CN109668172B - 一种可控脉动涡流的高速燃油掺混器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控脉动涡流的高速燃油掺混器,包括：拉瓦尔喷管、掺混流道、涡流发生器、平衡腔和步进电机；其中所述拉瓦尔喷管和所述掺混流道构成主流道；所述掺混器壁面包括所述平衡腔、所述平衡腔进气孔和所述进油孔；所述涡流发生器包括所述中心转轴和所述三角楔形块；所述步进电机和所述涡流发生器通过所述铰链相连；主流空气通过所述拉瓦尔喷管加速后形成超声速气流，在所述涡流发生器作用下形成涡流；所述平衡腔可以防止主流道气体溢出；通过控制所述步进电机，可以控制所述涡流发生器的姿态，进而形成可控脉动涡流；燃油通过所述进油孔，注入所述掺混流道，实现与主流的高速掺混；掺混气通过所述掺混气出口流出。本发明极大提升了燃油与空气的掺混效率。
Description
技术领域
本发明属于燃油掺混器领域，尤其涉及一种可控脉动涡流的高速燃油掺混器。
背景技术
吸气式发动机是现行航空航天飞行器主要的动力形式，燃油与空气的掺混技术是该类发动机涉及的关键技术之一。掺混效率直接决定了燃烧的进程、效率及稳定性，进而决定发动机的性能。因此，燃油掺混器的设计优化对于吸气式发动机至关重要。
目前吸气式发动机采用的燃油掺混器形式主要有旋流器、凹腔、横向射流及同轴射流等。旋流器主要应用于航空发动机，它具有较高的掺混效率，但是设计加工相对复杂，也不适用于超声速吸气式发动机的燃油掺混；凹腔适用于低速、高速的燃油掺混，但是其掺混区较小，仅存在于凹腔内部，同时会诱发燃烧室热声振荡等问题；横向射流不需要物理结构，有较大的掺混区，但是其存在非定常性，致使适用工况受限；同轴射流与横向射流类似，其优点在于引入的阻力较小，但是其掺混效率较低。此外，上述掺混器形式均只能在特定的工况下工作，不具有可调、可控的特点。因而亟需对掺混器的形式及原理进行优化设计，以提升吸气式发动机的设计水平。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可控脉动涡流的高速燃油掺混器，可控脉动涡流的工作模式提升了燃油掺混器的掺混效率和适用工况。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种可控脉动涡流的高速燃油掺混器,包括：拉瓦尔喷管、掺混流道、涡流发生器、平衡腔和步进电机；其中，所述拉瓦尔喷管和所述掺混流道构成主流道；所述掺混器壁面包括所述平衡腔、所述平衡腔进气孔和所述进油孔；所述涡流发生器包括所述中心转轴和所述三角楔形块；所述步进电机和所述涡流发生器通过所述铰链相连；掺混气通过所述掺混气出口流出。
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述掺混流道中，径向均布若干套所述涡流发生器，所述步进电机的数量和所述涡流发生器的数量一致；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述掺混器壁面有若干所述平衡腔进气孔和若干所述进油孔；所述平衡腔进气孔和所述进油孔数量比为0.5；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述平衡腔与所述掺混流道内静压之比为1.1～1.3；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，由所述进油孔注入的燃油与所述掺混流道中的空气的动量比为10～100；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述空气进气口直径Φa与所述拉瓦尔喷管直径Φb之比为8～10；所述空气进气口直径Φa与所述掺混流道直径Φc之比为0.9～1.1；所述拉瓦尔喷管直径Φb与所述掺混气出口直径Φd之比为1.3～2；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述进油孔直径Φe与所述平衡腔进气孔直径Φf之比为0.1～0.3；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述掺混气出口长度L1与所述掺混气出口直径Φd之比为5～10；
上述可控脉动涡流的高速燃油掺混器中，优选的，所述三角楔形块长度L2与所述三角楔形块宽度L3之比为1～3；所述三角楔形块角度θ为20°～45°。
进一步通过控制涡流发生器的振幅，使得进油孔的出口位置形成脉动涡流。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明极大限度的缩短了掺混时间，提高了掺混效率，同时拓展了燃油掺混器的适用工况。为了缩短掺混时间，掺混器前端采用拉瓦尔喷管设计，以对主流空气进行加速；掺混器中设计了涡流发生器，利用其波系结构和涡流结构增强了燃油和空气的掺混，提升了掺混效率；此外，本发明采用步进电机控制涡流发生器姿态，进而进一步增强了掺混，拓展了适用工况。
附图说明
图1是本发明实施例提供的可控脉动涡流的高速燃油掺混器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的涡流发生器的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的可控脉动涡流的高速燃油掺混器的结构示意图。如图1所示，该可控脉动涡流的高速燃油掺混器包括：拉瓦尔喷管1、掺混流道8、涡流发生器9、平衡腔2和步进电机3；其中，
拉瓦尔喷管1和所述掺混流道8构成燃油掺混器的主流道；拉瓦尔喷管1的出口端铰接涡流发生器9；掺混器壁面6内设置平衡腔2，步进电机3安装在所述的平衡腔2内且与涡流发生器9之间通过铰链10相连，通过步进电机3控制涡流发生器9的姿态，通过控制涡流发生器9的振幅，使得进油孔5的出口位置形成脉动涡流；掺混器壁面6上设置与掺混流道8连通的进油孔5，通过进油孔5进入的燃油与所述脉动涡流进行掺混，得到的掺混气通过设置在掺混流道8后的掺混气出口7流出。
图2是本发明实施例提供的涡流发生器的结构示意图。如图2所示，该涡流发生器9包括中心转轴11和三角楔形块12；三角楔形块12由一个三角形以底边为回转中心，顶点回转一定角度得到的回转体；所述的底边安装中心转轴11；通过中心转轴11将三角楔形块12安装在拉瓦尔喷管1的出口端。
主流空气通过拉瓦尔喷管1加速后形成超声速气流，在涡流发生器9作用下形成涡流；平衡腔2中的气压高于掺混流道8，由此可以防止主流道气体溢出，达到密封的效果；通过控制步进电机3，可以控制涡流发生器9的姿态，进而形成可控脉动涡流；燃油通过进油孔5，注入所述掺混流道8，实现与主流的高速掺混；掺混气通过掺混气出口7流出。
其中掺混流道8中，径向均布4～8套涡流发生器9，步进电机3的数量和涡流发生器9的数量一致；掺混器壁面6有4～6个平衡腔进气孔4和8～12个进油孔5；平衡腔2与掺混流道8内静压之比为1.1～1.3；进油孔5注入的燃油与掺混流道8中的空气的动量比为10～100；空气进气口直径Φa与拉瓦尔喷管直径Φb之比为8～10；空气进气口直径Φa与掺混流道直径Φc之比为0.9～1.1；拉瓦尔喷管直径Φb与掺混气出口直径Φd之比为1.3～2；进油孔直径Φe与平衡腔进气孔直径Φf之比为0.1～0.3。
如图2，掺混气出口长度L1与掺混气出口直径Φd之比为5～10；三角楔形块长度L2与三角楔形块宽度L3之比为1～3；三角楔形块角度θ为20°～45°。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (11)
1.一种可控脉动涡流的高速燃油掺混器,其特征在于包括：拉瓦尔喷管(1)、掺混流道(8)、涡流发生器(9)、平衡腔(2)和步进电机(3)；其中，
拉瓦尔喷管(1)和所述掺混流道(8)构成燃油掺混器的主流道；拉瓦尔喷管(1)的出口端铰接涡流发生器(9)；掺混器壁面(6)内设置平衡腔(2)，步进电机(3)安装在所述的平衡腔(2)内且与涡流发生器(9)之间通过铰链(10)相连，通过步进电机(3)控制涡流发生器(9)的姿态，进而形成可控脉动涡流；掺混器壁面(6)上设置与掺混流道(8)连通的进油孔(5)，通过进油孔(5)进入的燃油与所述脉动涡流进行掺混，得到的掺混气通过设置在掺混流道(8)后的掺混气出口(7)流出。
2.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：所述的涡流发生器(9)的数量与进油孔(5)数量一致，且周向均布；步进电机(3)的数量和所述涡流发生器(9)的数量一致。
3.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：掺混器壁面(6)上设置若干与平衡腔连通的平衡腔进气孔(4)；所述平衡腔进气孔(4)和所述进油孔(5)数量比为1：1。
4.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：所述平衡腔(2)与所述掺混流道(8)内静压之比为1.1～1.3。
5.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：由所述进油孔(5)注入的燃油与所述掺混流道(8)中的空气的动量比为10～100。
6.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：空气进气口直径Φa与所述拉瓦尔喷管喉部直径Φb之比为8～10；所述空气进气口直径Φa与所述掺混流道直径Φc之比为0.9～1.1；所述拉瓦尔喷管喉部直径Φb与所述掺混气出口直径Φd之比为1.3～2。
7.根据权利要求3所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：所述进油孔直径Φe与所述平衡腔进气孔直径Φf之比为0.1～0.3。
8.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：所述掺混气出口长度L1与所述掺混气出口直径Φd之比为5～10。
9.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：所述的涡流发生器(9)包括中心转轴(11)和三角楔形块(12)；所述的三角楔形块(12)由一个三角形以底边为回转中心，顶点回转一定角度得到的回转体；所述的底边安装中心转轴(11)；通过中心转轴(11)将三角楔形块(12)安装在拉瓦尔喷管(1)的出口端。
10.根据权利要求9所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：所述三角楔形块为等腰三角形楔形块；三角形的腰长L2与所述三角楔形块底边长L3之比为1～3；所述三角楔形块回转角度θ为20°～45°。
11.根据权利要求1所述的可控脉动涡流的高速燃油掺混器，其特征在于：通过控制涡流发生器(9)的振幅，使得进油孔(5)的出口位置形成脉动涡流。
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