CN112902231B - 一种新型的传热式空气雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型热传递式空气雾化喷嘴结构。此喷嘴以多孔介质的导热、辐射效应和蓄热能力，以解决当前燃油雾化不足的问题。喷嘴尾部的发散型热罩由多孔介质材料制成，吸收燃料燃烧时产生的热量并向上游辐射传递；新型中心锥主要由内部空心油腔、导油扇和引气管组成。油腔燃油吸收热量后部分蒸发形成气态燃油，内外压差增加，使得燃油加速喷出，与逆向气流碰撞雾化；导油扇沿中心锥主体周向排列，其扇叶倾斜角度与旋流器类似，产生的旋流作用加强了燃油与空气的掺混程度，同时也增加了混气在喷嘴内的滞留时间。内环混气向下游扩展，直至中心锥的唇口与外环气流形成相剪切的冲击。此结构有效增强了燃油的雾化效果，并降低污染物排放。

Description

一种新型的传热式空气雾化喷嘴

技术领域

本发明属于航空发动机燃烧室领域，具体涉及一种传热式空气雾化喷嘴。

背景技术

随着航空发动机燃烧室压比、温升的不断提高，离心式喷嘴在使用中暴露出一些问题，比如，在高压下喷雾锥角变小影响了主燃区的燃油分布，增加了冒烟和辐射，也使燃烧室出口温度场品质变差。而且，由于燃气轮机的燃油规范放宽，燃烧室的冒烟、积碳和壁温高等问题尤为严重。相比之下，空气雾化喷嘴能够保证燃油和气流实现充分而有均匀地混合等优点，因此运用的较为广泛。高性能发动机的发展，对燃油供给***提出了一些更高的要求：在更短的燃烧区内完全燃烧，以缩短燃烧室长度、减轻其重量；更好地主持主燃区浓度场；更高要求的点火性能及贫油熄火范围；更低的污染物排放，以满足未来航空燃气轮机低污染排放要求。

传统的空气雾化喷嘴结构使得燃油在向下游的流动过程中受到内、外两股旋流空气剪切力的作用，形成比较小的雾化颗粒。这种空气雾化喷嘴的不足之处在于一次雾化容易造成燃油雾化质量不佳，进而导致温度分布不均匀，影响整个燃烧室的燃烧效率。考虑到另一种喷嘴——蒸发管的结构特性，融合两者的优点，在此基础上可以发展一种组合式的空气雾化喷嘴。

本发明利用多孔介质的特性，吸收燃烧产生的热量并通过多孔介质的导热和辐射效应传递给中心锥和上游气体，使得一部分燃油在混合腔内可直接蒸发为气态，大大增强了燃油的雾化作用，也解决了燃料空间分布不均的问题，从而实现提高燃烧效率，减小污染物排放的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种传热式空气雾化喷嘴，以解决现阶段出现的燃油雾化不足、燃料空间分布不均等的问题。本技术中，置于火焰区中的多孔介质热罩将燃料燃烧产生的热量导热和辐射给中心锥，并不断地向上游传递，同时利用多孔介质自身的蓄热能力回收燃烧产生的高温烟气余热；油腔内的燃油吸热增大了内外压差，燃油从喷油孔加速喷出破碎成细小油滴，完成一次雾化；喷出的燃油与混合腔进口的气流交叉，形成相剪切的冲击，燃油进行了二次雾化，与此同时，热量传递使得部分燃油直接蒸发成气态，不仅增加了燃油的雾化效果，而且加强了与空气的掺混作用；导油扇充当了旋流器的作用，增加了混合腔内部气流紊乱度，使两者混合更加均匀；在主气流的高速吹动下，小油滴向下游扩展直至衬套喉道，此时的混气在窄通道内加速，与外环气流相碰撞撕裂，油滴经三次雾化，形成均匀的油雾，进而优化燃油雾化效果。

导气管中的气体在收缩通道中不断加速，并通过尾部喷气孔喷涌而出，剧烈扰动着火焰筒头部的气流，并加速气体在多孔介质孔隙内部产生漩涡、分流与汇合，并穿过多孔介质热罩，增强热罩中心气流的掺混作用，大大降低发烟度和热辐射量，降低污染物排放，有效提高燃烧室的燃烧效率。

技术方案

本发明的目的在于提供一种传热式空气雾化喷嘴。

本发明技术方案如下：

一种传热式空气雾化喷嘴，采用了中心锥和扩散型多孔介质热罩相结合的三次雾化方案，其特征在于：混合腔内部采用了中心锥，其内壁面与中心锥外壁面形成的气流通道逐渐收缩，混合腔壁面和中心锥内部均设置油腔，通过导油扇连接形成通畅的油路；中心锥的头部设置喷油孔，主体部分被导气管轴向贯穿；导气管内部气流通道收缩，其尾部设置喷气孔；发散型多孔介质热罩置于燃烧室内部，其头部与中心锥尾部连接。

所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：各导流扇大小相同，并沿周向均匀对称地排列在中心锥***，其个数分布和间距应根据中心锥实际外径大小进行设置；内部设置多个大小相同的圆柱导油腔，使燃油从燃油孔进入中心锥油腔；外部扇叶沿周向偏斜一定角度，形状与旋流器相类似。

所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：中心锥设置在混合腔中心，两者中轴线重合；中心锥大致呈“牵牛花”型，其尾部超出衬套少许，头部壁面上沿周向对称分布着大小相同的喷油孔，排列方式可顺排亦可插排。

所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：导气管轴向贯穿中心锥头尾，且两者中轴线重合；导气管直径沿轴向方向线性减小，头部位于混合腔进口处，尾部直至中心锥尾部，且在导气管尾部壁面上，沿周向均匀分布着大小相同的喷气孔，具体个数分布和间距应根据导气管的外径大小和尾部长度进行设置。

所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：多孔介质热罩的头部与中心锥的尾部相连接，整体沿轴向方向呈阶梯发散型圆桶状，具体阶梯数量和间距应根据燃烧室火焰筒的长度进行设置。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用多孔介质热罩，利用其对燃烧产生的热量的导热和辐射效应作用，不断地向上游传递热量使燃油部分直接蒸发成气态，同时预热新鲜燃气，极大程度的增强了燃油的雾化效果；而多孔介质自身的蓄热能力可再次向经过的混气传热，加强燃油的燃烧效率。(2)本发明中多孔介质热罩与中心锥相连，即多孔介质与固体金属直接接触，相对于非金属、气态和液态的物质，其传热速度更快，从而使得中心锥油腔内的燃油吸收热量更快，促进燃油的雾化速度。(3)本发明中中心锥采用“牵牛花”型结构，一方面以混合腔壁形成逐渐收缩的窄通道，另一方面尾部凹腔，增加了内部燃油与主体壁面的接触面积，即增加了金属壁面向燃油的传热面积，使得热量传递的更多更快。(4)本发明中导气管中的气体通过尾部喷气孔加速喷出，剧烈扰动着火焰筒头部的气流，加速气体在多孔介质孔隙内部产生漩涡、分流与汇合，并穿过多孔介质热罩，增强热罩内中心气流的掺混作用，大大降低发烟度和热辐射量。

附图说明

图1：传热式空气雾化喷嘴的示意图

图2：传热式空气雾化喷嘴的截面视图

图3：传热式空气雾化喷嘴的侧视图

图4：中心锥的示意图

图5：中心锥的侧视图

图中：1-混合腔，2-燃油管，3-混合腔油腔，4-衬套，5-多孔介质热罩，6-衬套旋流器，7-导气管，8-中心锥油腔，9-喷油孔，10-导油腔，11-喷气孔，12-导油扇，13-尾部凹腔，14-中心锥

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

结合图上述附图，本发明提供了一种有效提高液体燃料雾化效果并解决燃料空间分布不均问题的传热式空气雾化喷嘴。

具体过程：

气体从喷嘴头部进入，一部分进入导气管7作用于喷嘴尾部，另一部分进入混合腔1形成内环主气流，而外环气流经衬套4进入喷嘴，其内部的旋流器6增加了气流的紊乱度，以增强燃油第三次的雾化效果。混合腔1的壁面分别与衬套4和中心锥14的壁面形成逐渐收缩的窄通道，气流在此类通道中不断加速，直至在中心锥14的尾部唇口处达到最大值。燃油从燃油管2进入混合腔油腔3，导油扇12内设有导油腔10，导油扇12连接着混合腔1和中心锥14，使得内部油路形成通路，燃油最终进入中心锥油腔8。

喷嘴尾部的多孔介质热罩5置于火焰区中，燃料燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和辐射效应不断地向中心锥14上游传递并预热新鲜燃气，同时利用多孔介质自身的蓄热能力回收燃烧产生的高温烟气余热。中心锥油腔8中的燃油吸收热量，由理想状态方程可知，内外压差增加，然后从头部喷油孔9中高速喷出，燃油一次雾化成细小油滴；同时因为中心锥14的金属管壁传进大量的热，部分燃油直接蒸发为气态，气压油压差并存，促进了燃油向外部喷出，也增强了燃油的一次雾化效果。喷出的细小油滴和气态燃油混合物与进口内环气流相互撞击撕裂，二次雾化成更小的油滴。导油扇12在内部发挥着旋流器的作用，加强蒸了燃油和空气的掺混程度，同时可以增加油气混合物在混合腔1内的停留时间，使混气吸收更多下游传递来的热量而预热，加速了燃油的破碎雾化蒸发过程。在高速内环主气流的吹动下，空气中的油雾向下游扩展至唇口，内环混气在此处达到最大流速，同时外环气流加速流至唇口，与内环混气交叉，形成相剪切的冲击，油滴经三次雾化，形成均匀的油雾，进而优化燃油雾化效果。

导气管7中的气体在收缩通道中不断加速，并通过尾部喷气孔11喷涌而出，剧烈扰动着火焰筒头部的气流，加速气体在多孔介质孔隙内部产生漩涡、分流与汇合，并穿过多孔介质热罩，增强热罩5中心气流的掺混作用，大大降低发烟度和热辐射量，降低污染物排放，有效提高燃烧室的燃烧效率。

Claims (5)

1.一种传热式空气雾化喷嘴，采用了中心锥和多孔介质热罩相结合的三次雾化方案，其特征在于：混合腔头部进气，其内壁面与中心锥外壁面形成的气流通道逐渐收缩，混合腔壁面和中心锥内部均设置油腔，通过导油扇连接形成通畅的油路；中心锥的头部设置喷油孔，主体部分被导气管沿轴向贯穿；导气管内部气流通道收缩，其尾部设置喷气孔；发散型多孔介质热罩置于燃烧室内部，其头部与中心锥尾部连接，多孔介质热罩利用自身的蓄热能力回收燃烧产生的热量，并以导热和辐射的方式不断向上游传递热量，油腔内的燃油吸热增大了内外压差，故从喷油孔加速喷出破碎成细小油滴，完成一次雾化；喷出的细小油滴与混合腔进口的气流交叉，形成相剪切的冲击，完成二次雾化，且热量传递使得部分燃油直接蒸发成气态，增加了燃油的雾化作用和与空气的掺混作用；衬套的喉道位于混合腔出口，二次雾化后的燃油混气在衬套喉道处与外环气流相碰撞撕裂，完成三次雾化。

2.根据权利要求1所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：各导油扇大小相同，并沿周向均匀对称地排列在中心锥***，其个数分布和间距应根据中心锥实际外径大小进行设置；内部设置多个大小相同的圆柱导油腔，使燃油从燃油孔进入中心锥油腔；外部扇叶沿周向偏斜一定角度，形状与旋流器相类似。

3.根据权利要求1所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：中心锥设置在混合腔中心，且两者中轴线重合；中心锥大致呈“牵牛花”型，其尾部超出衬套少许，其头部壁面上沿周向对称分布着大小相同的喷油孔，排列方式为插排。

4.根据权利要求1所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：导气管沿轴向贯穿中心锥，且两者中轴线重合；导气管直径沿轴向方向线性减小，头部位于混合腔进口处，尾部直至中心锥尾部，且在导气管尾部壁面上，沿周向均匀分布着大小相同的喷气孔，具体个数分布和间距应根据导气管的外径大小和尾部长度进行设置。

5.根据权利要求1所述的一种传热式空气雾化喷嘴，其特征在于：多孔介质热罩的头部与中心锥的尾部相连接，整体沿轴向方向呈阶梯发散型圆桶状，具体阶梯数量和间距应根据燃烧室火焰筒的长度进行设置。

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