一种预膜型贫油直喷空气雾化喷嘴的制作方法

本发明涉及一种旋流雾化喷嘴，特别涉及一种预膜型贫油直喷空气雾化喷嘴。

背景技术：

在航空发动机中，提高nox排放性性能主要是通过降低燃烧的反应温度和停留时间来实现的，但同时也需要考虑co、uhc的排放水平。因为在常见燃烧室中，通常是通过增加燃烧温度，同时利用空气旋流形成的回流区延长停留时间，来提高燃烧效率，减少co、uhc等污染物的排放。而降低nox污染物的生成，则需要减少停留时间、降低反应温度。因此，设计一种能在保证燃烧室稳定以及效率较高的同时减少nox生成的燃烧室设计方案，是目前研究的热点。对于采用贫油燃烧来降低污染物生成的航空发动机燃烧室，燃油和空气混合的均匀程度是减少局部高温区达到减排目标的关键因素。贫油预混预蒸发燃烧技术(lpp)在近几十年来受到了许多的关注和研究，并且成功实现了减少了nox的排放量的目标。然而，为了增加航空发动机的工作效率，其增压比正在不断地提高，这也意味着燃烧室进口温度和压力也在升高，这极大地缩短了燃油着火延迟时间，lpp燃烧室技术中的自燃和回火成为了亟待解决的问题。与此同时，根据一些研究可知lpp低污染燃烧室更易与激发燃烧室中的热声振荡。研究人员为了克服lpp技术的缺点开展了许多相关研究以及技术的改进。在这其中，贫油直接喷射技术(ldi)通过直接向燃烧室中喷射燃油的方法，巧妙地避免了这些问题的出现。自燃问题使得lpp燃烧室不能够在下一代高压比航空发动机上的继续应用，这也使人们的目光开始转向ldi这种新的燃烧组织方式。

贫油直接喷射(leandirectinjection,ldi)燃烧技术是直接将燃油与空气直接喷射到燃烧室中进行燃烧。由于其不存在预混预蒸发的过程，所以避免了自燃和回火问题。但是如何能够快速地使空气与燃料均匀混合，是这类技术减排的关键，这也对燃油喷射结构的能力提出了更高的要求。ldi低排放燃烧室必须能够使燃油在进入燃烧室、未燃烧前实现快速雾化、蒸发并与空气混合，这样才可以避免在燃烧室内出现局部高温区，实现与lpp相同的排放水平。目前ldi低排放燃烧室主要有两种结构形式，一种是采用中心分级的多旋流ldi燃烧室，另外一种在是拥有多个单元喷嘴的多点喷射ldi燃烧室。

多点喷射ldi燃烧室用多个喷嘴阵列式排布的形式取代了传统的大旋流器结构，将燃油分布到每个小喷嘴中再直接喷射到燃烧室中。这样大大增加了燃油与空气的接触面积，促使燃油与空气快速的混合成均匀的贫油状态，从而降低燃烧温度，抑制nox的生成。而每一个小喷嘴采用旋流稳火的方式，其形成的回流区则较传统的旋流器形成的回流区更小，减小了火焰长度燃烧停留时间，也可以有效的减少nox的生成。

ldi单元喷嘴是多点喷射ldi燃烧室的基本组成单元，是燃烧室实现贫油低污染燃烧最关键的部件，单元喷嘴的燃油雾化及快速混合技术性能直接决定燃烧室的排放水平，是关键性的技术难题。因此，本发明针对ldi燃烧室的这种需求，设计了一种能够实现快速、均匀雾化的单元喷嘴。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对现有ldi燃烧室对于液态燃料雾化的快速性和均匀性要求，提供了一种能够满足雾化性能要求的预膜式单元喷嘴。该喷嘴采用将类似于旋风分离器的结构，将进入通道中的燃料展成薄膜，燃料在出口处液膜在气动力的作用下失稳，燃油经过初次雾化破碎成液滴。同时，在出口部位增加内外空气形成的旋向相反的旋流，加强作用于液膜上的气动力，使燃油在初次雾化后形成的液滴微团平均直径更小。此外在喷嘴的中心设计有无旋气流通道，可以用来调整下游流场的形状，有利于更好的组织燃燃烧，同时也可以防止火焰向上游传播到预膜管中。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种预膜型贫油直喷空气雾化喷嘴，采用预膜雾化的方式，同时加有内外旋向相反的旋流空气，将燃料进行快速均匀的雾化。该结构由直射式燃油喷嘴、中心通道、预膜管进口切向通道、预膜管、、轴向旋流器以及带有喉道的套筒组成；中心通道、预膜管以及套筒三者同心，其中：中心通道的前段略微扩张；预膜管的尾端连有切向直通道；预膜管和套筒之间为轴向旋流器叶片；套筒在旋流器的下游为收缩再扩张的结构。燃烧所需空气可以分别从中心通道、预膜管以及轴向旋流器中通过，这三者的有效面积占单元喷嘴总有效面积的百分比分别为：3％-5％、7％-15％和80％-90％。从中心通道中通过的少量空气可以用来调整喷嘴下游燃烧区的流场结构，调高喷嘴的燃烧性能。喷嘴下游燃烧所需的燃料均从预膜管尾部的切向孔进入预膜管，燃烧空气的7％-15％通过预膜管后部的切向孔进入管中，形成旋转气流的同时辅助液态燃料展开成膜。预膜管中的空气与燃油流量之比在2-4之间，这一范围可以在防止管内发生自燃的同时，保证雾化质量。大量的空气从轴向旋流器通过与预膜管旋流方向相反的旋转气流，两股旋转方向相反的气流共同剪切预膜管出口液态燃料薄膜，并且通过收缩通道增强剪切作用来实现对燃料快速雾化。套筒喉道之后的扩张段与中心轴线的夹角在40°-50°之间，用于形成喷雾角度适中，空间分布合理的油雾场，实现稳定燃烧。

其中，所述的直射式燃油喷嘴的材料为不锈钢，喷嘴的流量数fn为25左右，喷嘴的长径比在0.5-1之间。喷嘴出口正对预膜管切向入射通道的中心，喷嘴出口平面与预膜管切向入射通道之间的距离为2mm左右。

所述的中心通道的材料为不锈钢，为一出口处略微扩张的圆形直通道，进口处用于控制通道有效面积的小孔直径为2-3mm，出口扩张段与中心轴线的夹角为2°-4°，出口的直径为5-6mm。

所述的预膜管切向入射通道的材料为不锈钢，为一圆形直通道，内径为4-6mm，通道进口端面与预膜管轴线的距离为8-10mm，其中心轴线相对于预膜管中心线偏置的距离为3.5-5mm。

所述的预膜管的材料为不锈钢，为一直径逐段减小、一端封闭的环形管道，在封闭端开有入射孔与切向入射通道相连。预膜管出口的外直径为7-8mm，内半径为5.2-6.2mm，预膜管的长度为25-35mm。

所述的轴向旋流器的材料为不锈钢，叶片最大外直径为22-24mm，内直径为11-13mm。轴向旋流器共有10-16个直叶片沿周向均匀分布，厚度在0.8-1.2mm左右，叶片中心线与轴线之间的夹角为35°-45°。叶片顶部轴向宽度为8-10mm，底部轴向宽度5-6mm。

所述的套筒的材料为不锈钢，为一带有喉道的圆形通道。收缩段与中心轴线的夹角为30°左右，喉道的直径为18-20mm，出口扩张段的最大直径为24-26mm，扩张段与中心轴线的夹角为40°-45°。

本发明的工作原理：采用将燃油预先展开成膜和空气辅助雾化的方法，实现对燃油的快速雾化。燃油通过预膜管切向入射通道直接射入到预膜管的环形通道中，产生切向动量在预膜管内壁上展开成膜。同时7％-15％的空气也通过切向通道进入预膜管中形成旋流，旋转气流带动液态燃料向预膜管出口移动并且帮助燃料在内壁上更好的展开。大量的气流通过轴向旋流器形成旋转气流，方向与预膜管旋流方向相反。燃油液膜在内外反向旋流的剪切作用下实现快速雾化。由于旋流器通过的空气量大，两股旋流混合后形成为与轴向旋流器方向一致的单一方向旋流。旋流会在喷嘴下游形成回流区，利用高温燃烧产物加热新鲜混合物实现稳定燃烧。中心通道通有少量气流，可以防止旋流形成的回流深入到喉道的上游。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本人发明的预膜型空气雾化喷嘴，采用类似于旋风分离器的方式形成旋流，同时使燃油沿壁面展开。这样可以有效地使燃油从液柱展开成为周向均匀、厚度非常小的薄膜，从而实现快速均匀的雾化。

(2)本人发明的预膜型空气雾化喷嘴，采用中心的直流通道来调节下游流场的结构，调整回流区位置，可以有效地防止回火的发生。

(3)本人发明的预膜型空气雾化喷嘴，可以有效地满足贫油直喷燃烧室对于燃油快速均匀雾化的要求；同时结构尺寸小，满足多点喷射ldi燃烧室用多个小喷嘴代替一个传统大型旋流器结构的特点；安装方便便于维护，油路简单便于操作，适用于多种液态燃料，有较大的燃料扩展性。

附图说明

图1为本发明的一种预膜型贫油直喷空气雾化喷嘴的结构示意图；

图2为本发明的一种预膜型贫油直喷空气雾化喷嘴的正三轴测图；

图3为本发明的直射式燃油喷嘴的示意图；

图中附图标记含义为：1为直射式燃油喷嘴，2为中心通道，3为预膜管切向入射通道，4为预膜管，5为轴向旋流器，6为带有喉道的套筒。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本实例所述的一种预膜型贫油直喷空气雾化喷嘴，采用将燃油预先展开成膜和空气辅助雾化的方法，整体采用不锈钢材料，其中包括：直射式燃油喷嘴1，中心通道2，预膜管切向入射通道3，预膜管4，轴向旋流器5，带有喉道的套筒6。直射式燃油喷嘴1将液态燃料射入到预膜管切向入射通道3中。由于切向入射通道3轴线基于预膜管4轴线进行了偏移，所以入射到预膜管4中的液态燃料相对于预膜管4的轴线具有了切向动量，燃料会沿预膜管4内壁流动。通过这一物理过程可以将液态燃料从液柱展开成为较薄液膜，利于之后雾化形成更小的燃油液滴。7％-15％的空气也会从预膜管切向入射通道3进入到预膜管4中，利用同样的原理形成旋流，帮助燃油更快更好的展开成膜。同时利用空气在预膜管中的轴向流动，来带动燃油在预膜管轴向上向下游流动进入流场。大量的气流通过轴向旋流器5形成旋转气流，方向与预膜管中气流的旋转方向相反。预膜管4内壁上的燃油液膜在预膜管4出口处收到内外反向旋流的剪切作用实现快速、均匀的雾化。而由于轴向旋流器5通过的空气量大，两股反向的旋流相互混合后形成与轴向旋流器方向一致的旋流。该旋流的旋流强度会比轴向旋流器5形成的旋流弱，但可以满足在喷嘴下游形成回流区。在燃料燃烧时，流场中的回流区可以利用高温燃烧产物加热新鲜混合物实现稳定燃烧。在喷嘴的中心通道2内通过有少量的空气，该气流可以有效地防止旋流在下游形成的回流深入到喉道的上游，防止火焰传播到喉道上游带来的问题。套筒6中的收缩扩张结构可以加快旋流的角速度，减小液滴颗粒的平均直径和提升油气混合程度；同时喉道还可以提高轴向速度，防止火焰向上游传播。

如图1所示，直射式燃油喷嘴1的中心对准预膜管切向入射通道2的中心，直射式燃油喷嘴1的出口与入射管进口之间的距离为1-3mm，直射式燃油喷嘴1直径在0.3-0.6mm，切向通道3进口内径为5-7mm，这样可以有效地保证所有的燃油都进入到预膜管4中。直射式燃油喷嘴1的中心对准预膜管切向入射通道2的中心，切向入射通道3中心与预膜管4中心之间偏置的距离为1.5-3mm。预膜管4出口平面与套筒喉道之间的轴向距离为1-3mm。

如图2所示，轴向旋流器5与切向入射通道的中心之间的轴向距离为12-15mm，减小切向通道3对旋流器5进气的影响。

如图3所示，直射式燃油喷嘴的一端与压力供油装置连接，另外一端开有长径比在0.5-1之间的小孔喷射燃料。