CN114046536A - 具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾化调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机燃料喷注领域，提供一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾化方法，包括两端开口的壳体，壳体的左侧安装有端面法兰，所述壳体侧面依次开设有气体入口和液体入口，壳体内腔中插设有注液套筒，且注液套筒延伸至喷嘴壳体的气液混合腔中。液体依此流经壳体内流道、注液套筒上的注液孔、注液腔到达气液混合腔；气体依次流经壳体内流道到达气液混合腔，完成气液两相流动的混合。壳体内流道中插设有导杆，导杆贯穿壳体内流道、注液套筒并延伸至气液混合腔，导杆依靠固定在壳体内流道上的固定卡扣与注液腔、气液混合腔以及喷嘴出口保持同心。导杆下游通过螺纹连接与导杆同心的球头堵，球头堵插设在与其直径匹配的喷嘴壳体喷嘴出口处。
Description
技术领域
本发明涉及发动机液体燃料喷注领域，具体涉及一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾化调节方法。
背景技术
吸气式冲压发动机在宽马赫数范围工作时，伴随飞行马赫数的变化，进气道吸入的空气量也随之发生改变，与之相应的燃料流量也需要进行相应的调节。然而，对于具体的发动机而言，燃料喷孔的数量和尺寸在发动机设计之初便已经确定，因此针对高工况设计的燃料喷嘴，工作在低工况时压降将变得非常小，难以达到有效雾化液体燃料的目的。目前在冲压发动机中通常采用多排不同数目与孔径的喷孔，通过上游阀门进行切换，实现燃料喷孔截面积调节。
然而，通过切换实现喷孔面积调节的方式，在调节过程中存在面积突变，可能会导致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。为实现发动机液体燃料流量的稳定调节，保证良好的燃料雾化特性，在气雾化喷嘴中通过向液体燃料引入辅助气体，在气液混合腔中形成气液两相混合流动，在喷嘴出口处借助气体的剪切和膨胀作用达到更好的雾化效果。气体辅助雾化技术的优点体现在以下几方面：
1)加入辅助气体之后，雾化效果与辅助气体的量有关，可以实现对雾化粒径大小的自由控制；
2)雾化效果受喷嘴出口的直径变化不显著，发动机实际工作时，可以选用较大直径的喷嘴出口直径以实现燃料在不同状态下的喷注和稳定雾化；
3)雾化后的液滴粒径和气液两相流的液膜厚度有关，雾化后的平均索特直径与液膜厚度的0.5次幂成正比，即SMD∝t0.5；
考虑到气雾化喷嘴的雾化特性受混合腔室内气液两相流的流态影响很大，为保持喷嘴内部气液两相流态在较宽的调节范围内始终处于比较稳定的环状流，同时实现喷注压力相对稳定，本发明提出了一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾化调节方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾化调节方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，在截面积相同的条件下，环形截面比圆形截面所形成的液膜厚度更小，可以获得更为精细的喷雾；并且当辅助气体的量发生变化时，液体喷孔截面积根据气液混合腔压力的变化自适应调节，维持液体喷射压力相对稳定，从而确保发动机稳定燃烧。球头堵结构的存在减小了高温气体对喷嘴出口孔的损害，延长了喷嘴的寿命。
(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：
具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，包括两端开口的壳体，壳体的左侧安装有端面法兰，所述壳体侧面依次开设有气体入口和液体入口，壳体内腔中插设有注液套筒，且注液套筒延伸至喷嘴壳体的气液混合腔中，注液腔和气液混合腔的内径相同。液体依此流经壳体内流道、注液套筒上的注液孔、注液腔到达气液混合腔；气体依次流经壳体内流道到达气液混合腔，完成气液两相流动的混合。壳体内流道中插设有导杆，导杆依靠固定在壳体内流道上的固定卡扣与注液腔、气液混合腔以及喷嘴出口保持同心。导杆贯穿壳体内流道、注液套筒并延伸至气液混合腔。导杆的上游端部通过弹性元件与端面法兰相连，导杆下游通过螺纹连接有与导杆同心的球头堵，球头堵插设在与球头堵直径匹配的喷嘴出口处。球头堵与喷嘴出口内流道壁面接触，且在弹性元件预紧力的作用下，球头堵与喷嘴出口内流道壁面接触密封。所述注液套筒侧壁依次开设有均匀的注液孔；所述端面法兰上开有弹性元件排气口，用于平衡弹性元件内的气压。
优选的，所述内流道壁面为圆角结构，且球头堵侧壁与内流道壁面之间为面接触密封。
优选的，所述内流道壁面为圆角结构，且球头堵侧壁与喷嘴出口壁面之间为面接触密封。
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静密封。
优选的，所述球头堵的头部为钝头状结构，且头部的锥角大于0°小于180°。
优选的，所述弹性元件为带有密封性能的弹性元件,例如金属波纹管。
本发明还同时实现气雾化调节方法，包括以下步骤：
S1、燃料流经液体入口、壳体内流道、注液套筒上的注液孔、注液腔到达气液混合腔；
S2、辅助气体经气体入口、壳体内流道到达气液混合腔，完成气液两相流动的混合；
S3、当气液两相流入气雾化喷嘴之后，壳体内流道的压强骤增，导杆受到来自混合腔的压力大于弹性元件的预紧力，导杆会带动球头堵向上游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间出现环状缝隙，气液两相流会从环状缝隙喷出，环状缝隙几何收缩结构和辅助气体的挤压、剪切、膨胀使得液体在喷嘴出口处破碎成细小的液滴，在截面积相同时，环形截面比圆形截面所形成的液膜厚度更小，可以获得更为精细的喷雾；
具体的，当辅助气体的量增加时，通过环状缝隙的气液混合物的流量增加，气液混合腔内的压强增加，导杆受到来自气液混合腔的压力增大，导杆会带动球头堵继续向上游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间的环状缝隙变大，环状缝隙面积的增加会在一定程度上削弱因流量增加而导致的气液混合腔压力的增加；当辅助气体的量减小时，通过环状缝隙的气液混合物的流量减小，气液混合腔内的压强减小，导杆受到来自气液混合腔的压力减小，导杆会带动球头堵向下游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间的环状缝隙变小，环状缝隙面积的减小会在一定程度上削弱因流量减小而导致的气液混合腔压力的减小，实现气液混合腔压力的自适应调节。
具体的，当发动机关机时，停止注入液体和辅助气体，导杆失去气液混合腔施加的压力恢复至未注液状态，在弹性元件预紧力的作用下，球头堵与喷嘴出口内壁面之间面接触密封，防止关机后高温气体对喷嘴出口孔的烧蚀。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾调节方法，具备以下有益效果：
1、在截面积相同时，环形截面比圆形截面所形成的液膜厚度更小，可以获得比普通气雾化喷嘴更为精细的喷雾；
2、辅助气体的量发生变化时，液体喷孔截面积根据气液混合腔压力的变化自适应调节，维持液体喷射压力相对稳定；
当辅助气体的量增加时，通过环状缝隙的气液混合物的流量增加，气液混合腔内的压强增加，导杆受到来自混合腔的压力增加，导杆会带动球头堵继续向上游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间的环状缝隙变大，环状缝隙面积的增加会在一定程度上削弱因流量增加而导致的混合腔压力的增加；
当辅助气体的量减小时，通过环状缝隙的气液混合物的流量减小，气液混合腔内的压强减小，导杆受到来自混合腔的压力减小，导杆会带动球头堵向下游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间的环状缝隙变小，环状缝隙面积的减小会在一定程度上削弱因流量减小而导致的混合腔压力的减小，实现气液混合腔压力的自适应调节。
3、当发动机关机时，停止注入液体和辅助气体，导杆失去气液混合腔施加的压力恢复至未注液状态，球头堵与喷嘴出口之间面接触密封，球头堵的存在减小了关机后高温气体对喷嘴出口孔的烧蚀，延长了喷嘴的使用寿命。
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，对一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴及气雾化调节方法的上述特性、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为本发明中固定卡扣的局部示意图；
图3为本发明工作时喷嘴出口截面的示意图；
图4为普通气雾化喷嘴工作时喷嘴出口截面的示意图。
图中：静密封1、弹性元件2、弹性元件排气口3、端面法兰4、壳体5、气体入口6、液体入口7、注液腔8、注液孔9、固定卡扣10、壳体内流道11、注液套筒12、气液混合腔13、导杆14、喷嘴壳体15、球头堵16、喷嘴出口17。
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
一种具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，包括两端开口的壳体5，壳体5的左侧安装有端面法兰4，其特征在于，所述壳体5侧面依次开设有气体入口6和液体入口7，壳体5内腔中插设有注液套筒12，且注液套筒12延伸至喷嘴壳体15的气液混合腔13中，注液腔8和气液混合腔13的内径相同。液体依此流经壳体内流道11、注液套筒12上的注液孔9、注液腔8到达气液混合腔13；气体依此流经壳体内流道11到达气液混合腔13，完成气液两相流动的混合。壳体内流道11中插设有导杆14，导杆14依靠固定在壳体内流道11上的固定卡扣10与注液腔8、气液混合腔13以及喷嘴出口17保持同心。导杆14贯穿壳体内流道11、注液套筒12并延伸至气液混合腔13。导杆14的上游端部通过弹性元件2与端面法兰4相连，导杆14下游通过螺纹连接有与导杆14同心的球头堵16，球头堵16插设在与球头堵16直径匹配的喷嘴出口17处。球头堵16与喷嘴出口17内流道壁面接触，且在弹性元件2预紧力的作用下，球头堵16与喷嘴出口17内流道壁面接触密封；所述注液套筒12侧壁依次开设有均匀的注液孔9；所述端面法兰4上开有弹性元件排气口3，用于平衡弹性元件2内的气压。
本实施例中，根据燃料的工作温度范围，端面法兰4、壳体5、球头堵16、导杆14、弹性元件2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，则可以采用高温合金钢，如牌号GH625、GH4169等。
本实施例中，如图1所示，所述端面法兰4与壳体5通过螺栓连接，为了避免燃料从端面法兰4和壳体5之间泄漏，端面法兰4与壳体5之间设有静密封1。
本实施例中，根据使用环境温度不同，静密封1的材质可以选择O型圈、聚四氟垫、黄铜、紫铜、熟铁、不锈钢、铝等，且可在端面法兰4上对应静密封1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，所述球头堵16的头部为钝头状结构，且头部的锥角大于0°小于180°，当端面法兰4与壳体5固定连接后，导杆14的端部接触壳体内流道11壁面，使导杆14下游固定的球头堵16刚好与喷嘴出口17壁面接触密封，且导杆14的端部通过弹性元件2与端面法兰4相连；球头堵16的形状由设计而定，本实施例中，球头堵16为钝头结构，锥角为120°；本实施例中，所述弹性元件2为金属波纹管，保证弹性元件2的预压缩量。
根据本发明上述实施例的具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，在截面积相同时，环形截面比圆形截面所形成的液膜厚度更小，可以获得比普通气雾化喷嘴更为精细的喷雾；且可以在辅助气体的量发生变化时，根据气液混合腔13作用在导杆14上的压力变化，通过弹性元件2自适应增大喷孔截面积，自适应的调整气液混合腔13的压力；同时，当发动机关机时，停止注入液体和辅助气体，导杆14失去气液混合腔13施加的压力恢复至未注液状态，球头堵16与喷嘴出口17之间线接触密封，球头堵的存在减小了关机后高温气体对喷嘴出口17孔的损害，延长了气雾化喷嘴的使用寿命。
实施例2
本实施例提供一种气雾化调节方法，包括以下步骤：
S1、燃料流经液体入口7、壳体内流道11、注液套筒12上的注液孔9、注液腔8到达气液混合腔13；
S2、辅助气体经气体入口6、壳体内流道11到达气液混合腔13，完成气液两相流动的混合；
S3、当气液两相流入气雾化喷嘴之后，壳体内流道11的压强骤增，导杆14受到来自气液混合腔13的压力大于弹性元件2的预紧力，导杆14会带动球头堵16向上游运动，球头堵16与喷嘴出口17壁面之间出现环状缝隙，气液两相流会从环状缝隙喷出，环状缝隙几何收缩结构和辅助气体的挤压、剪切、膨胀使得液体在喷嘴出口处破碎成细小的液滴，在截面积相同时，环形截面比圆形截面所形成的液膜厚度更小，可以获得更为精细的喷雾；
当辅助气体的量增加时，通过环状缝隙的气液混合物的流量增加，气液混合腔13内的压强增加，导杆14受到来自气液混合腔13的压力增加，导杆14会带动球头堵16继续向上游运动，球头堵16与喷嘴出口17壁面之间的环状缝隙变大，环状缝隙面积的增加会在一定程度上削弱因流量增加而导致的气液混合腔13压力的增加；当辅助气体的量减小时，通过环状缝隙的气液混合物的流量减小，气液混合腔13内的压强减小，导杆14受到来自气液混合腔13的压力减小，导杆14会带动球头堵16向下游运动，球头堵16与喷嘴出口17壁面之间的环状缝隙变小，环状缝隙面积的减小会在一定程度上削弱因流量减小而导致的气液混合腔13压力的减小，实现气液混合腔压力的自适应调节。
当发动机关机时，停止注入液体和辅助气体，导杆14失去气液混合腔13施加的压力恢复至未注液状态，在弹性元件2预紧力的作用下，球头堵16与喷嘴出口17内壁面之间线接触密封，防止关机后高温气体对喷嘴出口17孔的损害。
具体的，燃料由液体入口7进入气雾化喷嘴，流经液体入口7、壳体内流道11、注液套筒12上的注液孔9、注液腔8到达气液混合腔13；辅助气体经气体入口6、壳体内流道11到达气液混合腔13，完成气液两相流动的混合，此时经过气雾化喷嘴的液体流量为：
其中，
为液体的质量流量，A0为喷嘴出口的截面积，ρL为液体的密度，ΔPmix为气液混合腔的压降，CDL为喷嘴的流量系数，流量系数CDL的表达式如下：
其中，
是喷嘴出口的长径比，Pamb是喷嘴出口的背压，μl是液体的粘性，μg是气体的粘性，GLR是气液质量流量比。
本发明结构和不含球头堵的普通气雾化喷嘴在保持操作条件以及喷嘴出口截面积A0一致时，已知两种喷嘴的气液混合腔13的压力相同。由于辅助气体满足理想气体状态方程
由于两种结构气液混合腔13的压力相同，则辅助气体的密度相同，故而两种结构气、液的体积流量也相同。
如图3-4两种结构在喷嘴出口处的截面，普通气体辅助雾化喷嘴气体柱的直径为dg，喷嘴出口的直径为d0，液膜厚度为t，本发明结构中的气体柱的直径为dg′，喷嘴出口的直径为d0′，液膜厚度为t′，堵住的直径为d1。
根据两种结构有效喷孔面积相同，得：
由于
据前述，气体的体积流量相同，故在截面上气体所占的面积也相同，就有：
联立上式可得：
π(dg+t)t＝π(dg′+t′)t′
由于dg′＞dg，故t′＜t，可知SMD′＜SMD。
故本发明有益于产生更为精细的喷雾。
举例计算可得：若d0＝2mm，dg＝1mm，液膜厚度t＝0.5mm
假设本发明结构中被堵住的直径d1＝2mm，根据
可得本发明结构中的喷嘴出口的直径
由于两种结构的气体的体积流量相同，故在截面上气体所占的面积也相同，故
可得本发明结构中的气体柱的直径dg′＝2.12mm。根据π(dg+t)t＝π(dh′+y′)y′，可得本发明结构中的液膜厚度y′＝0.38mm。可以明显的看出t′＜t，SMD′＜SMD。本发明有益于产生更为精细的喷雾。具体的，当辅助雾化的气体量发生变化时，基于作用在导杆14上的压力变化自适应调节气液混合腔13的压力。
当辅助气体的量增加时，气液混合腔13内的压强增加，导杆14带动球头堵16会继续向上游移动，喷嘴出口17和球头堵16之间的缝隙会变大，喷孔的截面积A0会变大，根据
喷孔截面积的增加会在一定程度上削弱因流量增加而导致的气液混合腔13压力的增加，同理，当辅助气体的量减小时，气液混合腔13内的压强减小，导杆14受到弹性元件2的预紧力，带动球头堵16向下游移动，喷嘴出口17和球头堵16之间的缝隙会变小，喷孔的截面积A0会变小，根据
喷孔截面积的减小会在一定程度上削弱因流量增加而导致的气液混合腔13压力的减小，实现气液混合腔13压力的自适应调节。
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 (8)
1.具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，包括两端开口的壳体，壳体的左侧安装有端面法兰，所述端面法兰上开有弹性元件排气口，其特征在于：所述壳体的周侧面依次开设有气体入口和液体入口，所述壳体内腔中插设有注液套筒，所述注液套筒侧壁依次开设有均匀的注液孔，且所述注液套筒延伸至喷嘴壳体的气液混合腔中，注液腔和气液混合腔的内径相同设置，壳体内流道中插设有导杆，所述导杆依靠固定在壳体内流道上的固定卡扣与注液腔、气液混合腔以及喷嘴出口保持同心，导杆贯穿壳体内流道、注液套筒并延伸至气液混合腔，导杆的上游端部通过弹性元件与端面法兰相连，导杆下游通过螺纹连接有与导杆同心的球头堵，球头堵插设在与球头堵直径匹配的喷嘴出口处，球头堵与喷嘴出口内流道壁面接触密封。
2.如权利要求1所述的具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，其特征在于：所述内流道壁面为圆角结构，且球头堵侧壁与喷嘴出口壁面之间为面接触密封。
3.如权利要求1所述的具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，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静密封。
4.如权利要求1所述的具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，其特征在于：所述球头堵的头部为钝头状结构，且头部的锥角大于0°小于180°。
5.如权利要求1所述的具有可调环状喷孔的气雾化喷嘴，其特征在于：所述弹性元件具体为具有密封性能的弹性元件。
6.气雾化调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、燃料流经液体入口、壳体内流道、注液套筒上的注液孔、注液腔到达气液混合腔；
S2、辅助气体经气体入口、壳体内流道到达气液混合腔，完成气液两相流动的混合；
S3、当气液两相流入气雾化喷嘴之后，壳体内流道的压强骤增，导杆受到来自混合腔的压力大于弹性元件的预紧力，导杆会带动球头堵向上游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间形成环状缝隙，气液两相流会从环状缝隙喷出，环状缝隙几何收缩结构和辅助气体的挤压、剪切、膨胀使得液体在喷嘴出口处形成更薄的液膜，获得更为精细的喷雾，当辅助气体流量变化时，根据气液混合腔内的压强变化，自适应调节环缝缝隙面积，维持气液混合腔压力保持相对稳定。
7.如权利要求6所述的气雾化调节方法，其特征在于：当辅助气体的量增加时，通过环状缝隙的气液混合物的流量增加，气液混合腔内的压强增加，导杆受到来自气液混合腔的压力增大，导杆会带动球头堵继续向上游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间的环状缝隙变大，环状缝隙面积的增加会在一定程度上削弱因流量增加而导致的气液混合腔压力的增加；当辅助气体的量减小时，通过环状缝隙的气液混合物的流量减小，气液混合腔内的压强减小，导杆受到来自气液混合腔的压力减小，导杆会带动球头堵向下游运动，球头堵与喷嘴出口壁面之间的环状缝隙变小，环状缝隙面积的减小会在一定程度上削弱因流量减小而导致的气液混合腔压力的减小，实现气液混合腔压力的自适应调节。
8.如权利要求6所述的气雾化调节方法，其特征在于：当发动机关机时，停止注入液体和辅助气体，导杆失去气液混合腔施加的压力恢复至未注液状态，在弹性元件预紧力的作用下，球头堵与喷嘴出口内壁面之间面接触密封，防止关机后高温气体对喷嘴出口孔的烧蚀。
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2021
- 2021-11-01 CN CN202111284890.XA patent/CN114046536B/zh active Active
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