CN108644810A - 一种双预膜式超声波喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双预膜式超声波喷嘴，特别适用于燃烧器用的超声波雾化喷嘴，属工业燃烧领域。它包括喷管、中心杆、共振腔、平垫圈和六角螺母，喷管出口段为收敛喷管，中心杆左端内部中空，中心杆右端为实心杆，且实心杆外表面攻螺纹，共振腔、平垫圈和六角螺母由中心杆连接。由于采用了双预膜式喷油和收敛喷管式设计，使得该喷嘴可实现二次雾化，燃油流量和空气流量可根据需要调整结构尺寸以满足，同时可以调节共振腔到喷管出口距离得到不同的喷雾角度。本发明结构简单，气液比小，雾化效果好，雾化角度可变范围大，充分利用超声波发生器的结构特点、流场特性和声压特性，从结构和原理上都大大改善了燃油的雾化质量，提高燃烧效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种双预膜式超声波喷嘴，属于流体雾化技术领域。
背景技术
燃烧***是航空航天推进装置最重要的组成部分之一，采用液体燃料的燃烧***是通过雾化器将燃料雾化成均匀的、细小的液滴状液雾，然后再掺混、蒸发，最后燃烧并将高温高压燃气排出推进装置以获得推力。因此，雾化器是保证燃烧稳定、高效、低排放的关键部件之一。
喷嘴是雾化器的一种具体形式，是使用液体燃料的燃烧装置中的关键部件。超声波喷嘴是80年代基于超声波发生器发展起来的一种新型喷嘴，由于超声波的产生方式不同，目前超声波喷嘴主要分为两类：电动式超声波喷嘴和流体动力式超声波喷嘴。电动式超声波喷嘴利用超声波发生器产生的超声波对液体进行雾化，这类喷嘴结构紧凑，雾化效果好，但外装电器设备，成本较高，且其超声波发生器的磁性转变点(一般为300℃左右)受限，不适用于高温环境。而流体动力式超声波喷嘴利用高速气流从喷嘴喷射到共振腔产生超声波对液体进行雾化，这类喷嘴工作压力范围宽，处理量大，结构简单，成本低，应用前景广阔。本文设计的双预膜式超声波喷嘴属于流体动力式超声波喷嘴。
目前研究中存在的流体动力式超声波喷嘴，多采用从燃油单预膜或直接喷射进共振腔的利用超声波雾化的方式。这两种雾化方式的超声波喷嘴大多存在气液比太大或雾化效果不够好等问题。超声波发生器的结构特点、流场特性和声压特性并未得到充分利用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双预膜式超声波喷嘴，充分利用超声波发生器的结构特点、流场特性和声压特性，克服普通流体动力式超声波喷嘴气液比太高、雾化效果不够好的缺陷，并且结构简单、雾化角可调。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双预膜式超声波喷嘴，包括喷管、中心杆、共振腔、平垫圈和六角螺母；
其中，所述喷管同轴套接固定于中心杆左端，且共振腔套接固定于中心杆右端；所述喷管的喷口段为收敛段，压缩空气由喷管进口进入，从喷管收敛口喷出，并在喷口后方形成超音速气流，气流运动到下游共振腔处反射产生一道周期性振荡的不稳定激波；
所述中心杆为圆杆，其左端中空，形成燃油通道，且中空段上开设两路油路，第一路油路喷出的燃油在喷管收敛段内形成第一处油膜，第二路油路喷出的燃油在喷管与共振腔之间的中心杆外表面形成第二处油膜。
压缩空气由喷管进口端进入，经喷管的收敛段后喷出，气流在喷口处经膨胀后产生成为超声速气流，当超声速气流流动到下游共振腔时经反射产生一道不稳定的斜激波，激波振荡产生压力脉动，当压力脉动频率和共振腔固有频率相同时，在中心杆外侧产生共振激波即超声波；并且，共振腔到喷管出口之间中心位置的上游(喷管喷口位置)和下游(共振腔前区域)是超声波喷嘴的强声压区。
燃油从中心杆进入，在中心杆内分两路喷出，分别在喷管和中心杆上形成两处油膜。由第一路喷出的燃油，在喷管收敛段内壁面形成第一处油膜；由第二路喷出的燃油，在喷油孔下游中心杆外表面形成第二处油膜。两路喷油孔都分两排，两排喷油交叉分布，且每一排喷油孔在中心杆轴向均匀分布，从而实现雾化均匀。
第一处油膜在空气来流和上喷管喷口位置的强声压作用下破碎为小液滴，然后随空气喷出喷管，在超音速气流和不稳激波作用下完成一次雾化；第二处油膜在喷孔下游强声压和振荡激波的作用下完成一次雾化。然后，已经完成一次雾化的燃油在中心杆外侧超声波的作用下完成二次雾化，从而降低雾化粒径。喷雾最后向喷嘴轴向下游展开一定角度流动。
本发明中，喷管出口段为收敛喷管，可增强喷口流场的稳定性，且可根据用气量适当改变喷口面积；中心杆左端内部中空，在中空段开设喷油孔，喷油孔位置选定依据是超声波发生器的流场特性；中心杆右端为实心杆，且实心杆外表面攻螺纹，共振腔、平垫圈和六角螺母由中心杆连接，共振腔到喷管出口的距离可由六角螺母调节，从而实现雾化角度可调。
进一步的，每路油路包括两排喷油孔，每排喷油孔均沿中心杆周向均匀分布，每一路油路的两排喷油孔交错排列，从而实现雾化均匀。
优选的，所述第一路油路的两排喷油孔中每一排包括4个呈90°周向均布的喷油孔，且两排喷油孔呈45°交错排列。
优选的，所述第二路油路的两排喷油孔中每一排包括6个呈60°周向均布的喷油孔，且两排喷油孔呈30°交错排列。
进一步的，所述共振腔为轴对称凹腔，其左端外侧倒斜角。
进一步的，所述中心杆的右端为实心杆，实心杆尾端外表面攻螺纹，所述共振腔通过右侧紧贴的平垫圈和六角螺母套接固定于中心杆右端，实现雾化角度可调。
有益效果：本发明提供的一种双预膜式超声波喷嘴，通过对喷管喷口段、中心杆喷油位置和喷油孔的合理组合，将燃油分两处预膜，大大增加了空气与燃油的接触面积，而且充分利用了超声波发生器的结构特点、流场特性和声压特性，从结构和原理上都大大改善了燃油的雾化质量，提高燃烧效率；
喷油孔分多排设计，且周向交叉分布，提高了雾化均匀性，将改善燃烧温度场；将喷管喷口段设计为收敛式，空气用量得到有效控制；共振腔到喷口距离通过六角螺母调节，实现雾化角度可调；气液比低，额定工况下为0.2～0.5，现有技术气液比通常在1以上，大大改善使用的限制条件；该双预膜式超声波喷嘴雾化粒径低，雾化均匀性好，雾化角可调范围大，气液比低，结构简单，在先进燃烧***中使用有显著的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2-3分别为本发明实施例中第一路油路两排喷油孔的剖视图；
图4-5分别为本发明实施例中第二路油路两排喷油孔的剖视图；
图6为本发明实施例的中心杆右端的E-E向剖视图；
图中包括：1-喷管，2-中心杆，3-共振腔，4-平垫圈，5-六角螺母，6-中心杆实心螺纹段，7、8-第一路油路的两排喷油孔，9、10-第二路油路的两排喷油孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种双预膜式超声波喷嘴，包括喷管1、中心杆2、共振腔3；
其中，所述喷管1同轴套接固定于中心杆2左端，且共振腔3套接固定于中心杆2右端；压缩空气由喷管1左端进口进入，从喷管1右端的收敛喷口喷出，并在喷口后方形成超音速气流，气流运动到下游共振腔3处反射产生一道周期性振荡的不稳定激波；
所述中心杆2为圆杆，其左端中空形成燃油通道，且中空段上开设两路油路，第一路油路喷出的燃油在喷管1收敛段内壁面形成第一处油膜，第二路油路喷出的燃油在喷管1与共振腔3之间的中心杆2外表面形成第二处油膜；每路油路包括两排喷油孔，每排喷油孔均沿中心杆2周向均匀分布，每一路油路的两排喷油孔交错排列。
如图2、3所示，所述第一路油路的两排喷油孔7、8中每一排包括4个呈90°周向均布的喷油孔，且两排喷油孔呈45°交错排列。
如图4、5所示，所述第二路油路的两排喷油孔9、10中每一排包括6个呈60°周向均布的喷油孔，且两排喷油孔呈30°交错排列。
本实施例中，所述共振腔3为轴对称凹腔，其左端外侧倒斜角；所述中心杆2的右端为实心杆，实心杆尾端外表面攻螺纹，形成如图6所示的中心杆实心螺纹段6，所述共振腔3通过右侧紧贴的平垫圈4和六角螺母5套接固定于中心杆2右端。
上述喷嘴的工作过程如下所述：
使用时，压缩空气由喷管1进口进入，从喷管1的收敛喷口喷出，由喷管1喷出的压缩空气在喷口后方形成超音速气流，气流运动到下游共振腔3处反射产生一道周期性振荡的不稳定激波，激波的压力振荡会在壁面附近产生高频率、高振幅的压力脉动，当激波脉动频率和共振腔3固有频率相同时会在中心杆2外侧产生超声波；喷管1出口到共振腔3之间中心位置的上游和下游分别存在一个强声压区；
燃油由中心杆2的进口进入，从中心杆2上的四排喷油孔7、8、9、10喷出：中心杆2上靠左侧的两排喷油孔9、10喷出的燃油，一部分在喷管1内壁面形成第一处油膜，另一部分在空气来流作用下破碎为小油滴，喷管1内壁面的油膜和喷管流道内的小油滴随空气喷出喷管，在喷口超音速气流和强声压的作用下完成一次雾化；中心杆2上靠右侧的两排喷油孔7、8喷出的燃油，在前方来流作用下在喷油孔下游的中心杆2表面形成第二处油膜，油膜在激波压力脉动和声压的作用下破碎、掺混，再完成一次雾化；已完成一次雾化的油雾，经超声波作用完成二次雾化。然后，喷雾沿喷嘴轴向下游展开一定角度运动。
本发明通过对喷管喷口段、中心杆喷油位置和喷油孔的合理组合，将燃油分两处预膜，大大增加了空气与燃油的接触面积，而且充分利用了超声波发生器的结构特点、流场特性和声压特性，从结构和原理上都大大改善了燃油的雾化质量(雾化粒径SMD可达到4～9μm)，提高燃烧效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双预膜式超声波喷嘴，其特征在于，包括喷管(1)、中心杆(2)、共振腔(3)；
其中，所述喷管(1)同轴套接固定于中心杆(2)左端，且共振腔(3)套接固定于中心杆(2)右端；压缩空气由喷管(1)左端进口进入，从喷管(1)右端的收敛喷口喷出，并在喷口后方形成超音速气流，气流运动到下游共振腔(3)处反射产生一道周期性振荡的不稳定激波；
所述中心杆(2)为圆杆，其左端中空形成燃油通道，且中空段上开设两路油路，第一路油路喷出的燃油在喷管(1)收敛段内壁面形成第一处油膜，第二路油路喷出的燃油在喷管(1)与共振腔(3)之间的中心杆(2)外表面形成第二处油膜。
2.根据权利要求1所述的一种双预膜式超声波喷嘴，其特征在于，每路油路包括两排喷油孔，每排喷油孔均沿中心杆(2)周向均匀分布，每一路油路的两排喷油孔交错排列。
3.根据权利要求1所述的一种双预膜式超声波喷嘴，其特征在于，所述第一路油路的两排喷油孔(7、8)中每一排包括4个呈90°周向均布的喷油孔，且两排喷油孔呈45°交错排列。
4.根据权利要求1所述的一种双预膜式超声波喷嘴，其特征在于，所述第二路油路的两排喷油孔(9、10)中每一排包括6个呈60°周向均布的喷油孔，且两排喷油孔呈30°交错排列。
5.根据权利要求1所述的一种双预膜式超声波喷嘴，其特征在于，所述共振腔(3)为轴对称凹腔，其左端外侧倒斜角。
6.根据权利要求1所述的一种双预膜式超声波喷嘴，其特征在于，所述中心杆(2)的右端为实心杆，实心杆尾端外表面攻螺纹，所述共振腔(3)通过右侧紧贴的平垫圈(4)和六角螺母(5)套接固定于中心杆(2)右端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181012 |