CN102538017A

CN102538017A - 一种离心式防积炭燃油喷嘴

Info

Publication number: CN102538017A
Application number: CN2012100332258A
Authority: CN
Inventors: 谭建国; 王振国; 周进; 刘卫东; 梁剑寒; 丁猛; 陈晖�; 范晓樯; 李大鹏; 吴先宇; 潘余; 王翼; 李庆
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种应用于燃烧领域的燃油喷嘴，尤其涉及一种可有效防止积炭的离心式燃油喷嘴。本发明针对离心式喷嘴容易积炭的特点，根据燃烧装置对喷嘴防积炭的要求，提出了一种用传统燃油喷嘴连接套管的方案，通过减小传递燃油喷嘴的热流，使其达到长时间工作不积炭的目的。本发明的离心式防积炭燃油喷嘴已在某超燃冲压发动机上采用并取得良好效果，也可应用到航空发动机、内燃机等燃烧装置。

Description

一种离心式防积炭燃油喷嘴

技术领域

本发明涉及一种应用于燃烧领域的燃油喷嘴，尤其涉及一种可有效防止积炭的离心式燃油喷嘴。

背景技术

燃油喷嘴是航空航天发动机、内燃机等燃烧装置的关键设备之一，其主要作用是把燃油雾化成微小的液滴，实现与燃烧室中氧化剂的混合和燃烧，所述的氧化剂在航天发动机中一般为液氧或四氧化二氮，在其它发动机中一般为空气。

离心式燃油喷嘴依靠流体流动过程中旋转产生液膜，液膜在气动力或表面张力作用下雾化成微小的液滴，具有雾化效果好、分布均匀等优点，在各种燃烧装置中广为采用。但由于在燃烧室中的高温会传递到喷嘴周围，并持续对喷嘴及其内流动的燃油加热，一旦加热温度达到燃油裂解温度，使得燃油裂解而在喷嘴内形成积炭，喷嘴内的积炭会影响喷嘴的雾化性能和喷雾分布特性，降低燃烧室内的燃烧效率，同时造成燃油流动通道变小，从而降低燃油流量，进一步加速积炭的形成，严重时甚至会导致熄火。

中国专利“一种用于燃气轮机的防积炭液体燃料喷嘴”(申请号：201020179121.4)公布了防止在喷嘴端面出现积炭的燃油喷嘴，它通过吹气方式对喷嘴进行冷却保护，避免高温燃气回流到喷嘴端面，以达到防止积炭的目的。上述方案的缺点在于：一方面，高温燃气的热流不仅仅是从端面传递到喷嘴上，且在喷嘴周向也有热流传递进来，因此仅保护喷嘴端面是不够的；另一方面，由于采用吹气方式需要增加吹气***的供应和控制回路，从而增加了整个***的复杂性。

中国专利“用稀土氧化物涂层抗燃油喷嘴组件积碳的方法”(申请号：200910060259.4)公布了一种采用稀土催化加速燃油分解的方法。它通过精细加工燃油喷嘴内表面并在内表面镀上稀土氧化物抗积炭涂层，使燃油形成气态产物，而减少胶质和积炭形成概率。该方法并没有解决积炭形成是燃油过热这一本质原因，另外，涂层损耗也会降低喷嘴的使用寿命。

发明内容

本发明针对喷嘴积炭的特点，根据燃烧装置对喷嘴防积炭的要求，提出了一种用传统燃油喷嘴连接套管的方案，通过减小传递燃油喷嘴的热流，使其达到长时间工作不积炭的目的。

本发明的技术方案如下：

一种离心式防积炭燃油喷嘴，由离心式内喷嘴和套管组成；

所述离心式内喷嘴的结构、工作原理和设计方法为发动机领域所公知，可参见“液体火箭发动机设计(上)”(朱宁昌，宇航出版社，1994年，PP370～380)；

所述套管为梯形旋成体结构，上端为圆筒形结构，套管内径为离心式内喷嘴的外径，优选的，套管外径比内径大2～6mm；

为避免在端面形成过大的回流区，防止燃气回流到端面，并传递到喷嘴内，套管下端为锥形旋成体结构，锥尖与内喷嘴端面齐平，锥母线与轴线的夹角一般选取为30～60度，优选为40～50度；套管总长度与内喷嘴长度一样。

套管的厚度由强度要求确定，其设计方法为结构设计领域公知。

所述离心式内喷嘴和真空套管的材料均为不锈钢，可以用焊接方式连接，也可以采用螺纹方式连接。

根据不同的使用要求，套管与内喷嘴之间可封闭为真空、常压空气或者氮气，其中，封闭真空的隔热效果最好。

内喷嘴壳体原来直接和热壁面接触，采用本发明后，内喷嘴壳体通过真空套管与壁面接触，来自壁面的热流被套管隔绝或减小到很低的水平，其热量难以传递到内喷嘴和其内流动的燃油上，燃油温度将保持为较低值，不会达到燃油裂解温度，从而能有效防止积炭。

采用本发明可以取得以下技术效果：

本发明已在某超燃冲压发动机上采用并取得良好效果，也可应用到航空发动机、内燃机等燃烧装置。

附图说明

图1：现有离心式燃油喷嘴结构示意图；

图2：本发明的离心式防积炭燃油喷嘴；

图3：未采用本发明时出现积炭，燃油流量急剧下降；

图4：采用本发明后，未发生积炭，燃油流量平稳。

附图标记

1.燃油

2.离心式内喷嘴

3.生成的积炭

4.热流

5.真空套管

6.真空或封闭的气体

具体实施方式

图1是现有离心式燃油喷嘴结构示意图。燃油1从喷嘴上端流入，进入到内喷嘴2中，通过一个螺旋通道喷入到燃烧室中。传入到内喷嘴2的热流4如图中箭头所示，包括从端面传入的燃气热量和从侧壁面传入到内喷嘴2的热量。这些热量将导致在喷嘴收缩点出现积炭3，一旦出现积炭3，燃油1的流量将变小，加速了积炭的形成，并堵塞整个通道。

图2是本发明的离心式防积炭燃油喷嘴。它是在图1所示的离心式燃油内喷嘴2基础上，包覆真空套管5，以减小从侧壁传入到燃油1的热量。

真空套管5为梯形旋成体结构；旋成体的内径为离心式内喷嘴的外径，旋成体外径比内径大3mm，旋成体的长度与内喷嘴长度一样；为避免在端面形成过大的回流区，旋成体端面为锥形，锥尖与内喷嘴端面齐平，锥母线与轴线的夹角为45度；真空套管的厚度根据强度计算确定为2mm；由于本实施例的热流密度不是很高，所以真空套管5与内喷嘴2直接焊接，其内封闭了常压空气6。

图3是未采用本发明时出现积炭，燃油流量急剧下降；流量在5秒时为较稳定值0.145kg/s，随后由于积炭原因，流量急剧下降，到30秒时流量已经下降到设定值的15％。流量未完全降低为0的原因是：由于流量过低，发动机已经熄火，没有高温热流继续传递到喷嘴。

图4是采用本发明后，未发生积炭，燃油流量平稳。初始时的较高流量是由于燃油在管路中突然流动造成的，310秒时关闭燃油，在整个过程中流量平稳，说明未发生积炭。

Claims

1.一种离心式防积炭燃油喷嘴，由离心式内喷嘴和套管组成，所述套管为梯形旋成体结构，上端为圆筒形结构，内径为离心式内喷嘴的外径，套管下端为锥形旋成体结构，锥尖与内喷嘴端面齐平，锥母线与轴线的夹角为30～60度，套管总长度与内喷嘴长度一样。

2.权利要求1所述的离心式防积炭燃油喷嘴，其特征在于：套管外径比套管内径大2～6mm。

3.权利要求1或2所述的离心式防积炭燃油喷嘴，其特征在于：锥母线与轴线的夹角为40～50度。

4.权利要求3所述的离心式防积炭燃油喷嘴，其特征在于：锥母线与轴线的夹角为45度。

5.权利要求1或2所述的离心式防积炭燃油喷嘴，其特征在于：套管与内喷嘴之间封闭为真空、常压空气或者氮气中的一种。