一种燃油切向入射成膜的贫油直喷空气雾化喷嘴的制作方法

本发明涉及一种贫油直喷(ldi)空气雾化喷嘴，特别是涉及一种燃油切向入射成膜的贫油直喷(ldi)空气雾化喷嘴。

背景技术

为了提升飞机的机动性能，军用航空发动机的推重比不断增加。随着发动机对推重比的要求越来越高，各国都加紧了高温升燃烧室的研究。美国已经实现的燃烧室油气比为0.046，并且计划2020年以后会达到0.05，在2030年以后会超过0.06。现阶段高温升燃烧室的发展面临着很多挑战。首先，尽管高温升燃烧室在高功率状态下要以很高的油气比工作，但是它还必须保证在低工况下能够稳定的工作，这是一个基本的要求，即拓宽稳定工作范围的要求。其次，尽管军用发动机排气污染不受到icao排放的限制，但是从环境角度来说，也需要尽可能降低排放。更重要的是，作为军用发动机必须减少排气冒烟和no2的排放。减少排气冒烟是从对远红外的触发提出的。因为排气冒烟意味着有很多炽热的细微碳粒子，很多空空导弹都装有远红外制导装置，这些炽热碳粒子会触发远红外，使飞机容易被导弹锁定。高温升军用发动机上限制no2的排放主要因为它是棕黄色气体。当排气中no2的浓度超过45ppm时，可以观察到棕黄色的排气柱，这对于飞机的隐身是非常不利的。此外，高温升燃烧室必须大幅度降低出口的温度分布系数，这样才能保证涡轮在极高温度的恶劣环境下仍然能够正常工作。需要注意的是，高温升燃烧室对于不可见冒烟与慢车贫油熄火的要求是矛盾的。为了防止到达可见冒烟边界，高温升燃烧室在提高燃烧室总油气比的同时，必须改变其空气流量分配，增加主燃区的空气量以降低主燃区的平均当量比。但是这会导致贫油熄火油气比的增加，使发动机在慢车状态下容易熄火。而且减少了掺混空气和火焰筒冷却空气的比例，这就对火焰筒的耐久性提出了很高的要求。以目前的燃烧室结构很难有效解决上述问题。

本发明涉及的燃油切向入射成膜的ldi空气雾化喷嘴是应用于一款分布式贫油直喷燃烧室的主燃级喷嘴。该燃烧室的技术特点有两个，一是每个扇形头部都设计了1个预燃级与9个主燃级，其采用多个小型主燃级喷嘴阵列式排布的形式取代了传统的大喷嘴结构，将燃油分布到每个小喷嘴后再喷射到燃烧室中；二是采用了ldi燃烧技术，直接将燃油与空气直接喷射到燃烧室中进行燃烧。该燃烧室的技术特点与高温升燃烧室的需求相一致。采用灵活的喷嘴分级，可以实现不同的稳定工况，拓宽燃烧室的稳定工作范围；使用多个喷嘴使燃油在空间上的分布更加均匀，避免了局部富油区的出现，减少了碳烟的生成量；将燃料以贫油状态入射到燃烧室，降低了主燃区的温度，减少了nox的排放；通过对喷嘴位置的调整可以对燃烧室出口温度分布进行有效的调节，提高其均匀性；单个喷嘴的供油减少，有望从整体上缩短燃烧室的长度，减小了冷却空气的需求量。

本发明涉及的燃油切向入射成膜的ldi空气雾化喷嘴是分布式贫油直喷燃烧室最关键的部件。对于ldi空气雾化喷嘴，能否实现燃油的快速、均匀雾化是关键性的技术难题。因此，本发明针对上述需求，设计了新型ldi空气雾化喷嘴。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对现有的切向入射成膜的ldi喷嘴，提出了一种能够辅助切向入射燃油快速均匀展成油膜，并且快速雾化的新型喷嘴。对于传统的切向入射ldi喷嘴，在实验中发现了三个主要的问题。一是在预膜管切向入口2附近的燃油经过旋转后，部分由预膜管切向入口2流出；二是燃油流量大、空气压降低的时候，燃油在预膜管4出口积聚，导致油膜变厚，雾化效果差；三是中心管3的一股直流气受到进动涡核的影响后，流动方向偏离中轴线，而且不固定，有很大的振动，影响了下游流场和燃烧的稳定性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种燃油切向入射成膜的贫油直喷空气雾化喷嘴，采用了结构与气动相结合的方式辅助切向入射的燃油成膜，由直射式燃油喷嘴、预膜管切向入口、中心管、预膜管、轴向旋流器、套筒和导流板构成，直射式喷嘴将燃油射入预膜管切向入口中，预膜管切向入口处设计了导流板，在自身动量和导流板的共同作用下，燃油贴着预膜管内壁向下游流动，并展开成薄膜，同时，部分空气会与燃油一起从预膜管切向入口入射，在导流板的作用下旋转流动，辅助燃油成膜，中心管管壁上开有一圈斜孔，底部开有多小孔的出口，中心管内的部分空气从斜孔喷出，维持油膜的高速旋转，其余的空气从底部的小孔流出后形成多股均匀气流调节下游的流场，防止回火，也在一定程度上促进了出口处油膜的破碎与雾化，中心管的出口在预膜管出口内部，缩进比为1，中心管内缩的结构降低了直流气对下游流场和燃烧稳定性的影响，大量的空气流经轴向旋流器进入下游，套筒采用先收缩后扩展的形式，引导气流在其喉道处剪切油膜，套筒收缩段与中轴线的夹角大于40°，提高了外旋空气对液膜的冲击角度，使预膜管出口油膜破碎模式从经典式转化为瞬发雾化。

其中，包括了螺旋形导流板的结构，导流板将燃油输运到预膜管切向入口下游，并同时约束空气的流动，增加空气的切向动量，提高空气辅助燃油成膜的效果。

其中，中心管上的斜孔中轴线与中心管中轴线有一定的距离，使流经斜孔的气流产生周向的速度；同时斜孔中轴线与中心管中轴线的夹角小于90°，使气流产生向下游的轴向速度，当油膜沿预膜管向下游运动一段距离后，其切向的动量会衰减，导致油膜的厚度增加、均匀性降低，斜孔产生的气流可以维持油膜的高速旋转。

其中，中心管底部为小孔结构，采用多个小孔的出口，形成多股均匀的气流，但是每股气流的气量较少，在防止回火现象产生的同时，还可以降低由于直流气自身振荡而对下游流场和燃烧稳定性造成的影响。

其中，中心管出口相对于预膜管出口内缩，从小孔流出的多股均匀气流既可以促进预膜管出口处油膜的失稳破碎，提升雾化效果；还可以防止火焰被吹脱。

其中，所述的套筒收缩段角度大于40°，气流冲击液膜的角度增大，液膜破碎的机制从经典式转化为瞬发式，可以实现液膜的快速、均匀雾化。

本发明原理在于：

一、在预膜管切向入口2处设置导流板7。燃油在导流板7的引导下，旋转一圈后，可以避开预膜管切向入口2，流向下游。

二、利用导流板7预膜管以及切向入口2和中心管斜孔8的旋转空气共同辅助旋转的燃油在预膜管上快速、均匀展开成膜。新型空气雾化喷嘴由直射式燃油喷嘴1、预膜管切向入口2、中心管3、预膜管4、轴向旋流器5、套筒6和导流板7构成。其中，中心管3管壁上分布一圈斜孔8，而且底部采用了多小孔9的出口。直射式燃油喷嘴1将燃油射入预膜管切向入口2中。在自身动量和导流板的共同作用下，燃油贴着预膜管4内壁流动，并展开成薄膜。与此同时，部分空气会与燃油一起从预膜管切向入口2入射，辅助燃油成膜。当油膜沿预膜管4向下游运动一段距离后，其切向的动量会衰减，油膜的厚度增加和均匀性降低。因此中心管3外壁上开一圈斜孔8，中心管3内的部分空气从斜孔8喷出，维持油膜的高速旋转。

三、套筒6采用先收缩后扩展的形式，引导气流在其喉道处剪切油膜。本发明增加了套筒6收缩段与中轴线的夹角，增加了气流对液膜的冲击角度，使油膜的雾化机制由经典式变为瞬发式，提高雾化效果。

四、采用内缩的中心管3调节下游流场。中心管3出口在预膜管4内部，从小孔9流出的空气既可以调节下游的流场，防止回火现象的产生，也在一定程度上促进了预膜管4出口处油膜的失稳与破碎。进入中心管3的空气部分从斜孔8喷出，辅助燃油成膜，其余的空气从底部的小孔9流出。中心管3出口设计成多个小孔9结构，多股均匀的气流可以减小对液膜破碎的均匀性的影响，出口内缩后，在防止回火现象产生的同时，又可以减少直流气震荡对下游流场的影响。

本发明与现有技术相比具有的优点如下：

(1)本发明采用导流板加斜向空气的方式辅助燃油成膜，相对于单纯的利用燃油切向速度成膜，弥补了预膜管4出口附近因为燃油切向速度衰减而引起的油膜厚度增加和均匀性降低，提高了雾化的均匀性。而且油膜高速旋转，会引起自身的失稳破碎，加速雾化过程。

(2)本发明的预膜型空气雾化喷嘴，中心管3采用内缩的结构，由中心管3流出的直流空气既可以辅助燃油的雾化，又可以调节下游流场的结构防止回火现象的产生，而且对下游流场稳定性造成的影响比较小。尤其，本发明采用中心多股均匀的气流来可以减少由于气流振动而对液膜均匀性产生的影响。

(3)本发明采套筒采用了较大的收缩角度，气流冲击液膜的角度增大，雾化机制从经典式转变为瞬发式，使液膜在喷嘴出口处就实现完全雾化。

附图说明

图1为本发明的一种燃油切向入射成膜的ldi空气雾化喷嘴的结构正视图示意图；

图2为本发明的一种燃油切向入射成膜的ldi空气雾化喷嘴的结构剖面图示意图(图1中a-a方向)；

图3为本发明的一种燃油切向入射成膜的ldi空气雾化喷嘴的结构局部剖面图示意图；

图4为本发明的直射式燃油喷嘴的结构示意图，其中，图4(a)为直射式喷嘴的主视图，图4(b)为直射式喷嘴的剖视图(b-b方向)；

图5为本发明的导流板的结构示意图，其中，图5(a)为导流板的主视图，图5(b)为导流板的俯视图；

图6为本发明的中心管的结构示意图，其中，图6(a)为中心管的主视图，图6(b)为中心管的仰视图；

图中：1为直射式燃油喷嘴，2为预膜管切向入口，3为中心管，4为预膜管，5为轴向旋流器，6为套筒，7为导流板，8为斜孔，9为小孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示新型空气雾化喷嘴由直射式燃油喷嘴1、预膜管切向入口2、中心管3、预膜管4、轴向旋流器5、套筒6和导流板7构成。其中，中心管3管壁上分布10个斜孔8，而且底部采用了5个小孔9的出口。直射式燃油喷嘴1将燃油射入预膜管切向入口2中。在自身动量和导流板的共同作用下，燃油贴着预膜管4内壁流动，并展开成薄膜。设计的预膜管切向入口2、轴向旋流器5和中心管3的有效面积占比分别为3％、12％和85％。部分空气会与燃油一起从预膜管切向入口2入射，辅助燃油成膜。当油膜沿预膜管4向下游运动一段距离后，其切向的动量会衰减，油膜的厚度和均匀性会减少。因此中心管3外壁上开一圈斜孔8后，中心管3内的部分空气从斜孔8喷出，维持油膜的高速旋转。此外中心管3内其余的空气从底部的小孔9流出。中心管3设计成内缩的结构，中心管3出口与预膜管4出口的距离和预膜管4出口直径的比值为1。从小孔9流出的空气既可以调节下游的流场，防止回火现象的产生，也在一定程度上促进了出口处油膜的破碎与雾化。重要的是中心管3出口内缩，防止了直流气对下游流场稳定性的影响。大量的空气流经轴向旋流器5进入下游。套筒6采用先收缩后扩展的形式，引导气流在其喉道处剪切油膜。此外，通过轴向旋流器5的旋流气在下游形成回流区，燃烧时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。

如图1所示，直射式燃油喷嘴1的中心对准预膜管切向入口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2mm，喷嘴1直径在0.5mm，预膜管切向入口2的内径为5mm，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口2的中心，预膜管切向入口2中心与预膜管4中心之间偏置的距离为3.7mm。预膜管4出口平面与套筒喉道对齐。

如图3所示，螺旋形导流板7的厚度为1mm，螺距6mm，内径为5.4mm，外径为13mm。安装时导流板起始平面与切向入口中轴线夹角为45°，导流板7内外分别与中心管3外壁和预膜管4内壁接触对齐，通过焊接固定。

如图4所示的中心管3中，斜孔8轴线与中心管轴线的距离为1mm，与中轴线的夹角是45°。部分中心管内的空气入射到预膜管4中，增加燃油的旋转速度，并辅助燃油向下游输运。中心管出口处设计了5个直径1mm的小孔，与斜孔8气量分配比是1:2。

套筒6为一带有喉道的圆形通道。收缩段与中心轴线的夹角为40°，喉道的直径为16mm，出口扩张段的最大内径为26mm，扩张段与中心轴线的夹角为50°。