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CN114738796A - 内含旋转油管的空气雾化喷嘴 - Google Patents

内含旋转油管的空气雾化喷嘴 Download PDF

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CN114738796A CN202210232641.4A CN202210232641A CN114738796A CN 114738796 A CN114738796 A CN 114738796A CN 202210232641 A CN202210232641 A CN 202210232641A CN 114738796 A CN114738796 A CN 114738796A
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张群
王晓燕
王紫欣
高耀红
马晓曦
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Northwestern Polytechnical University
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Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本发明提供了一种内含旋转油管的空气雾化喷嘴结构。此喷嘴采用可旋转的内置油管结构，以解决当前燃油雾化不足的问题。喷嘴混合腔内的旋转油管与外部燃油管连接，气流经过旋转油管的旋叶，带动旋叶旋转，在离心力和内外油差作用下燃油从主副喷油孔加速喷出，一次雾化形成细小油滴，再与高速气流相互撞击撕裂，完成二次雾化过程。通过旋叶的混气增速增压，并产生回流效应，极大促进了细小油滴与进气的掺混；旋转油管的前端是主喷油孔，燃油的喷出方向与进气方向相交叉，迫使两者相互撞击撕裂。充分混合后的气流在衬套喉道处与外环气流进行三次雾化，此结构可有效增强燃油的雾化效果，降低污染物排放。

Description

内含旋转油管的空气雾化喷嘴
技术领域
本发明属于航空燃气轮机燃烧室领域，具体涉及一种内含旋转油管的空气雾化喷嘴。
背景技术
在航空领域，20世纪50年代开始发展高压比的涡轮发动机，从50年代的增压比为10左右，到目前已发展到增压比大于30。喷嘴工作时，由于增压比很高，空气密度很大，气动力也很大，促使燃油雾化较好，容易形成细小的油滴。但是小油滴在高压空气里运动时，由于质量小、惯性力小而空气阻力大，油滴穿透距离较短，在燃烧室空间要想获得均匀的燃油分布就很困难。其结果是在火焰筒头部靠近喷嘴处，燃油过分集中，而离开喷嘴较远处燃油浓度比较低，这就影响了燃烧过程，使高压燃烧室头部火焰辐射和燃烧室冒烟问题也比较严重。
燃烧室内部使用的喷嘴按雾化原理可分为两类：压力雾化和空气雾化。压力雾化是将压力势能转换为动力势能，使气、液两相之间通过强烈的剪切作用从而实现雾化；空气雾化是以空气为介质，使之与液体燃料之间发生撞击、挤压、剪切、撕裂等作用从而将液体燃料破碎。航空发动机上若另外配备一套鼓风机或压缩空气系统就增加了质量和复杂性。幸而航空发动机上火焰筒内外有着较大的压力差，这可用来形成空气雾化喷嘴内较高的空气流速。旋转的燃油初步形成一层均匀的空气油膜，紧贴旋流室内部旋转运动。液流旋转的目的是在唇口处造成均匀的薄油膜。同时把压气机引来的一股高速气流分成两路，一路从内环，另一路从外环供入空气雾化喷嘴。外环的空气通过孔口引到唇边与内环空气掺混，从而实现燃油的雾化。但是这种传统的空气雾化喷嘴的不足之处在于其对加工工艺要求较高，同时一次雾化容易造成燃油雾化质量不佳，进而导致温度分布不均匀，影响整个燃烧室的燃烧效率。
本发明利用可旋转的油管，在混合腔内通过主副喷油孔对燃油进行一次雾化，使油滴形成较小的雾化颗粒，所喷出的小油滴带有一定径向轴向分速度，与高速气流相互撕扯，进行二次雾化形成较为均匀的气油混气，再在衬套喉道处与外环气流进行三次雾化，形成更细的油雾，从而有效提高其空气雾化效果；同时旋转的油管可解决燃料空间分布不均的问题，以提高燃烧效率，减小污染物排放。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种内含旋转油管的空气雾化喷嘴，以解决现阶段出现的燃油雾化不足、燃料空间分布不均等的问题。本技术中，一方面燃油从旋转油管的主喷油孔喷出破碎成小油滴，其喷出方向与进口气流方向相反，迫使二者形成冲击作用而破裂雾化形成油雾；另一方面燃油从旋叶的副喷油孔喷出，细小油滴经离心力和内外油差作用，加速向四周均匀散开，与前方高速气流相互冲击剪切。来流吹动旋叶旋转，增加了下游混气的紊乱度，促进了燃油和空气的均匀掺混。混气向下游扩展直至衬套喉道，此时的混气在窄通道内加速，与外环气流相碰撞撕裂，油滴经三次雾化，形成均匀的油雾，进而优化燃油雾化效果，大大降低发烟度和热辐射量，降低污染物排放，有效提高燃烧室的燃烧效率。
技术方案
本发明的目的在于提供一种内含旋转油管的空气雾化喷嘴。
本发明技术方案如下：
内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋转油管置于混合腔内二级平直段头部，经输油管与外部燃油孔连接；旋叶的旋转中心在混合腔的中轴线上，且每个旋叶叶面保持一定的倾斜角度，旋叶内部中空用以通燃油，其三个窄面上分布着副喷油孔；而旋转油管的前端半球形油罩上分布着主喷油孔。
所述的内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋转油管由4个相同旋叶组成，并沿旋转中心间隔90°对称分布；旋叶叶面倾斜一定角度，与来流方向的垂直面保持30°～45°的倾斜度。
所述的内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋叶沿径向方向收缩，正反两个宽面构成等腰梯形状，即内部燃油通道沿径向逐渐变窄；旋叶顶部和两侧面三个窄面上分布着孔径相同的副喷油孔，具体个数分布和间距应根据旋叶的长度进行设置，侧面上孔的位置相互对称以平衡内部油压。
所述的内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋转油管的头部是半球形油罩，球心、旋叶旋转中心和混合腔的中轴线在同一条直线上；沿油罩球面设置了大小相等的主喷油孔，主喷油孔的孔径略大于副喷油孔，其具体个数分布应根据油罩直径进行设置。
本发明具有以下有益效果：
空气雾化喷嘴的雾化效果对燃烧室的燃烧效率有着重要的影响，与一般空气雾化喷嘴相比，旋转油管改变了燃油的喷射方式，促进了燃油的雾化效果。
(1)本发明采用可旋转的油路，燃油经主副喷油孔一次雾化成细小油滴，相对于传统的内外环气流进行一次雾化，大大提高了燃料的雾化效果。(2)本发明采用喷射方向与气流相反的主喷油孔，使两者相互冲击产生剪切作用；同时采用旋叶上的副喷油孔，燃油从旋转的旋叶上加速喷出并均匀向四周撒开，其喷射角度与气流方向存在较大夹角，因此气流在流动过程中受阻，与小油滴相互碰撞进行二次雾化。相对于直射型喷油嘴，不仅细化了燃油液滴，而且赋予了燃油加速度，同时也解决了燃料空间分布不均的问题。(3)本发明采用了可旋转的旋叶，上游高速气流带动旋叶旋转从而使下游混气提高了紊乱度，产生多个气旋，不仅促进了燃油的雾化过程，而且使得燃油与空气之间均匀掺混，以增强燃油的第三次雾化，降低污染物排放，有效提高燃烧室的燃烧效率。
附图说明
图1：内含旋转油管的空气雾化喷嘴的侧视图
图2：内含旋转油管的空气雾化喷嘴的截面视图
图3：旋转油管的示意图
图4：旋转油管的截面视图
图中：1-混合腔，2-燃油管，3-混合腔进气口，4-旋转油管，5-输油管，6-衬套，7-旋流器，8-旋叶，9-副喷油孔，10-油罩，11-主喷油孔
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图2和图3，本发明提供了一种有效提高液体燃料雾化效果并解决燃料空间分布不均问题的内含旋转油管的空气雾化喷嘴。
具体过程：
气体从混合腔进气口3进入，在混合腔1内依次经历一级平直段、一级收缩段、二级平直段和二级收缩段，由于收缩段的通道变窄，气流速度增加，且在混合腔1出口处时混气速度达到最大值。燃油孔2经输油管5与旋转油管4连接，输油管的拐角处采用圆弧连接，以减少燃油在途中的流动阻力和直角缝处的残留量；旋转油管4由旋叶8和油罩10组成，内部中空以作为燃油通道。油罩10的中轴线与混合腔1的中轴线重合，燃油经主喷油孔11一次雾化成细小油滴并与气流反向喷出，喷出的油滴与高速气流正面撞击撕裂，燃油遂进行二次雾化；同时高速气流带动旋叶8加速旋转，在旋叶内部的收缩通道、旋转产生的离心力和旋转油管4的内外油差共同作用下，燃油加速从副喷油孔9中加速喷出，一次雾化成细小油滴，旋转的旋叶使得油滴向四周均匀撒开，解决了燃料空间分布不均的问题，且提高了燃油与气流的接触面积，油滴的喷出角度与来流方向将近90°，轴向和径向速度相互冲击，加强了气流和燃油之间的剪切作用。旋叶8旋转，使得下游混气加速旋流，紊乱度的增加和回流区的存在，不仅促进了燃油的雾化过程，而且使得燃油与空气之间均匀掺混，以增强燃油的第三次雾化，降低污染物排放，有效提高燃烧室的燃烧效率。混气被吹至混合腔1出口(即衬套6的喉道)，此处均匀的混气由于受到内外两侧高速气流的粘性力带动和由两路空气方向不同引起的冲击作用，三次破裂雾化形成油雾，然后随内外环空气的运动均匀地送到燃烧室头部空间。

Claims (4)

1.内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋转油管置于混合腔内二级平直段头部，经输油管与外部燃油孔连接；旋叶的旋转中心在混合腔的中轴线上，且每个旋叶叶面保持一定的倾斜角度，旋叶内部中空用以通燃油，其三个窄面上分布着副喷油孔；而旋转油管的前端半球形油罩上分布着主喷油孔。
2.根据权利要求1所述的内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋转油管由4个相同旋叶组成，并沿旋转中心间隔90°对称分布；旋叶叶面倾斜一定角度，与来流方向的垂直面保持30°～45°的倾斜度。
3.根据权利要求1所述的内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋叶沿径向方向收缩，正反两个宽面构成等腰梯形状，即内部燃油通道沿径向逐渐变窄；旋叶顶部和两侧面三个窄面上分布着孔径相同的副喷油孔，具体个数分布和间距应根据旋叶的长度进行设置，侧面上孔的位置相互对称以平衡内部油压。
4.根据权利要求1所述的内含旋转油管的空气雾化喷嘴，其特征在于：旋转油管的头部是半球形油罩，球心、旋叶旋转中心和混合腔的中轴线在同一条直线上；沿油罩球面设置了大小相等的主喷油孔，主喷油孔的孔径略大于副喷油孔，其具体个数分布应根据油罩直径进行设置。
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