一种发动机燃烧室用蒸发管结构及发动机燃烧室结构的制作方法

本发明属于发动机燃烧系统领域，具体涉及一种发动机燃烧室用蒸发管结构及发动机燃烧室结构。

背景技术：

新一代高性能微型发动机采用直流环形燃烧室是目前的发展方向。这种微型直流燃烧室，受到空间布局的限制，在燃油雾化、蒸发方面，一般采用结构简单、供油压力低的蒸发管供油。结构上，它没有旋流器，燃料的雾化蒸发完全依靠蒸发管。采用蒸发管方案的燃烧室具有结构简单、易于加工、成本低和综合燃烧性能好等优势。

微型燃烧室内蒸发管的设计对高性能燃烧室至关重要。蒸发管的结构形式决定燃油雾化蒸发的效果。大部分微型燃烧室采用的蒸发管为直筒、t或者l型结构形式，能够一定程度的提高燃烧效率，但效果较差。另外一部分采用螺旋管式蒸发管和电加热蒸发管，但螺旋型蒸发管易堵塞，且蒸发率不高，而电加热系统过于复杂，维护成本高。蒸发管结构设计这方面的研究还有待提高，于此同时在发动机燃烧室制造和维修过程中的焊接或补焊会导致材料性能损失，一些零件焊接或补焊后无法通过热处理消除应力和恢复性能，对产品性能和质量影响极大，如何恢复或增强焊缝性能一直是难以解决的工艺问题。

微型涡喷发动机燃烧室为获得良好的燃烧性能，除了合理组织空气流动外，还要有高燃油蒸发率才能实现。高蒸发率有利于油气混合并实现高效、稳定的燃烧。因此，如何设计出性能良好的蒸发管，从而更好的组织燃油雾化蒸发成为微型燃烧室发展的关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种发动机燃烧室用蒸发管结构及发动机燃烧室结构，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种发动机燃烧室用蒸发管结构，包括蒸发管管体，蒸发管管体内壁由进气端至出气端依次包括第一圆柱段、内凹曲面段、第二圆柱段和出口段；第一圆柱段和第二圆柱段直径相同；

第一圆柱段外表面设有翅片，翅片的长度方向沿第一圆柱段轴向方向设置；

内凹曲面段包括至少两组弧面，每组弧面包括两个对称设置的柱型弧面；

第二圆柱段表面设有多个掺混孔，掺混孔轴线与第二圆柱段径向夹角为28°～40°；

出口段沿轴线截面为双曲面结构，出口段的最大内径面积为8mm²～15mm²。

进一步的，蒸发管管体壁厚为0.3mm～0.6mm。

进一步的，第一圆柱段外表面均布有10-25个翅片。

进一步的，第一圆柱段长度为蒸发管管体总长的18％～28％，翅片沿第一圆柱段轴向方向的长度为第一圆柱段长度的80％～90％；翅片沿第一圆柱段径向方向高度为第一圆柱段外径的2％～6％；翅片的宽度为第一圆柱段外径的4％～8％。

进一步的，掺混孔总体积占蒸发管管体管壁体积的1％～3％。

进一步的，掺混孔的垂直于轴线截面面积0.01mm²～0.05mm²。

进一步的，双曲面结构的曲线弧长占蒸发管管体总长的16.72％～41.8％，弦长占蒸发管管体总长的16.72％～27.17％。

进一步的，对称设置的两个柱型弧面之间最短距离为第一圆柱段外径的37.3％～66.56％；柱型弧面的最大弧长为蒸发管管体总长的16.72％～31.35％；柱型弧面上端或下端的曲线弧长为蒸发管管体总长的12.5％～37.62％；相邻两个柱型弧面之间过渡弦长为柱型弧面18.8％～27.2％。

进一步的，第一圆柱段外表面周向均布多个翅片。

一种发动机燃烧室结构，燃油喷嘴的轴线和燃烧室轴线之间的夹角为15°～35°，燃油喷嘴在蒸发管管体内部的长度占蒸发管管体总长的1％～5％；蒸发管管体的中心轴线和燃烧室中心轴线之间的夹角为15°～25°；蒸发管管体长度为第一圆柱段外径的6～12倍，第一圆柱段内径面积为3mm²～15mm²，蒸发管管体1壁厚为0.3mm～0.6mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种发动机燃烧室用蒸发管结构，通过四段结构设计，利用至少两组弧面组成的内凹曲面段，每组弧面采用两个对称设置的柱型弧面，内凹曲面段采用渐缩渐扩结构，混和气体流经蒸发管，在内凹曲面段内形成回流区，速度减小，燃油与空气混合空间增大，在蒸发管内的停留时间增加，混合气体与蒸发管壁面的接触面积增大，增强气体换热；经过渐缩渐扩形曲形壁面，气体带来的强剪切作用能够使燃油和空气掺混更充分；在第一圆柱段外表面设置翅片增强火焰筒内高温气流与蒸发管换热，提高蒸发管内温度；掺混孔倾斜设置形成斜孔射流使空气直接冲击油雾，促进燃油雾化蒸发，使蒸发管内燃油雾化蒸发效果增强，燃油充分燃烧，提高燃烧效率同时降低污染物排放。

进一步的，蒸发管管体长度为第一圆柱段外径的6～12倍，减小管径加大流速使得空气与燃油颗粒相对速度增大有利于改善蒸发管蒸发率。

进一步的，第一圆柱段外表面均布有10-25个翅片，在保证蒸发管强度的同时，增强火焰筒内高温气流和蒸发管换热，提高蒸发管内部温度。

一种发动机燃烧室结构，蒸发管沿燃烧室火焰筒后端壁周向均匀排列，和火焰筒的轴线成一定角度，燃油喷嘴沿一定角度插至蒸发管内，燃油碰撞管壁形成贴壁油膜，蒸发管内油路长度占蒸发管总长的1％～5％，与来流空气形成逆向喷射，利用高温燃气回流区内的高温低氧条件，实现稳定高效超低污染的燃烧模式。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明剖视图。

图3为本发明侧视图。

图4为本发明第一圆柱段结构示意图。

图5为本发明蒸发管侧视图。

图6为本发明内凹曲面段截面图。

图7为本发明基于蒸发管结构的发动机燃烧室结构。

图中，1、蒸发管管体；2、第一圆柱段；3、内凹曲面段；4、第二圆柱段；5、出口段；6、翅片；7、掺混孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图6所示，一种发动机燃烧室用蒸发管结构，包括蒸发管管体1，蒸发管管体1内壁由进气端至出气端依次包括第一圆柱段2、内凹曲面段3、第二圆柱段4和出口段5；第一圆柱段2和第二圆柱段4直径相同；蒸发管管体1壁厚为0.3mm～0.6mm；

第一圆柱段2外表面设有翅片6，翅片6的长度方向沿第一圆柱段轴向方向设置，第一圆柱段2外表面周向均布多个翅片6；具体的，第一圆柱段2外表面均布有10-25个翅片；

第一圆柱段2长度为蒸发管管体1总长的18％～28％，翅片6沿第一圆柱段轴向方向的长度为第一圆柱段2长度的80％～90％；翅片6沿第一圆柱段径向方向高度为第一圆柱段2外径的2％～6％；翅片6的宽度为第一圆柱段2外径的4％～8％；

第二圆柱段4表面设有多个掺混孔7，掺混孔7轴线与第二圆柱段4径向夹角为28°～40°；掺混孔7总体积占蒸发管管体1管壁体积的1％～3％；掺混孔7的垂直于轴线截面面积0.01mm²～0.05mm²；

内凹曲面段3包括至少两组弧面，每组弧面包括两个对称设置的柱型弧面，对称设置的两个柱型弧面最短距离为第一圆柱段外径的37.3％～66.56％；柱型弧面的最大弧长为蒸发管管体1总长的16.72％～31.35％；柱型弧面上下两端曲线弧长为蒸发管管体1总长的12.5％～37.62％；相邻两个柱型弧面之间过渡弦长为柱型弧面18.8％～27.2％；本申请中最优设置内凹曲面段3包括三组弧面；

柱型弧面指两个圆柱体轴线垂直设置，且两个圆柱体表面相互嵌入，两个圆柱体交线形成的圆柱体内部轮廓曲面即柱型弧面；每组弧面中的两个柱型弧面所在圆柱的轴向平行；

出口段5沿轴线截面为双曲面结构，出口段5的最大内径面积为8mm²～15mm²，双曲面结构的曲线弧长占蒸发管管体1总长的16.72％～41.8％，弦长占蒸发管管体1总长的16.72％～27.17％。

如图7所示，一种基于上述蒸发管结构的发动机燃烧室结构，燃油喷嘴的轴线和燃烧室轴线之间的夹角为15°～35°，燃油喷嘴在蒸发管管体1内部的长度占蒸发管管体1总长的1％～5％，燃油喷嘴位于蒸发管管体1第一圆柱段2内；蒸发管管体1的中心轴线和燃烧室中心轴线之间的夹角为15°～25°；蒸发管管体1长度为第一圆柱段外径的6～12倍，第一圆柱段内径面积为3mm²～15mm²，蒸发管管体1壁厚为0.3mm～0.6mm。蒸发管沿燃烧室火焰筒后端壁周向均匀排列，和火焰筒的轴线成一定角度，燃油喷嘴沿一定角度插至蒸发管内，燃油碰撞管壁形成贴壁油膜，蒸发管内油路长度占蒸发管总长的1％～5％，与来流空气形成逆向喷射，利用高温燃气回流区内的高温低氧条件，实现稳定高效超低污染的燃烧模式。

本申请发动机燃烧室用蒸发管结构的渐缩渐扩曲形壁面、翅片、掺混孔、出口段一体化成型，减轻重量、减小外廓尺寸，利用至少两组弧面组成的内凹曲面段，每组弧面采用两个对称设置的柱型弧面，相邻两个弧面连接处及弧面结构增加了燃油在蒸发管内停留时间，使燃油能够在内凹曲面段充分蒸发，同时增大了外壁面换热面积；在第一圆柱段外表面设置翅片增强火焰筒内高温气流与蒸发管换热，提高蒸发管内温度；掺混孔倾斜设置形成斜孔射流使空气直接冲击油雾，促进燃油雾化蒸发，使蒸发管内燃油雾化蒸发效果增强，燃油充分燃烧，提高燃烧效率同时降低污染物排放。

燃油喷嘴的中心轴线和燃烧室中心轴线之间的夹角为15°～35°；当燃油喷射角度较大时，燃油液滴碰壁后，大量液滴发生平铺、黏附现象，使燃油液滴集中在蒸发管的一侧，严重影响燃油液滴的雾化和蒸发，使得燃油液滴的粒径普遍较大。若燃烧室内的液滴直径过大，将会出现油滴碰壁、火焰后移，以及出口温度分布不均等问题。

内凹曲面段采用渐缩渐扩结构，混和气体流经蒸发管，在内凹曲面段内形成回流区，速度减小，燃油与空气混合空间增大，在蒸发管内的停留时间增加，混合气体与蒸发管壁面的接触面积增大，增强气体换热。经过渐缩渐扩形曲形壁面，气体带来的强剪切作用能够使燃油和空气掺混更充分；

减小管径加大流速使得空气与燃油颗粒相对速度增大有利于改善蒸发管蒸发率，但是空气流速的提高同时将减少油滴在蒸发管中的停留时间，而导致吸热量减少，所以直径由蒸发率决定。蒸发管长度存在一个最佳距离，使它雾化达到最佳，随着离喷口距离的增加，液滴碎裂过程继续深入，液滴会越来越小，但过了一定距离后，液滴与空气相对速度变小，液滴将不再碎裂，而此时在液滴群中发生的液滴碰撞会使液滴融合，变成直径更大的液滴，随距离增加会越来越大，所以雾化质量决定蒸发管长度。布置方式根据逆向喷射的燃油和空气掺混程度确定，在此基础上决定蒸发管的直径、长度和布置方式；在保证蒸发管强度的同时，增强火焰筒内高温气流和蒸发管换热，提高蒸发管内部温度；

利用斜孔射流使空气直接冲击油雾，增加燃油雾滴与空气在径向的相对运动，增大空气与燃油的接触面积，使得油气掺混更加剧烈，加速燃油蒸发。

利用气体带来的强剪切作用使燃油和空气掺混更充分，优化流场，降低温度梯度，提高燃烧温场质量。