燃料切换装置的燃料切换方法，包括以下步骤：

S1、燃料流经燃料入口5、缓冲腔6、端面法兰内流道15和壳体内流道7到达汇流腔8和上游喷孔9；

S2、根据燃料的不同状态，燃料切换装置进行自适应调节；

S2-1、当燃料为液态时，针锥3表面所受汇流腔8内燃料压力和下游腔室16内气体压力的合力小于弹性元件4的预紧力，针锥3在弹性元件4的预紧力下贴合内流道壁面13，燃料从上游喷孔9喷射；

S2-2、当燃料为超临界态或气态时，针锥3表面所受汇流腔8内燃料压力和下游腔室16内气体压力的合力大于弹性元件4的预紧力，针锥3被推离内流道壁面13，汇流腔8与下游腔室16连通，部分燃料通过针锥3侧表面与内流道壁面13之间形成的环状收缩-扩张流道14到达下游喷孔10，燃料由上游喷孔9和下游喷孔10同时喷射，实现喷孔面积自适应调节；

其中，步骤S2-2中，在下游喷孔10燃料喷射压力建立过程中，收缩-扩张流道14内形成超声速气流并产生激波，维持上游喷孔9的燃料喷射压力稳定。

具体的，燃料由燃料入口5进入燃料切换装置，经缓冲腔6、端面法兰内流道15、壳体内流道7到达汇流腔8和上游喷孔9,汇流腔8内针锥3与燃料接触的表面所受压力为燃料喷射压力F_f，且在针锥3与内流道壁面13线接触密封的情况下，针锥3上游的汇流腔8与针锥3的下游腔室16不连通，而下游腔室16通过下游喷孔10与燃烧室连通，故下游腔室16内针锥3头部表面所受气体压力为燃烧室室压F_c，故针锥上所受合力为∑F＝F_f+F_c。

当燃料为液体时，设定∑F＜F_k，故针锥3表面所受汇流腔8内燃料压力和下游腔室16内气体压力的合力不足以克服弹性元件的预紧力而将针锥3推离内流道壁面13，针锥3与内流道壁面13线接触密封，燃料仅从上游喷孔9喷射。随着冷却燃烧室后的燃料的温度升高，以致燃料发生物相变化，进入态超临界或气态时，密度剧烈减小，故维持燃料流量不变的情况下，通过喷孔9的燃料喷射压力急剧升高。

当针锥3表面所受汇流腔8内燃料压力和下游腔室16内气体压力的合力大于弹性元件4预紧力时(即∑F′＝F_f′+F_c′＞F_k)，针锥3被推离内流道壁面13，汇流腔8与下游腔室16连通，针锥3侧表面与内流道壁面13之间形成一段收缩-扩张流道14，收缩-扩张流道14在扩张时形成有环状喉道141，一部分燃料则通过收缩-扩张流道14到达下游喷孔10，燃料由上游喷孔9和下游喷孔10同时喷射，喷孔面积增大，实现燃料喷孔截面积自适应调节。

此时，过油面积

A_ft ^*＝A_f1+σ_ft ^*

其中，A_f1为上游燃料喷孔9的喷射面积，σ_ft ^*为喉道15截流面积。因此，燃料温度为T_ft，压力为P_ft时，可以通过的燃料流量

为

其中，系数K可由已知温度、压力下超临界态(或气态)燃料通过已知面积音速喷管的流量标定获得。

由于起初通过环状喉道141进入下游喷孔10的燃料流量较小，下游喷孔10的喷射压力尚未建立，穿透深度较低，而上游喷孔9和下游喷孔10的燃料喷射压力在收缩-扩张流道14上下游产生一定的压差，使得收缩-扩张流道14中产生超声速流，并在其扩张段形成一道激波，该激波阻隔下游喷射压力向上游传播，因此不会对上游喷孔喷射产生影响，从而维持上游喷射压力稳定；

随着针锥3在其侧面和头部的燃料喷射压力作用下加速向端面法兰1移动，节流面积σ_ft ^*随之增加，通过环状喉道141的燃料流量相应增大，下游喷孔10的喷射压力随之升高，激波沿收缩-扩张流道14向上游移动并逐渐减弱；

最终，当上游喷孔9和下游喷孔10的喷射压力完全相等时，收缩-扩张流道14内的燃料流速变为亚声速，针锥3稳定在最终位置，由于此时针锥3表面所受压力只有燃料压力F_f′，故根据受力平衡，弹性元件4所受压力F_k′＝F_f′令针锥3从开启到最终位置向端面法兰位移Δx，则弹性元件4的刚度系数K和预压缩量Δx₀分别为

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种主动冷却发动机燃料切换装置，包括一端开口的壳体，且壳体的开口侧上安装有端面法兰，其特征在于，所述壳体内腔背离端面法兰的一侧依次开设有贯通的汇流腔和下游腔室，壳体的内腔中插设有针锥，且针锥的头部贯穿汇流腔并延伸至下游腔室中，汇流腔与下游腔室的连接处设有与针锥侧壁相匹配的内流道壁面，针锥侧壁与内流道壁面之间形成有收缩-扩张流道，且收缩-扩张流道靠近汇流腔的一段为收缩段，靠近下游腔室的一段为扩张段，针锥的端部通过设有预压缩量的弹性元件与端面法兰相连接，且针锥在弹性元件预紧力的作用下与内流道壁面接触密封；

所述壳体背离端面法兰一侧的侧壁上依次开设有贯穿壳体的上游喷孔和下游喷孔，上游喷孔和下游喷孔均为多个，且上游喷孔与汇流腔贯通连接，下游喷孔与下游腔室贯通连接，多个上游喷孔上分别贯通连接有与壳体同向延伸的壳体内流道；

所述端面法兰的内部形成有用于降低燃料冲击力的缓冲腔，且端面法兰的凸起面上开设有燃料入口，端面法兰的内壁上分别开设有多个连通缓冲腔和壳体内流道的端面法兰内流道。

2.如权利要求1所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述内流道壁面为圆角结构，且针锥侧壁与内流道壁面之间为线接触密封。

3.如权利要求1所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述端面法兰与壳体通过螺栓连接，且端面法兰与壳体之间设有耐高温静密封。

4.如权利要求1所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述针锥靠近端面法兰一侧的环形侧壁上套设有耐高温动密封，且耐高温动密封与壳体的内腔滑动密封。

5.如权利要求4所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述针锥的头部为钝头状或针状结构，且头部的锥角大于0°小于180°。

6.如权利要求4所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述耐高温动密封为柔性石墨或O型密封圈。

7.如权利要求1所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述弹性元件为弹簧或金属波纹管。

8.如权利要求1所述的一种主动冷却发动机燃料切换装置，其特征在于：所述收缩-扩张流道在收缩段和扩张段之间形成有环状喉道，且环状喉道的截面积小于等于下游喷孔的截面积。

9.利用权利要求1所述装置的一种主动冷却发动机燃料切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、燃料流经燃料入口、缓冲腔、端面法兰内流道和壳体内流道到达汇流腔和上游喷孔；

S2、根据燃料的不同状态，燃料切换装置进行自适应调节；

S2-1、当燃料为液态时，针锥表面所受汇流腔内燃料压力和下游腔室内气体压力的合力小于弹性元件的预紧力，针锥在弹性元件的预紧力下贴合内流道壁面，燃料从上游喷孔喷射；

S2-2、当燃料为超临界态或气态时，针锥表面所受汇流腔内燃料压力和下游腔室内气体压力的合力大于弹性元件的预紧力，针锥被推离内流道壁面，汇流腔与下游腔室连通，部分燃料通过针锥侧表面与内流道壁面之间形成的环状收缩-扩张流道到达下游喷孔，燃料由上游喷孔和下游喷孔同时喷射，实现喷孔面积自适应调节；

其中，步骤S2-2中，在下游喷孔燃料喷射压力建立过程中，收缩-扩张流道内形成超声速气流并产生激波，维持上游喷孔的燃料喷射压力稳定。

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