CN113504049B

CN113504049B - 一种甩油盘式燃油雾化实验系统及操作方法

Info

Publication number: CN113504049B
Application number: CN202111054276.4A
Authority: CN
Inventors: 任建德; 蔡文祥; 余陵
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2041-09-09
Also published as: CN113504049A

Abstract

本发明公开了一种甩油盘式燃油雾化实验系统及操作方法，该系统装置包括恒压供油组件、调速电机、传动皮带、旋转甩油轴系组件、集油腔组件、LED匀光底座、支撑架组件，所述恒压供油组件与旋转甩油轴系组件供油连接，所述调速电机通过传动皮带与旋转甩油轴系组件驱动连接，所述LED匀光底座固定于集油腔组件上，所述旋转甩油轴系组件的喷雾端穿过LED匀光底座并延伸至集油腔组件内，且旋转甩油轴系组件、LED匀光底座与集油腔组件均位于同一中心轴线上。本发明适用于高压、高速旋转工况下的甩油盘式雾化质量实验研究，且试验过程精准可控，装置结构简单，操作方便，测量精度高。

Description

一种甩油盘式燃油雾化实验系统及操作方法

技术领域

本发明涉及一种甩油盘式燃油雾化实验系统及操作方法，属于燃油雾化实验领域。

背景技术

燃烧效率对航空发动机的动力特性以及污染物排放等有着重要的影响，燃油雾化的优劣是决定燃烧效率的关键。经喷嘴雾化后的燃油液滴粒径分布在微米级，破碎的燃油液滴增加了与空气的接触面积，从而将提高燃烧效率。常用的雾化方式有压力雾化、离心雾化、气动雾化与甩油盘雾化等。

甩油盘雾化属于旋转雾化的一种，是由高速旋转的主轴将燃油从径向上喷出，燃油在离心力的作用下破碎并生成沿曲线运动的微小液滴，雾化得到的液滴与空气充分混合并燃烧。目前，国内外对压力雾化、离心雾化、气动雾化的实验研究较多。对于甩油盘式雾化试验研究装置，高翔，王方等.甩油盘雾化实验台开发和验证[J].清华大学学报（自然科学版），2020,60(3):212-218.提出了一种以水为介质的低压、中速状态下的测量装置；覃文隆，樊未军等.叶型甩油盘雾化特性研究[J].推进技术，2019，40(10):2270-2278.设计的叶型甩油盘试验系统仅可工作在低速工况下。

随着航空发动机工作性能的提高，要求航空发动机对恶劣环境的适应性增强。随着工作压力的提高和主轴转速的增大，在高压高速情况下对试验装置的密封性能提出了严酷的挑战。因此，对于甩油盘式雾化质量的实验研究方案，特别是适用于高压、高速旋转工况下的甩油盘式雾化质量实验研究装置仍处于空白状态。

发明内容

发明目的：针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种甩油盘式燃油雾化实验系统及操作方法，适用于高压、高速旋转工况下的甩油盘式雾化质量实验研究，且试验过程精准可控，装置结构简单，操作方便，测量精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种甩油盘式燃油雾化实验系统，包括恒压供油组件、调速电机、传动皮带、旋转甩油轴系组件、集油腔组件、LED匀光底座、支撑架组件，所述恒压供油组件与旋转甩油轴系组件供油连接，所述调速电机通过传动皮带与旋转甩油轴系组件驱动连接，所述LED匀光底座固定于集油腔组件上，所述旋转甩油轴系组件的喷雾端穿过LED匀光底座并延伸至集油腔组件内。

进一步的，所述旋转甩油轴系组件、LED匀光底座与集油腔组件均位于同一中心轴线上，有利于提高试验精度。

进一步的，所述旋转甩油轴系组件包括同一中心轴线上的缓冲室、同心轴套筒、从动皮带轴、甩油盘式燃油雾化喷嘴，所述缓冲室、从动皮带轴分别套接于同心轴套筒的两端，且缓冲室与同心轴套筒固定连接，所述从动皮带轴与同心轴套筒转动连接，并通过传动皮带与调速电机驱动连接，所述同心轴套筒通过同心支撑架安装于支撑架组件上，所述缓冲室上设有进油接口、出油口，所述甩油盘式燃油雾化喷嘴安装于从动皮带轴的外端，所述出油口通过从动皮带轴的中心孔与甩油盘式燃油雾化喷嘴连通。

进一步的，所述缓冲室上设有压力传感器，所述进油接口、压力传感器相对设置于缓冲室的外端，用于保证供油压力恒定，减少供油脉动。

进一步的，所述同心轴套筒上设有测速传感器，所述从动皮带轴上套接有计数齿，用于配合测速传感器精确检测主轴转速，控制试验精度。

进一步的，所述缓冲室的出油口设置沉头孔，所述从动皮带轴采用橡胶圈与PTFE垫片组合密封的方式连接于沉头孔内，以提高供油密封性。

进一步的，所述集油腔组件包括集油腔体，所述集油腔体的前后两端均设置石英玻璃，所述LED匀光底座安装于前端石英玻璃之前，所述甩油盘式燃油雾化喷嘴依次穿过LED匀光底座、前端石英玻璃并延伸至集油腔体内，所述集油腔体的前端围绕LED匀光底座还布置有进气腔，所述集油腔体底部连通有收油槽。

进一步的，所述恒压供油组件包括储油罐、高压气罐，所述储油罐通过高压软管与进油接口连通，所述高压软管上设有涡轮流量计，所述储油罐顶部设有安全阀、减压阀，并通过减压阀与高压气罐连通，以保持储油罐内部压力恒定。

进一步的，所述支撑架组件包括安装底板、上盖板，所述上盖板通过连接杆与安装底板固定连接，所述安装底板底部设有减震橡胶垫，可有效减少试验中的台阶震动对测试结果的影响。

本发明还公开了一种甩油盘式燃油雾化实验系统的操作方法，包括：通过恒压供油组件调节旋转甩油轴系组件的供油压力，并通过调速电机调节旋转甩油轴系组件喷雾端的转速，使得高压燃油在高速旋转中经喷雾端喷出，并在集油腔组件内与空气进行掺混，通过集油腔组件后侧的高速摄像机拍摄经LED灯光照射后的雾化液滴，实现观测。

有益效果：本发明提供的一种甩油盘式燃油雾化实验系统及操作方法，相对于现有技术，具有以下优点：

1、适用于高压、高速旋转工况下的甩油盘式雾化机理实验研究，且试验过程精准可控，装置结构简单，操作方便，测量精度高；

2、本发明可以在较大转速范围内（0~50000rpm）对转速进行准确控制；

3、本发明可以在较高压力情况（10MPa）下进行测试。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中恒压供油组件的结构示意图；

图3为本发明实施例中旋转甩油轴系组件的结构示意图；

图4为本发明实施例中旋转甩油轴系组件的剖面图；

图5为本发明实施例中集油腔组件的结构示意图；

图6为本发明实施例中支撑架组件的结构示意图；

图中的附图标记包括：1、恒压供油组件，2、调速电机，3、传动皮带，4、旋转甩油轴系组件，5、集油腔组件，6、LED匀光底座，7、支撑架组件，

101、高压软管，102、涡轮流量计，103、储油罐，104、储油罐上端盖，105、安全阀，106、减压阀，107、高压气罐，108、储油罐底盖，

401、进油接口，402、压力传感器，403、缓冲室端盖，404、密封垫片，405、端盖螺塞，406、缓冲室，407、同心轴套筒，408、密封件，409、从动皮带轴，410、第一角接触球轴承，411、测速传感器，412、同心支撑架，413、第二角接触球轴承，414、轴承端盖，415、甩油盘式燃油雾化喷嘴，

501、放油孔，502、进气腔，503、石英玻璃，504、集油腔体，505、支架，506、收油槽，507、底座，

701、减震橡胶垫，702、安装底板，703、连接杆，704、螺栓，705、上盖板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

如图1所示为一种甩油盘式燃油雾化实验系统，包括恒压供油组件1、调速电机2、传动皮带3、旋转甩油轴系组件4、集油腔组件5、LED匀光底座6、支撑架组件7。

其中调速电机2、旋转甩油轴系组件4均安装在支撑架组件7上，恒压供油组件1通过高压软管101与旋转甩油轴系组件4相连，调速电机2通过传动皮带3与旋转甩油轴系组件4驱动连接，LED匀光底座6固定于集油腔组件5上，旋转甩油轴系组件4的喷雾端穿过LED匀光底座6并延伸至集油腔组件5内。

本实施例中，旋转甩油轴系组件4、LED匀光底座6与集油腔组件5均位于同一中心轴线上。

如图2所示，恒压供油组件1包括高压软管101、涡轮流量计102、储油罐103、储油罐上端盖104、安全阀105、减压阀106、高压气罐107、储油罐底盖108。

高压软管101作为整个测试系统供油装置的连接系统，与各部件均采用螺纹进行连接；涡轮流量计102位于储油罐供油出口与旋转甩油轴系组件之间，用以测量供油流量；储油罐103通过储油罐底盖108焊接在支撑架组件7上，储油罐上端盖104与储油罐103之间螺纹连接，便于进行燃油加注；储油罐上端盖104顶部开有通孔，并通过螺纹连接安全阀105；储油罐上端盖104还通过减压阀106与高压气罐107连通，以保持储油罐103内部压力恒定。

如图3和图4所示，旋转甩油轴系组件4包括进油接口401、压力传感器402、缓冲室端盖403、密封垫片404、端盖螺塞405、缓冲室406、同心轴套筒407、密封件408、从动皮带轴409、第一角接触球轴承410、测速传感器411、同心支撑架412、第二角接触球轴承413、轴承端盖414、甩油盘式燃油雾化喷嘴415。

其中，进油接口401与恒压供油组件1采用高压软管101进行连接；压力传感器402位于进油接口401的对侧，通过一通孔与缓冲室406相连，用以测量缓冲室内压强；缓冲室端盖403通过螺纹的方式与缓冲室406进行连接并对密封垫片404进行挤压，缓冲室406上侧开有通孔，并通过螺纹的方式连接端盖螺塞405，用以试验结束时通过吸油设备清空缓冲室内的燃油；同心轴套筒407通过同心支撑架412焊接在支撑架组件7上，缓冲室406与同心轴套筒407焊接固定，缓冲室406的另一端开有沉头孔，从动皮带轴409通过密封件408连接于沉头孔内，且密封件408采用橡胶圈与PTFE垫片组合密封的方式；从动皮带轴409两侧分别套有第一角接触球轴承410和第二角接触球轴承413，第一角接触球轴承410由同心轴套筒407与从动皮带轴409的轴肩进行固定，第二角接触球轴承413由同心轴套筒407与轴承端盖414进行固定；两轴承之间的从动皮带轴409上设有鼓型结构的传动接触部分，且鼓型结构的两端分别设有一圈限位台阶，用于防止传动皮带在运动的过程中产生侧向移动以及脱落；从动皮带轴409上还设有计数齿，用于配合同心轴套筒407上的测速传感器411实现转速测量；甩油盘式燃油雾化喷嘴415螺纹连接于从动皮带轴409的外端，缓冲室406、从动皮带轴409与甩油盘式燃油雾化喷嘴415均位于同一中心轴线上并依次连通。

如图5所示，集油腔组件5包括放油孔501、进气腔502、石英玻璃503、集油腔体504、支架505、收油槽506、底座507。

集油腔体504通过支架505焊接在底座507上，收油槽506位于集油腔体504的后侧底部，用以收集经集油腔下侧所开矩形槽口中流出的燃油；放油孔501位于集油腔体504的前侧底部，用以排掉在集油腔前侧凹腔中所积攒的燃油；集油腔体504的前后两端均设置石英玻璃503，集油腔体504的前端内壁沿圆周设置一圈凸台，LED匀光底座6通过螺栓与凸台固接并将前端石英玻璃503压紧固定，LED匀光底座6、前端石英玻璃503的中心处开有圆形通孔，用以通过甩油盘式燃油雾化喷嘴415，通过石英玻璃的隔离作用消除燃油液滴对环境以及LED电路的影响，同时便于高速相机拍摄液滴雾化效果；集油腔体504的前端围绕LED匀光底座6均匀布置多个进气腔502，通过外接高压气源，可以实现均匀平稳的空气射流，掺混后的油气大多从收油槽506排出。

如图6所示，支撑架组件7包括减震橡胶垫701、安装底板702、连接杆703、螺栓704、上盖板705。减震橡胶垫701位于安装底板702下侧，并通过地脚螺栓的方式进行固定，用以减缓试验过程中的振动；安装底板702、连接杆703与上盖板705之间采用螺栓704进行固定连接。

上述甩油盘式燃油雾化实验系统的操作方法如下：

测试前，通过恒压供油组件1在缓冲室406内注满燃油，通过压力传感器402监测进油压力是否恒定；调速电机2通过传动皮带3带动从动皮带轴409进行高速旋转，通过测速传感器411实现从动皮带轴409的转速测量。

测试过程中，高压燃油在高速旋转中经甩油盘式燃油雾化喷嘴415喷出，进气腔502外接空气管道，经进气腔502进入的空气与燃油液滴进行掺混并向后移动，通过布置在集油腔组件5后侧的高速摄像机拍摄经LED灯光照射后的雾化液滴，实现观测。

本发明通过改变高压气罐的输出压力与调速电机的转速可以实现在不同压力与转速下的甩油盘式离心雾化试验，通过改变甩油盘式燃油雾化喷嘴的结构、尺寸，可以实现不同喷嘴条件下的甩油盘式燃油雾化试验，由此可开展不同变量条件下的甩油盘式燃油雾化机理测试。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，包括恒压供油组件、调速电机、传动皮带、旋转甩油轴系组件、集油腔组件、LED匀光底座、支撑架组件，所述恒压供油组件与旋转甩油轴系组件供油连接，所述调速电机通过传动皮带与旋转甩油轴系组件驱动连接，所述LED匀光底座固定于集油腔组件上，所述旋转甩油轴系组件的喷雾端穿过LED匀光底座并延伸至集油腔组件内；

所述旋转甩油轴系组件、LED匀光底座与集油腔组件位于同一中心轴线上；

所述旋转甩油轴系组件包括同一中心轴线上的缓冲室、同心轴套筒、从动皮带轴、甩油盘式燃油雾化喷嘴，所述同心轴套筒的两端分别与缓冲室、从动皮带轴套接，且缓冲室与同心轴套筒固定连接，所述从动皮带轴与同心轴套筒转动连接，并通过传动皮带与调速电机驱动连接，所述同心轴套筒通过同心支撑架安装于支撑架组件上，所述缓冲室上设有进油接口、出油口，所述甩油盘式燃油雾化喷嘴安装于从动皮带轴的外端，所述出油口通过从动皮带轴的中心孔与甩油盘式燃油雾化喷嘴连通。

2.根据权利要求1所述的一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，所述缓冲室上设有压力传感器，所述进油接口、压力传感器相对设置于缓冲室的外端。

3.根据权利要求1所述的一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，所述同心轴套筒上设有测速传感器，所述从动皮带轴上套接有计数齿，用于配合测速传感器实现转速测量。

4.根据权利要求1所述的一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，所述缓冲室的出油口设置沉头孔，所述从动皮带轴采用橡胶圈与PTFE垫片组合密封的方式连接于沉头孔内。

5.根据权利要求1所述的一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，所述集油腔组件包括集油腔体，所述集油腔体的前后两端均设置石英玻璃，所述LED匀光底座安装于前端石英玻璃之前，所述甩油盘式燃油雾化喷嘴依次穿过LED匀光底座、前端石英玻璃并延伸至集油腔体内，所述集油腔体的前端围绕LED匀光底座还布置有进气腔，所述集油腔体的底部连通有收油槽。

6.根据权利要求1所述的一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，所述恒压供油组件包括储油罐、高压气罐，所述储油罐通过高压软管与进油接口连通，所述高压软管上设有涡轮流量计，所述储油罐顶部设有安全阀、减压阀，并通过减压阀与高压气罐连通。

7.根据权利要求1所述的一种甩油盘式燃油雾化实验系统，其特征在于，所述支撑架组件包括安装底板、上盖板，所述上盖板通过连接杆与安装底板固定连接，所述安装底板底部设有减震橡胶垫。

8.一种基于权利要求1所述甩油盘式燃油雾化实验系统的操作方法，其特征在于，包括：通过恒压供油组件调节旋转甩油轴系组件的供油压力，并通过调速电机调节旋转甩油轴系组件喷雾端的转速，使得高压燃油在高速旋转中经喷雾端喷出，并在集油腔组件内与空气进行掺混，通过布置在集油腔组件后侧的高速摄像机拍摄经LED灯光照射后的雾化液滴，实现观测。