一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法
【專利摘要】一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法，包括依次連接的旋流室頭部、旋流室壁和噴嘴底蓋所形成的旋流室，所述噴嘴底蓋上設(shè)置有噴口，所述旋流室壁的外周設(shè)置有集氣腔，所述旋流室頭部的外側(cè)與噴嘴頭蓋之間形成集液腔，所述旋流室頭部上設(shè)置有切向孔，所述切向孔的入口對應(yīng)所述集液腔，所述切向孔的出口對應(yīng)所述旋流室，在所述切向孔的出口處設(shè)置簧片，所述噴嘴頭蓋上設(shè)置有噴孔入口。噴嘴工作時，噴嘴旋流室內(nèi)部液體壓力慢慢升高，簧片上下兩面的壓差逐漸減小，簧片依靠自身彈性力恢復(fù)原位，噴嘴切向孔被遮蓋，噴嘴內(nèi)部壓力降低，簧片張開，如此反復(fù)，激起噴嘴旋流室內(nèi)壓力和流量的脈動，噴嘴內(nèi)部組織的不穩(wěn)定振蕩有利于改善霧化。
【專利說明】
一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法，主要應(yīng)用于 液體火箭發(fā)動機推力室、預(yù)燃室噴注器設(shè)計及液體霧化等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著推進技術(shù)的發(fā)展，未來火箭和武器需要高效的推進器以達到性能需要。凝膠 推進劑成為化學(xué)推進劑中的一個重要發(fā)展方向，它兼具液體和固體推進劑的諸多優(yōu)點：比 液體推進劑更安全，比固體推進劑更能靈活控制推力。凝膠推進劑能實現(xiàn)發(fā)動機"推力可 調(diào)"和"鈍感彈藥"特性，提高了導(dǎo)彈射程，而價格僅比固體推進劑高30 %。但是由于其自身 的高粘度以及流變特性，使得它至今停留在實驗研究階段，阻礙其發(fā)展的就是凝膠推進劑 的霧化技術(shù)。目前大多采用撞擊式霧化方法來解決這個問題，而且霧化效果亦不十分理想。 因此，針對凝膠推進劑的特點，亟需研制能夠適應(yīng)高粘度以及特殊流變性流體的噴嘴。
[0003] 離心噴嘴具有結(jié)構(gòu)簡單，同等壓降條件下霧化質(zhì)量優(yōu)于直流噴嘴等特點，因而在 航空航天及民用燃燒、冷卻、消防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，離心噴嘴在面對低壓情 況(航空發(fā)動機空轉(zhuǎn)、慢車等狀態(tài)）時霧化困難，對于高粘度流體(凝膠推進劑、重油、渣油 等)霧化效果變差，以及難進一步提高霧化效果。由此看來，對離心噴嘴結(jié)構(gòu)進行改進是解 決上述問題的有效途徑之一。研究表明，在離心噴嘴中組織流體振蕩能夠改善霧化細度，而 且霧化均勻性明顯提高。本發(fā)明旨在提供一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴 霧方法，可改善傳統(tǒng)離心噴嘴的霧化效果，提高液體火箭發(fā)動機的燃燒效率和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法，使 用該噴嘴主要依靠簧片在噴嘴內(nèi)部組織流體振蕩，以便改善霧化細度，提高霧化均勻度。
[0005] 本發(fā)明提供一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法，其技術(shù)方案 是：
[0006] -種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，包括依次連接的旋流 室頭部、旋流室壁和噴嘴底蓋所形成的旋流室，所述噴嘴底蓋上設(shè)置有噴口，所述旋流室壁 的外周設(shè)置有集氣腔，所述旋流室頭部的外側(cè)與噴嘴頭蓋之間形成集液腔，所述旋流室頭 部上設(shè)置有切向孔，所述切向孔的入口對應(yīng)所述集液腔，所述切向孔的出口對應(yīng)所述旋流 室，在所述切向孔的出口處設(shè)置簧片，所述噴嘴頭蓋上設(shè)置有噴孔入口。
[0007] 在所述切向孔的出口處沿所述旋流室頭部的內(nèi)壁設(shè)置有環(huán)槽。
[0008] 所述簧片包括彈性小片，所述彈性小片覆蓋切向孔出口，所述環(huán)槽與所述彈性小 片之間形成切向間隙。
[0009]所述旋流室壁外圍設(shè)置有殼體，所述殼體與所述旋流室壁之間為所述集氣腔，所 述殼體上設(shè)置有進氣口。
[0010]所述噴嘴底蓋上自旋流室到噴口具有收斂段。
[0011] 所述噴嘴頭蓋、旋流室頭部和殼體用螺栓連接，旋流室頭部與旋流室壁之間用墊 片加以密封，噴嘴底蓋用螺釘與殼體連接，殼體與噴嘴底蓋之間用堵頭與墊片加以密封。
[0012] 所述噴嘴的流量系數(shù)由以下公式獲得：
(1)
[0014]其中，n為阻尼系數(shù)，r。為噴嘴切向孔進口半徑，rP為噴嘴切向孔出口半徑，ro為空 氣渦半徑，R為旋流半徑，為簧片振動頻率，簧片振動頻率僅與簧片的厚度、懸臂長度以 及簧片的物理性質(zhì)有關(guān)，其計算公式如下：
(2) (3)
[0017] 其中
，其中P為簧片密度，Y為楊氏模量，按照離心噴嘴設(shè)計方法確定各 部分結(jié)構(gòu)尺寸。
[0018] 簧片的固有振動頻率與噴嘴內(nèi)部低頻擾動波的共振頻率接近或者相匹配。
[0019] -種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴霧方法，其特征在于，包括離心噴嘴中 的切向孔，所述切向孔連通集液腔和旋流室，切向孔出口處位于所述旋流室一側(cè)，切向孔進 口處位于所述集液腔一側(cè)，在所述切向孔出口處加設(shè)簧片，所述簧片在切向孔出口處形成 切向間隙，簧片在液體壓力的驅(qū)動下開合，同時激起噴嘴旋流室內(nèi)壓力變化，二者相互影響 使得旋流室內(nèi)壓力發(fā)生脈動，同時引起噴嘴旋流室流量脈動，噴嘴內(nèi)部壓力脈動從而改善 霧化效果。
[0020] 通過選用不同厚度和/或不同固有振動頻率的簧片以改善噴嘴霧化效果。
[0021]通過進行實驗，對其霧化特性進行分析，結(jié)果如圖3至圖8所示。圖3(a)為A1噴嘴液 體供應(yīng)壓力P與流量mi之間的關(guān)系。圖3(b)為A5噴嘴液體供應(yīng)壓力p與流量mi之間的關(guān)系。圖 4(a)為A1噴嘴液體供應(yīng)壓力p與流量系數(shù)y之間的關(guān)系。圖4(b)為A5噴嘴液體供應(yīng)壓力p與 流量系數(shù)y之間的關(guān)系。圖5為噴嘴幾何特征值A(chǔ)與流量系數(shù)y之間的關(guān)系。圖6為簧片固有頻 率與流量系數(shù)y之間的關(guān)系。圖7為不同固有頻率的簧片下液體供應(yīng)壓力p與霧滴質(zhì)量平均 直徑D 5Q之間的關(guān)系。圖8為A3噴嘴與固有頻率為30Hz的簧片相匹配時激勵頻率與霧滴質(zhì)量 平均直徑D5Q之間的關(guān)系。通過對各種類型簧片噴嘴在不同工況下的實驗研究，得到以下結(jié) 論：
[0022] (1)簧片在幾何特征值比較小的情況下，加簧片對噴嘴影響不明顯，在幾何特征值 比較大的情況下，加簧片后流量系數(shù)增加；
[0023] (2)不同結(jié)構(gòu)的簧片對噴嘴流量系數(shù)影響不同，隨著簧片固有頻率的提高，噴嘴的 流量系數(shù)增加到一定值后會降低，但高于不加簧片的情況；
[0024] (3)噴嘴旋流室內(nèi)部液體與空氣渦交界面上存在一個低頻波動，當(dāng)簧片固有頻率 與低頻波動相匹配的時候能改善噴嘴霧化效果；
[0025] (4)離心噴嘴內(nèi)部存在兩種霧化機制，一種是出口液膜分離成液絲然后斷裂成為 液滴，這是主要霧化方式；另一種霧化存在于噴嘴旋流室內(nèi)部旋轉(zhuǎn)液流表面波動的波峰破 碎。旋轉(zhuǎn)液流表面波波動頻率隨著離心噴嘴幾何特征值的增大而增加。
[0026] 其中，為了保證一定的噴嘴流量(系數(shù)），幾何特征值A(chǔ)不能小于4。圖2是簧片變形 受力分析。
[0027]其中，為了保證較好地霧化細度，簧片的固有振動頻率必須與噴嘴內(nèi)部低頻擾動 波的共振頻率接近或者相匹配。
[0028] 本發(fā)明一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法，其優(yōu)點及功效在 于:簧片在液體壓力的驅(qū)動下開合，同時激起噴嘴旋流室內(nèi)壓力變化，二者相互影響使得旋 流室內(nèi)壓力發(fā)生脈動，同時引起噴嘴旋流室流量脈動，噴嘴內(nèi)部壓力脈動可以改善霧化效 果。
【附圖說明】
[0029] 圖1:具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖2:簧片變形受力分析。
[0031]圖3(a) :A1噴嘴液體供應(yīng)壓力p與流量mi的關(guān)系曲線。
[0032]圖3(b) :A5噴嘴液體供應(yīng)壓力p與流量mi的關(guān)系曲線。
[0033]圖4(a) :A1噴嘴液體供應(yīng)壓力p與流量系數(shù)y的關(guān)系曲線。
[0034]圖4(b) :A5噴嘴液體供應(yīng)壓力p與流量系數(shù)y的關(guān)系曲線。
[0035]圖5:噴嘴幾何特征值A(chǔ)與流量系數(shù)y的關(guān)系曲線。
[0036]圖6:簧片固有頻率與流量系數(shù)y的關(guān)系曲線。
[0037]圖7:不同固有頻率的簧片下液體供應(yīng)壓力p與霧滴質(zhì)量平均直徑D5Q的關(guān)系曲線。 [0038]圖8:A3噴嘴與固有頻率為30Hz的簧片相匹配時激勵頻率與霧滴質(zhì)量平均直徑D50 的關(guān)系曲線。
[0039] 圖中標號說明如下：1-噴嘴頭蓋，2-旋流室頭部，3-簧片，4-殼體，5-旋流室壁，6-旋流室，7-噴嘴底蓋，8-螺釘，9-堵頭，10-墊片，11-螺栓，12-墊片，13-噴孔入口，14-集液 腔，21-切向孔，31-彈性小片，41-集氣腔或環(huán)形集氣腔，42-進氣口，71-收斂段，72-噴口。
【具體實施方式】
[0040] 如圖1所示，本發(fā)明一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴及噴霧方法，主要 由噴嘴頭蓋1、旋流室頭部2、簧片3、殼體4、旋流室壁5、旋流室6、噴嘴底蓋7組成。噴嘴頭蓋 1，其上有液體噴孔入口 13及集液腔14。旋流室頭部2,其上有切向孔21?；善?為筒形，其上 有彈性小片31。殼體4，其上有進氣口 42。殼體4與旋流室壁5之間組成環(huán)形集氣腔41。噴嘴底 蓋7,其上有收斂段71及噴口 72。噴嘴頭蓋1與旋流室頭部2用螺栓11連接，噴嘴頭蓋1與旋流 室頭部2之間組成集液腔14。集液腔14與旋流室6之間由切向孔21相通?；善?安裝在切向孔 21出口處，依靠自身彈力固定在旋流室壁5上。旋流室頭部2與旋流室壁5之間用墊片12加以 密封。殼體4與旋流室頭部2用同一螺栓11連接。旋流室壁5與殼體4之間組成環(huán)形集氣腔41。 噴嘴底蓋7用螺釘8與殼體4連接。殼體4與噴嘴底蓋7之間用堵頭9與墊片10加以密封。其中， 可以通過更換不同的噴嘴底蓋7來改變噴嘴的幾何特性值，其中每個噴嘴底蓋上的噴口 72 的直徑不同。簧片3可以更換，每種簧片3具有不同的厚度。
[0041 ]當(dāng)噴嘴工作時，液體由噴孔入口 13進入噴嘴，經(jīng)由集液腔14通過切向孔21供入液 體燃料，彈性小片被壓彎，液體沿著小片和環(huán)槽形成的切向間隙流入旋流室6,在其中形成 空心的液體旋渦，并通過噴口 72以很薄的環(huán)形液膜形式噴出。隨著旋流室6逐漸充滿液體， 切向孔21中的壓降和液流速度減小，簧片3便遮蔽切向孔21的出口，使流入切向孔21的液體 流量減小，于是液體充填旋流室6的速度變小。經(jīng)過一段時間，旋流室6呈松弛狀態(tài)，使得離 心壓力減小。于是切向孔21中的壓力又開始增加，簧片3松開，流量增加，重復(fù)流量的脈動循 環(huán)。這里通過切向孔21的流量振蕩就導(dǎo)致了旋流室6的液面、噴口 72的液膜厚度和流出速度 的振蕩，進而引起噴霧角，霧化細度的振蕩。
[0042] 圖1是具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，一種具有 切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，包括依次連接的旋流室頭部2、旋流室壁5和噴嘴底蓋7 所形成的旋流室6,所述噴嘴底蓋7上設(shè)置有噴口 72,所述旋流室壁5的外周設(shè)置有集氣腔 41，所述旋流室頭部2的外側(cè)與噴嘴頭蓋1之間形成集液腔14,所述旋流室頭部2上設(shè)置有切 向孔21，所述切向孔21的入口對應(yīng)所述集液腔14，所述切向孔21的出口對應(yīng)所述旋流室6， 在所述切向孔21的出口處設(shè)置簧片3,所述噴嘴頭蓋1上設(shè)置有噴孔入口 13。在所述切向孔 21的出口處沿所述旋流室頭部2的內(nèi)壁設(shè)置有環(huán)槽。所述簧片3包括彈性小片31，所述彈性 小片31覆蓋切向孔出口，所述環(huán)槽與所述彈性小片之間形成切向間隙。所述旋流室壁5外圍 設(shè)置有殼體4,所述殼體4與所述旋流室壁5之間為所述集氣腔41，所述殼體4上設(shè)置有進氣 口 42。所述噴嘴底蓋7上自旋流室6到噴口 72具有收斂段71。所述噴嘴頭蓋1、旋流室頭部2和 殼體4用螺栓11連接，旋流室頭部2與旋流室壁5之間用墊片12加以密封，噴嘴底蓋7用螺釘8 與殼體4連接，殼體4與噴嘴底蓋7之間用堵頭9與墊片10加以密封。
[0043] 所述噴嘴的流量系數(shù)由以下公式獲得：
⑴
[0045]其中，n為阻尼系數(shù)，r。為噴嘴切向孔進口半徑，rP為噴嘴切向孔出口半徑，ro為空 氣渦半徑，R為旋流半徑，為簧片振動頻率，簧片振動頻率僅與簧片的厚度、懸臂長度以 及簧片的物理性質(zhì)有關(guān)，其計算公式如下：
(2) ⑶
[0048] 其中
，其中P為簧片密度，Y為楊氏模量，按照離心噴嘴設(shè)計方法確定各 部分結(jié)構(gòu)尺寸?；善墓逃姓駝宇l率與噴嘴內(nèi)部低頻擾動波的共振頻率接近或者相匹配。
[0049] -種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴霧方法，其特征在于，包括離心噴嘴中 的切向孔，所述切向孔連通集液腔和旋流室，切向孔出口處位于所述旋流室一側(cè)，切向孔進 口處位于所述集液腔一側(cè)，在所述切向孔出口處加設(shè)簧片，所述簧片在切向孔出口處形成 切向間隙，簧片在液體壓力的驅(qū)動下開合，同時激起噴嘴旋流室內(nèi)壓力變化，二者相互影響 使得旋流室內(nèi)壓力發(fā)生脈動，同時引起噴嘴旋流室流量脈動，噴嘴內(nèi)部壓力脈動從而改善 霧化效果。通過選用不同厚度和/或不同固有振動頻率的簧片以改善噴嘴霧化效果。
[0050]在此指明，以上敘述有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明創(chuàng)造，但并非限制本發(fā)明 創(chuàng)造的保護范圍。任何沒有脫離本發(fā)明創(chuàng)造實質(zhì)內(nèi)容的對以上敘述的等同替換、修飾改進 和/或刪繁從簡而進行的實施，均落入本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，包括依次連接的旋流室 頭部、旋流室壁和噴嘴底蓋所形成的旋流室，所述噴嘴底蓋上設(shè)置有噴口，所述旋流室壁的 外周設(shè)置有集氣腔，所述旋流室頭部的外側(cè)與噴嘴頭蓋之間形成集液腔，所述旋流室頭部 上設(shè)置有切向孔，所述切向孔的入口對應(yīng)所述集液腔，所述切向孔的出口對應(yīng)所述旋流室， 在所述切向孔的出口處設(shè)置簧片，所述噴嘴頭蓋上設(shè)置有噴孔入口。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，在所述 切向孔的出口處沿所述旋流室頭部的內(nèi)壁設(shè)置有環(huán)槽。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，所述簧 片包括彈性小片，所述彈性小片覆蓋切向孔出口，所述環(huán)槽與所述彈性小片之間形成切向 間隙。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，所述旋 流室壁外圍設(shè)置有殼體，所述殼體與所述旋流室壁之間為所述集氣腔，所述殼體上設(shè)置有 進氣口。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，所述噴 嘴底蓋上自旋流室到噴口具有收斂段。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，所述噴 嘴頭蓋、旋流室頭部和殼體用螺栓連接，旋流室頭部與旋流室壁之間用墊片加以密封，噴嘴 底蓋用螺釘與殼體連接，殼體與噴嘴底蓋之間用堵頭與墊片加以密封。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，所述噴 嘴的流量系數(shù)由以下公式獲得：其中，η為阻尼系數(shù)，r。為噴嘴切向孔進口半徑，rP為噴嘴切向孔出口半徑，為空氣渦 半徑，R為旋流半徑，ω〇為簧片振動頻率，簧片振動頻率僅與簧片的厚度、懸臂長度以及簧 片的物理性質(zhì)有關(guān)，其計算公式如下：(2) (3) ?中P為簧片密度，Y為楊氏模量，按照離心噴嘴設(shè)計方法確定各部分結(jié) 構(gòu)尺寸。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴嘴，其特征在于，簧片的 固有振動頻率與噴嘴內(nèi)部低頻擾動波的共振頻率接近或者相匹配。9. 一種具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴霧方法，其特征在于，包括離心噴嘴中的 切向孔，所述切向孔連通集液腔和旋流室，切向孔出□處位于所述旋流室一側(cè)，切向孔進口 處位于所述集液腔一側(cè)，在所述切向孔出口處加設(shè)簧片，所述簧片在切向孔出口處形成切 向間隙，簧片在液體壓力的驅(qū)動下開合，同時激起噴嘴旋流室內(nèi)壓力變化，二者相互影響使 得旋流室內(nèi)壓力發(fā)生脈動，同時引起噴嘴旋流室流量脈動，噴嘴內(nèi)部壓力脈動從而改善霧 化效果。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有切向孔出口處加設(shè)簧片的離心噴霧方法，其特征在于， 通過選用不同厚度和/或不同固有振動頻率的簧片以改善噴嘴霧化效果。
【文檔編號】B05B1/34GK106000674SQ201610424595
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】楊立軍, 富慶飛, 覃粒子, 佟明羲
【申請人】北京航空航天大學(xué)