本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，特別是涉及一種發(fā)動機(jī)中使燃料和氧化劑充分混合以產(chǎn)生高效、穩(wěn)定燃燒的兩組元旋流自引射噴嘴。

背景技術(shù)：

噴嘴在發(fā)動機(jī)中控制燃油流量，使燃料流和氧化劑流充分混合，以產(chǎn)生高效、穩(wěn)定的燃燒。因此噴嘴在發(fā)動機(jī)燃油霧化燃燒動態(tài)系統(tǒng)中起著極其重要的作用。自1892年狄塞爾首先將直射式噴嘴用于柴油機(jī)，人們基于提高混合效率和實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定性的主要目的開展了大量的實(shí)驗(yàn)與理論研究，發(fā)展了不同類型的噴嘴，目前普遍應(yīng)用的噴嘴主要有以下幾種類型：直射式、氣動式、超聲霧化式和離心旋流式。目前，對無旋流的直噴噴嘴的理論分析較多，但對旋流噴嘴的射流特性及其破碎霧化機(jī)理的認(rèn)識尚不清晰。為了在有限的燃燒室內(nèi)部提高燃料流霧化和混合效率，離心旋流式噴嘴在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)燃燒室被廣泛采用。

現(xiàn)有離心旋流式噴嘴的工作原理是：燃料流在壓差作用下進(jìn)入旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動，在剪切力和離心力的共同作用下，再經(jīng)噴口噴出。離心旋流式噴嘴由于霧化性能好、結(jié)構(gòu)相對簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐等熱力設(shè)備上。目前國內(nèi)外對各種新型旋流噴嘴的設(shè)計(jì)及其流場優(yōu)化目前仍處于初步研究階段，尚無成熟的理論指導(dǎo)和工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

在旋流噴嘴基本流場結(jié)構(gòu)方面，1)datta和som等用數(shù)值模擬方法研究了旋流噴嘴的空氣芯、霧化錐角等特性參數(shù)對噴嘴流場的影響；2)seoksu和essam等通過實(shí)驗(yàn)觀察了旋流噴嘴出口平面傾斜角度對噴霧發(fā)展過程和霧滴大小分布的影響。

在新型嘴設(shè)計(jì)方面，1)danniel和corinnel等對一種有螺旋導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的壓力旋流噴嘴進(jìn)行了研究，王成軍、陳明功等也做過類似結(jié)構(gòu)噴嘴的實(shí)驗(yàn)和模擬，并對旋流室的螺旋升角及通道槽數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；2)胡鶴鳴等設(shè)計(jì)并通過數(shù)值模擬分析了一種用于切向/軸向組合式用于旋轉(zhuǎn)破碎磨料的射流噴嘴；3)christopher等對一種切片式旋流發(fā)生器的燃油噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了切片的幾何要素對旋轉(zhuǎn)非預(yù)混火焰穩(wěn)定性的影響。

由于現(xiàn)有的旋流噴嘴一般采用內(nèi)旋外混的形式設(shè)計(jì)，即借助離心力是的內(nèi)側(cè)流體向外側(cè)擴(kuò)散并與外側(cè)流體摻混。此類型的噴嘴由于內(nèi)側(cè)流體不聚攏會存在混合不均勻、混摻速度慢、燃燒穩(wěn)定性差以及容易燒蝕噴嘴等一系列缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種能夠使發(fā)動機(jī)中燃料和氧化劑充分混合以產(chǎn)生高效、穩(wěn)定燃燒的兩組元旋流自引射噴嘴。

特別地，本發(fā)明提供一種兩組元旋流自引射噴嘴，包括：

內(nèi)噴嘴，為中空的燃料射流通道；

外噴嘴，為中空的氧化劑射流通道，以同心且間隔的方式套在所述內(nèi)噴嘴外，底部封閉；

切向管道，由垂直于所述外噴嘴的外壁面的方向，均勻且傾斜的繞外壁面的底部分布，并與所述外噴嘴的內(nèi)部連通。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述內(nèi)噴嘴的高度低于所述外噴嘴的高度。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述內(nèi)噴嘴的壁面厚度至少為所述外噴嘴內(nèi)直徑的十分之一。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述內(nèi)噴嘴的內(nèi)直徑為所述外噴嘴內(nèi)直徑的五分之一至四分之一。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述內(nèi)噴嘴的燃料射流速度不低于所述外噴嘴的氧化劑射流速度的50％。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述外噴嘴的射流為螺旋上升，并對內(nèi)噴嘴的射流產(chǎn)生卷吸和軸向驅(qū)動后在內(nèi)噴嘴頂部和外噴嘴中心軸線處形成負(fù)壓區(qū)，該負(fù)壓區(qū)的壓力至少低于外噴嘴出口平均壓力的20％。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述外噴嘴的氧化劑射流的旋擰數(shù)至少不低于0.5，且不高于2.5。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述切向管道相對所述外噴嘴的外壁面之間的夾角小于90度。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述切向管道的數(shù)量為4～8根。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述切向管路的數(shù)量為6根，所述切向管道的傾斜角度為49度。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)燃料射流和氧化劑射流的快速均勻混摻、提高燃燒穩(wěn)定性和降低噴嘴的燒蝕損毀率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的噴嘴的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的噴嘴的剖視圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的噴嘴工作時(shí)的數(shù)值模擬示意圖；

圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的噴嘴的氧化劑射流速度場示意圖；

圖5是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的噴嘴的燃料流體積分?jǐn)?shù)形態(tài)示意圖；

圖6是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的噴嘴的火焰溫度場示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、2所示，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的一種兩組元旋流自引射噴嘴一般性地包括內(nèi)噴嘴20、外噴嘴10和切向管道30。

該內(nèi)噴嘴20為圓形的中空管，用于噴射燃料。該外噴嘴10同樣為圓形的中空管，以同心方式套在內(nèi)噴嘴20外部且與內(nèi)噴嘴20具備一定的距離，外噴嘴10的底部封閉，但不影響內(nèi)噴嘴20；外噴嘴10作為氧化劑的通道。該切向管道30由垂直于外噴嘴20的外壁面的方向，均勻且傾斜的繞外壁面的底部圓周分布，并與外噴嘴10的內(nèi)部連通；切向管道30用于將燃料噴入外噴嘴10內(nèi)，利用噴射的傾斜角度產(chǎn)生旋流再由外噴嘴的另一端噴出。具體切向管道30相對外噴嘴10的外壁面之間的夾角可以小于90度。而切向管道30的數(shù)量可以為4～8根，優(yōu)選為6根，其中數(shù)量的多少與產(chǎn)生的旋流均勻度有關(guān)。

在工作時(shí)，燃料射流自內(nèi)噴嘴20噴出，氧化劑射流從切向管道30進(jìn)入外噴嘴10，由于外噴嘴10的底部為封閉狀態(tài)，因此氧化劑射流自外噴嘴10與內(nèi)噴嘴20噴出燃料射流相同方向噴出，燃料射流和氧化劑射流在初始階段相互隔絕，燃料射流和氧化劑射流初始混合的位置在內(nèi)噴嘴20噴口附近。每個(gè)切向管道30與安裝點(diǎn)外噴嘴壁面切向呈小于90度的切向角度，以促使氧化劑射流產(chǎn)生自旋。

本實(shí)施方式中，內(nèi)噴嘴20出口高度需要低于外噴嘴10的高度，一般內(nèi)噴嘴20的高度可以為外噴嘴10高度的三分之一至二分之一，該結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)初始摻混效果。

此外，內(nèi)噴嘴20的壁厚至少為外噴嘴20內(nèi)直徑的十分之一左右，而內(nèi)噴嘴20的內(nèi)直徑可以為外噴嘴10內(nèi)直徑的五分之一至四分之一。外噴嘴10的氧化劑射流為螺旋上升，并對內(nèi)噴嘴20的燃料射流產(chǎn)生卷吸和軸向驅(qū)動后可在內(nèi)噴嘴20頂部和外噴嘴10中心軸線處形成負(fù)壓區(qū)，該結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大負(fù)壓區(qū)增強(qiáng)引射效果。

本實(shí)施方式的自引射工作原理利用龍卷風(fēng)的形成原理，龍卷風(fēng)由快速上升旋轉(zhuǎn)的直立中空管狀氣流構(gòu)成，同樣，噴嘴在工作時(shí)也可以形成同樣的自引射原理。

本實(shí)施方式的自引射工作原理為:外側(cè)流體(即氧化劑射流)以很高的速度(如:400m/s)從外側(cè)切向入外噴嘴10內(nèi)并流出形成軸向自旋射流，其同時(shí)具有軸向速度和切向旋轉(zhuǎn)速度。該螺旋上升的外側(cè)流體對中心流體(即燃料射流)產(chǎn)生卷吸和軸向驅(qū)動從而在內(nèi)噴嘴20頂部和外噴嘴10中心軸線處形成負(fù)壓區(qū)，該負(fù)壓區(qū)通過內(nèi)外壓差克服外側(cè)流體的離心力使得外側(cè)流體向中心軸線處聚攏。中心流體因頂部負(fù)壓區(qū)的抽吸而提速，即被外側(cè)流體引射，同時(shí)逐漸被外側(cè)自旋引射流體卷吸，使得氧化劑射流和燃料射流充分均勻混合。

結(jié)合自引射原理和噴嘴的具體結(jié)構(gòu)，其中發(fā)生自引射的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素包括：外側(cè)流體從外噴嘴噴出產(chǎn)生軸向射流、外側(cè)流體經(jīng)由切向管道產(chǎn)生外側(cè)流體自旋、內(nèi)噴嘴產(chǎn)生中心射流。其中外側(cè)流體的軸向速度、旋擰數(shù)和內(nèi)側(cè)流體的軸向速度是影響引射效果的主要配置參數(shù)。為保證足夠好的引射效果，即負(fù)壓區(qū)的壓力足夠低(通常要求低于外側(cè)流體出口平均壓力的20％)，要求中心射流的速度低于外側(cè)流體速度的50％。外側(cè)流體的旋擰數(shù)一般要求不低于0.5以保證較好的卷吸摻混效果，不高于2.5以防止離心力過大引起的外側(cè)流體周向外擴(kuò)。

如圖2所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，提供一個(gè)具體的自引射噴嘴具體尺寸說明：

內(nèi)噴嘴20直徑為1.3mm，壁厚為0.4mm，柱高為8mm；外噴嘴20直徑為5.5mm，柱高為13mm；內(nèi)噴嘴20相對外噴嘴10縮進(jìn)距離為5mm。切向管道30為6個(gè)且均勻分布與外噴嘴10壁面周向，直徑為1.84mm,長度為3mm,切向孔中心與中心軸距離為1.8mm，切向管道30與當(dāng)?shù)乇诿媲邢驃A角為49度。

以下以具體的圖示來說明本發(fā)明的三維數(shù)值模擬結(jié)果。

圖3的速度場分布表明在切向管道30和外噴嘴10流道作用下，氧化劑射流同時(shí)獲得了軸向速度和切向速度，呈螺旋式上升形態(tài)，燃料射流在出口后明顯提速。

圖4的燃料射流體積分?jǐn)?shù)形態(tài)直觀地顯示了其被外側(cè)流體卷吸直至完全摻混(體積分?jǐn)?shù)將為零)的過程，燃料在距離內(nèi)噴嘴20出口6d(d為內(nèi)噴嘴20直徑)的較短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全摻混，表明所展示結(jié)構(gòu)具有較好的摻混效果。

圖5表明在內(nèi)噴嘴20頂部和中心軸線區(qū)域產(chǎn)生了預(yù)期的負(fù)壓區(qū)，該負(fù)壓區(qū)的壓力低于氧化劑射流出口壓力20％，因而對外側(cè)氧化劑射流產(chǎn)生了聚攏效應(yīng)，同時(shí)低于燃料出口壓力因而對燃料射流產(chǎn)生了引射作用。

圖6為火焰溫度場顯示，火焰向內(nèi)聚攏呈穩(wěn)定的本生燈式部分預(yù)混火焰形態(tài)，同時(shí)距離外噴嘴10有一定提升距離，可避免噴嘴的過熱損壞。

通過上述數(shù)值結(jié)構(gòu)分析表明，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)燃料射流和氧化劑射流的快速均勻混摻、提高燃燒穩(wěn)定性和降低噴嘴的燒蝕損毀率。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。