CN114413282B - 一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，解决现有稳定器无法满足低温低压条件下可靠点火及稳定燃烧的问题。该稳定器包括同心设置的环向蒸发管和环形扰流体；环向蒸发管的前侧壁设有环形凸起，环形凸起开设有环形燃油管路，环形凸起侧壁设有燃油入口；环形凸起的前侧沿周向布置有多个进气管；每个进气管包括内管体和外管体，两者之间形成与环形燃油管路相连通的环形燃油集液腔，内管体的内腔与环向蒸发管内腔相连通；内管体入口端设有环形燃油挡板，且环形燃油挡板外壁和内管体内壁之间设有间隙；内管体的入口端沿周向开设有多个与环形燃油集液腔相连通的燃油喷嘴，燃油喷嘴的出口位于间隙内；环形扰流体位于环向蒸发管的后侧。

Description

一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器

技术领域

本发明涉及一种稳定器，具体涉及一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器。

背景技术

冲压发动机燃烧室在高速来流条件下，为了保证火焰能够稳定燃烧，需要在燃烧室内建立一个局部低速回流区，创造火焰传播速度等于来流速度、燃料驻留时间大于点火延迟时间等条件，维持整个燃烧室火焰的持续存在和传播。现有稳定器的工作过程是来流空气和燃油直接进入蒸发管内，在蒸发管内进行掺混，掺混后从蒸发管的出气口进入燃烧室内。

亚燃冲压发动机飞行高度0～35km，最低飞行马赫数1左右，来流温度低至270K，点火前燃烧室压力最低可达0.025MPa，工作环境极为恶劣，远超过目前较为成熟亚燃冲压发动机工作范围。研究表明，在该低压低温下，现有稳定器回流区内气流平均速度、回流区大小、紊流度和雷诺应力都比常压低，同时环境压力下降，燃油雾化质量变差，油珠平均直径增大，严重恶化燃烧室的工作状况；当亚燃冲压发动机工作马赫数为1时，燃烧室进口空气总温低于常温，低温环境下燃油雾化、蒸发性能恶化，进而影响燃烧室点火及稳焰，需要设计一种装置将燃油与来流空气充分预混，利用气动优势增强雾化，加强掺混。

发明内容

为了解决现有稳定器无法满足低温低压条件下的可靠点火及稳定燃烧的技术问题，本发明提供了一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特殊之处在于：包括同心设置的环向蒸发管和环形扰流体；

所述环向蒸发管的前侧壁设有环形凸起，环形凸起沿圆周方向开设有环形燃油管路，环形凸起侧壁设有与环形燃油管路连通的燃油入口；

所述环形凸起的前侧沿周向布置有多个进气管；

每个进气管包括同轴设置的内管体和外管体，内管体外壁和外管体内壁之间形成与环形燃油管路相连通的环形燃油集液腔，内管体的内腔与环向蒸发管内腔相连通；

所述内管体的入口端设有环形燃油挡板，且环形燃油挡板外壁和内管体内壁之间设有间隙；

所述内管体的入口端沿周向开设有多个与环形燃油集液腔相连通的燃油喷嘴，燃油喷嘴沿内管体侧壁切向开设并朝向环向蒸发管，且燃油喷嘴的出口位于所述间隙内；

所述环形扰流体位于环向蒸发管的后侧，包括同轴设置的内侧环型板和外侧环形板，内侧环型板的前端设置在环向蒸发管内侧表面，外侧环形板的前端设置在环向蒸发管外侧表面，内侧环型板和外侧环形板形成喇叭口结构；位于内侧环型板和外侧环形板之间的环向蒸发管后侧壁设有至少一排圆周分布的出气口。

进一步地，所述进气管迎风面设置有流线型结构；

所述内侧环型板和外侧环形板上均设有进气孔。

进一步地，所述环形燃油挡板外壁和内管体内壁之间的间隙为0.5～5mm；

所述环形燃油挡板的轴向长度为5～15mm。

进一步地，所述内侧环型板的长度小于外侧环形板的长度；

所述内侧环型板和外侧环形板均与环向蒸发管相切设置。

进一步地，所述内侧环型板和外侧环形板之间的夹角为锐角，优选为30～60°。

进一步地，所述环向蒸发管、环形扰流体、进气管采用一体化设计。

进一步地，每个内管体上的燃油喷嘴为圆周均布的2～6个；

所述进气管为圆周均布的3～12个；

所述出气口为圆周分布的两排。

进一步地，所述燃油入口的形状可为圆形、椭圆或不规则形，当量直径为4～10mm；

所述流线型结构的截面形状为三角形或曲面异型，且端头为尖状，向后逐渐扩展到进气管端面。

进一步地，所述进气孔为沿圆周方向设置的一排；

所述内侧环型板上的进气孔位于内侧环型板的中部或前端或尾端；

所述外侧环形板上的进气孔位于外侧环形板的中部或前端或尾端。

进一步地，所述进气孔的孔径为1～5mm，进气孔的数量与内侧环型板上大大小有关，通常个数在10～100之间。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明稳定器将环形燃油集液腔和燃油喷嘴设计在进气管上，且在进气管的入口端设置环形燃油挡板，气液两相流在进气管内就实现了有效碰撞掺混，增强燃油液滴破碎，减小燃油雾化粒径，并在环向蒸发管内进行二次掺混，可以满足低温低压条件下的可靠点火及稳定燃烧的要求。

2、本发明将进气管入口设置成流线型结构，减少了流阻损失，使得来流空气能够更顺利的进入到进气管内，不会造成入口的低速扰流，同时内侧环型板和外侧环形板上开有进气孔，实现了来流空气的二次进入，在环向蒸发管后方与环向蒸发管的出气口出来的油气混合物进行二次掺混，同时二次进气在后方形成两个回型涡，增大了空气与燃油的停留时间，对燃油与空气进行加强掺混，提升点火燃烧性能。

3、本发明环向蒸发管、环形扰流体和供油结构采用一体化设计，将环形燃油集液腔、燃油喷嘴、环形燃油挡板、空气进口集成为一体，实现了喷油、气动雾化、掺混和稳焰的一体化，结构简单。

附图说明

图1是本发明冲压发动机用强化油气掺混的稳定器结构示意图一；

图2是本发明冲压发动机用强化油气掺混的稳定器结构示意图二；

图3是本发明冲压发动机用强化油气掺混的稳定器中沿进气管轴向的剖视图；

图4是本发明冲压发动机用强化油气掺混的稳定器中沿进气管径向并从燃油喷嘴处的剖视图；

图5是本发明冲压发动机用强化油气掺混的稳定器中环形燃油管路处的结构示意图；

其中，附图标记如下：

1-环向蒸发管，11-环形凸起，12-环形燃油管路，13-出气口；

2-进气管，21-内管体，22-外管体，23-环形燃油集液腔，24-环形燃油挡板，25-燃油喷嘴；

3-环形扰流体，31-内侧环型板，32-外侧环形板，33-流线型结构，34-进气孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，包括同心设置的环向蒸发管1和环形扰流体3。

如图5所示，环向蒸发管1的前侧壁设有环形凸起11，环形凸起11沿圆周方向开设有环形燃油管路12，环形凸起11侧壁设有与环形燃油管路12连通的燃油入口，燃油入口的形状为圆形、椭圆或不规则形，当量直径为4～10mm；环形凸起11的前侧沿周向布置有多个进气管2，本实施例进气管2为圆周均布的6个。

如图3和图4所示，每个进气管2为双层结构，其包括同轴设置的内管体21和外管体22，内管体21外壁和外管体22内壁之间形成环形燃油集液腔23，环形燃油集液腔23与环形燃油管路12相连通的，内管体21的内腔与环向蒸发管1内腔相连通。

内管体21的入口端设有环形燃油挡板24，且环形燃油挡板24外壁和内管体21内壁之间设有间隙；内管体21的入口端沿周向开设有多个与环形燃油集液腔23相连通的燃油喷嘴25，燃油喷嘴25沿内管体21侧壁切向开设并朝向环向蒸发管1，且燃油喷嘴25的出口位于间隙内；本实施例每个内管体21上的燃油喷嘴25为圆周均布的4个。环形燃油挡板外壁和内管体内壁之间的间隙为0.5～5mm；环形燃油挡板的轴向长度为5～15mm。

环形扰流体3位于环向蒸发管1的后侧，包括同轴设置的内侧环型板31和外侧环形板32，内侧环型板31的前端设置在环向蒸发管1内侧表面，外侧环形板32的前端设置在环向蒸发管1外侧表面，内侧环型板31和外侧环形板32形成喇叭口结构，且内侧环型板31和外侧环形板32之间的夹角为锐角。本实施例内侧环型板31的长度小于外侧环形板32的长度，两侧环形板长度不一致会使得气流流过环形板产生的涡大小不一致，从而形成多个漩涡，加强气流与燃油的掺混，增强点火和燃烧的稳定性。以及内侧环型板31和外侧环形板32均与环向蒸发管1相切设置，环型板与环向蒸发管1相切可以使得外形面保持光顺，前方不会产生凸起影响气流流动，从而降低结构造成的流阻损失。

位于内侧环型板31和外侧环形板32之间的环向蒸发管1后侧壁设有至少一排圆周分布的出气口13，本实施例出气口13为圆周分布的两排。

本实施例环形燃油挡板24外壁和内管体21内壁之间的间隙为0.5～5mm，以及环形燃油挡板24的轴向长度为5～15mm。燃油挡板24外壁和内管体21内壁之间的间隙主要作用是使得燃油喷嘴25出来的旋转燃油得以容纳，同时环形燃油挡板24留有一定的轴向长度进行导流，使得从此缝隙出来的燃油可以在保持旋转状态下有一定的锥角和速度流下，与进入的空气边运动边雾化和掺混，防止燃油溅射，保证油气混合物的流态。

本实施例进气管2的入口(迎风面)设有流线型结构33，流线型结构33的截面形状为三角形或曲面异型，且端头为尖状，向后逐渐扩展到进气管2端面；将进气管2入口设置成流线型结构33，减少了流阻损失，使得来流空气能够更顺利的进入到进气管2内，不会造成入口的低速扰流；内侧环型板31和外侧环形板32上均设有进气孔34，进气孔34为沿圆周方向设置的一排；内侧环型板31上的进气孔34位于内侧环型板31的中部或前端或尾端；外侧环形板32上的进气孔34位于外侧环形板32的中部或前端或尾端。进气孔34的孔径为1～5mm；内侧环型板31和外侧环形板32上开有进气孔34，实现了来流空气的二次进入，在环向蒸发管1后方与环向蒸发管1出气口出来的油气混合物进行二次掺混，同时二次进气在后方形成两个回型涡，增大了空气与燃油的停留时间，对燃油与空气进行加强掺混，提升点火燃烧性能。

本实施例稳定器的工作过程：

空气通过内管体21(中心圆筒形直流式空气进口)进入后从环形燃油挡板24表面吹过；同时，液相燃油通过环形燃油管路12汇聚到进气管2的环形燃油集液腔23内，经四排切向孔离心式燃油喷嘴25旋转形成一层薄膜覆盖于环形燃油挡板24表面；然后空气和燃油气液双组元在空气挡板后方实现强化掺混后，流入整个环向蒸发管1内，并在环向蒸发管1内进行二次掺混，最后通过环向蒸发管1后侧出气口13均匀排出，在稳定器后方回流区中形成均匀分布的富燃燃油浓度场。

本实施例将环形燃油集液腔23和燃油喷嘴25设计在进气管2上，且在进气管2的入口端设置环形燃油挡板24，形成一种带燃油挡板的气液双组元混合同轴喷嘴结构，减小流阻损失，具有强化燃油雾化、减小燃油雾化粒径、增强油气掺混的效果。还可采用3D打印技术将进气管2(环形燃油集液腔23、燃油喷嘴25、环形燃油挡板24、空气进口)、环向蒸发管1(燃油管路)和环形扰流体3集成为一体，实现了喷油、气动雾化、掺混和稳焰的一体化，可以满足低温低压条件下的可靠点火及稳定燃烧要求。

传统冲压发动机用稳定器进气管的功能主要是为稳定器蒸发管提供空气，使空气与燃油在蒸发管内掺混，混合时间有限、掺混不均匀，在低温低压下，易导致点火失败。本实施例进气管2将空气和燃油融为一体，使得气液两相流在进气管2内就实现了有效碰撞掺混，增强燃油液滴破碎，减小燃油雾化粒径，再进入蒸发管内进行二次掺混，有利于燃油在低温低压条件下的点火和稳定燃烧，可用于低温低压宽范围工作(如Ma1～5)的亚燃冲压发动机中。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：包括同心设置的环向蒸发管(1)和环形扰流体(3)；

所述环向蒸发管(1)的前侧壁设有环形凸起(11)，环形凸起(11)沿圆周方向开设有环形燃油管路(12)，环形凸起(11)侧壁设有与环形燃油管路(12)连通的燃油入口；

所述环形凸起(11)的前侧沿周向布置有多个进气管(2)；

每个进气管(2)包括同轴设置的内管体(21)和外管体(22)，内管体(21)外壁和外管体(22)内壁之间形成与环形燃油管路(12)相连通的环形燃油集液腔(23)，内管体(21)的内腔与环向蒸发管(1)内腔相连通；

所述内管体(21)的入口端设有环形燃油挡板(24)，且环形燃油挡板(24)外壁和内管体(21)内壁之间设有间隙；

所述内管体(21)的入口端沿周向开设有多个与环形燃油集液腔(23)相连通的燃油喷嘴(25)，燃油喷嘴(25)沿内管体(21)侧壁切向开设并朝向环向蒸发管(1)，且燃油喷嘴(25)的出口位于所述间隙内；

所述环形扰流体(3)位于环向蒸发管(1)的后侧，包括同轴设置的内侧环型板(31)和外侧环形板(32)，内侧环型板(31)的前端设置在环向蒸发管(1)内侧表面，外侧环形板(32)的前端设置在环向蒸发管(1)外侧表面，内侧环型板(31)和外侧环形板(32)形成喇叭口结构，且内侧环型板(31)和外侧环形板(32)之间的夹角为锐角；

位于内侧环型板(31)和外侧环形板(32)之间的环向蒸发管(1)后侧壁设有至少一排圆周分布的出气口(13)。

2.根据权利要求1所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述进气管(2)的入口设有流线型结构(33)；

所述内侧环型板(31)和外侧环形板(32)上均设有进气孔(34)。

3.根据权利要求2所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述环形燃油挡板(24)外壁和内管体(21)内壁之间的间隙为0.5～5mm；

所述环形燃油挡板(24)的轴向长度为5～15mm。

4.根据权利要求3所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述内侧环型板(31)的长度小于外侧环形板(32)的长度；

所述内侧环型板(31)和外侧环形板(32)均与环向蒸发管(1)相切设置。

5.根据权利要求4所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述内侧环型板(31)和外侧环形板(32)之间的夹角为30～60°。

6.根据权利要求2至5任一所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述环向蒸发管(1)、环形扰流体(3)和进气管(2)采用一体化设计。

7.根据权利要求6所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：每个内管体(21)上的燃油喷嘴(25)为圆周均布的2～6个；

所述进气管(2)为圆周均布，个数为3～12；

所述出气口(13)为圆周分布的两排。

8.根据权利要求7所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述燃油入口的形状为圆形、椭圆或不规则形，当量直径为4～10mm；

所述流线型结构(33)的截面形状为三角形或曲面异型，且端头为尖状，向后逐渐扩展到进气管端面。

9.根据权利要求8所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述进气孔(34)为沿圆周方向设置的一排；

所述内侧环型板(31)上的进气孔(34)位于内侧环型板(31)的中部或前端或尾端；

所述外侧环形板(32)上的进气孔(34)位于外侧环形板(32)的中部或前端或尾端。

10.根据权利要求9所述冲压发动机用强化油气掺混的稳定器，其特征在于：所述进气孔(34)的孔径为1～5mm。

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