一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管的制作方法

1.本发明属于微型发动机燃烧室技术领域，具体是一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管。


背景技术：

2.近年来，微型动力系统已成为国内研究热点，微型涡轮发动机多采用蒸发管式燃烧室及整体式涡轮导向器，其中蒸发管用于对燃油充分地掺混、雾化和蒸发，涡轮导向器的作用是使得燃气温度和压力降低。
3.现有技术中的微型涡轮发动机蒸发管和涡轮导向器结构为10
‑
18个的蒸发管通过焊接均布固定在支承环上，导向器与安装环、火焰筒通过搭接连接，个数为10
‑
18个。蒸发管为管材机加成型、支承环为棒料机加成型、涡轮导向器为整体铸造后机加工成型。
4.目前，发动机在装配时，火焰筒尾部与涡轮导向器连接时，会造成涡轮导向器与火焰筒头部的同轴度较差，严重影响发动机的装配效率。蒸发管为直筒均匀壁厚式结构，燃油在蒸发管内的蒸发速率较慢、与空气掺混不充分导致雾化不理想。并且由于多个蒸发管采用氩弧焊焊接的方式与支承环相连、均布在环形燃烧室中，焊接会导致蒸发管进气口存在不同程度的焊疤，使得进入各个蒸发管的空气流量不一致，影响每个蒸发管内的油气混合物浓度。相邻蒸发管管体之间存在较大的空间，燃油蒸汽从多个蒸发管出口进入火焰筒时会造成火焰筒内燃油分布不均匀、存在局部高温热点，导致燃烧室出口温度分布不均匀，影响燃烧室和涡轮寿命。
5.因此，本发明提供了一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管与涡轮导向器为一体化结构，以解决现有技术中发动机装配复杂、蒸发管油气混合均匀性差、蒸发管内的燃油雾化蒸发速率低导致的燃烧室燃烧效率低、燃烧室出口温度分布不均匀等问题。
7.根据本发明的一个方面，提供一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管，该收扩式环形蒸发管与涡轮导向器为一体化结构用于将燃油与空气混合雾化后喷入火焰筒内，包括蒸发管外环，所述蒸发管外环整体呈圆台状且其内部中空，所述蒸发管外环大圆口的一端与涡轮导向器连接且为一体化结构，所述蒸发管外环靠近涡轮导向器的一端设有环形凹陷部；蒸发管内环，所述蒸发管内环整体呈圆台状与蒸发管外环处处等距且其内部中空，所述蒸发管内环大圆口的一端与涡轮导向器连接且为一体化结构，所述蒸发管内环靠近涡轮导向器的一端设有与环形凹陷部适配的环形突出部；收扩段，所述收扩段由环形凹陷部和环形突出部组成用于改变燃油流速与压力从而充分雾化燃油。
8.根据本发明的一个实例性的实施例，所述蒸发管外环小圆口与蒸发管内环小圆口处的结构包括全通和半通。
9.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述蒸发管外环、蒸发管内环分别与涡轮导向器之间的一体化结构皆通过增材制造技术成型，可以避免发动机在装配过程中，火焰筒尾部与涡轮导向器连接时，会造成涡轮导向器与火焰筒头部的同轴度较差、导致发动机装配时需要对涡轮导向器或火焰筒进行修配。
10.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述蒸发管外环小圆口与蒸发管内环小圆口处的结构为半通时，收扩式环形蒸发管存在出口端面，所述出口端面上均匀分布有若干喷油孔。
11.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述喷油孔至少设为2排，任意一排的喷油孔数量至少设有30个，任意相邻两排的喷油孔呈错位分布，所述喷油孔直径至少为0.2mm。
12.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述收扩段包括靠近涡轮导向器的收缩段、靠近出口端面的扩张段以及收缩段与扩张段之间的喉道，所述收缩段与扩张段的轴向距离相等。
13.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述收扩段靠近涡轮导向器的一端与涡轮导向器的距离l1为7mm
‑
12mm，所述收扩段总长l2为8mm
‑
20mm。
14.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述收缩段的收缩角度α为15
°‑
25
°
，所述扩张段的扩张角度β为20
°‑
30
°
。
15.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述喉道的高度h为2mm
‑
4mm。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、本发明收扩式环形蒸发管与涡轮导向器一体化可以简化发动机的装配、提高发动机前后的同轴度。
18.2、本发明收扩式环形蒸发管的收扩段通过油气混合物在收扩段速度和压力的变化以实现空气对燃油的充分雾化。
19.3、本发明环形蒸发管出口端面的小孔均匀分布在整个壁面上，油气混合物从小孔喷出并进入火焰筒，会较为均匀地分布在整个环形火焰筒主燃区内，减少了局部富油点和局部高温点，提高了燃烧效率，改善了燃烧室出口温度分布不均匀性。
附图说明
20.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
21.图1为一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管剖视图；
22.图2为图1的a处放大图；
23.图3为图1的b处放大图；
24.图4为一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管的立体剖视图。
25.图中：1、蒸发管外环；2、蒸发管内环；3、出口端面；301、喷油孔；4、收扩段；401、收缩段；402、扩张段；403、喉道；5、涡轮导向器。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进
行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
27.另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
28.根据本发明的一个总体技术构思，提供一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管，收扩式环形蒸发管与涡轮导向器5为一体化结构用于将燃油与空气混合雾化后喷入火焰筒内，包括蒸发管外环1，蒸发管外环1整体呈圆台状且其内部中空，蒸发管外环1大圆口的一端与涡轮导向器5连接且为一体化结构，蒸发管外环1靠近涡轮导向器5的一端设有环形凹陷部；蒸发管内环2，蒸发管内环2整体呈圆台状与蒸发管外环1处处等距且其内部中空，蒸发管内环2大圆口的一端与涡轮导向器5连接且为一体化结构，蒸发管内环2靠近涡轮导向器5的一端设有与环形凹陷部适配的环形突出部；收扩段4，收扩段4由环形凹陷部和环形突出部组成用于改变燃油流速与压力从而充分雾化燃油。
29.优选的，在本实施例中，蒸发管外环1小圆口与蒸发管内环2小圆口处的结构包括全通和半通，蒸发管外环1小圆口与蒸发管内环2小圆口皆位于火焰筒内，当蒸发管外环1小圆口与蒸发管内环2小圆口处的结构为全通时，收扩式环形蒸发管产生的雾化燃油直接通入火焰筒内；当蒸发管外环1小圆口与蒸发管内环2小圆口处的结构为半通时设有出口端面3，收扩式环形蒸发管产生的雾化燃油由出口端面3在收扩式环形蒸发管内产生高压环境，增大雾化燃油通过出口端面3时的速度。
30.图1为一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管剖视图。图2为图1的a处放大图。图3为图1的b处放大图。图4为一种用于微型涡轮发动机的收扩式环形蒸发管的立体剖视图。
31.如图3和图4所示，本发明出口端面3的第一个实施例中，蒸发管外环1小圆口与蒸发管内环2小圆口处的结构为半通，收扩式环形蒸发管存在出口端面3，出口端面3上均匀分布有若干喷油孔301使得进入火焰筒的雾化燃油更加均匀。
32.优选的，在本实施例中，喷油孔301至少设为2排，任意一排的喷油孔301数量至少设有30个，任意相邻两排的喷油孔301呈错位分布使得雾化燃油均匀进入火焰筒内，喷油孔301圆形孔的直径至少为0.2mm。
33.优选的，实际使用时，在本实施例中，喷油孔301设为2
‑
4排，任意一排的喷油孔301数量为30
‑
80个，喷油孔301圆形孔的直径为0.2mm
‑
0.5mm。
34.本发明出口端面3的第二个实施例中，蒸发管外环1小圆口与蒸发管内环2小圆口处的结构为全通，此时，收扩式环形蒸发管内的雾化燃油直接进入火焰筒内。
35.如图1
‑
4所示，在图示的实施例中，蒸发管外环1、蒸发管内环2分别与涡轮导向器5之间的一体化结构皆通过增材制造技术成型，进而简化发动机的装配、提高发动机前后的同轴度。
36.如图2所示，在图示的实施例中，收扩段4包括靠近涡轮导向器5的收缩段401、靠近出口端面3的扩张段402以及收缩段401与扩张段402之间的喉道403，收缩段401与扩张段402的轴向距离相等。
37.优选的，在本实施例中，收扩段4靠近涡轮导向器5的一端与涡轮导向器5的距离l1为7mm
‑
12mm，可以使得燃油在进入收扩段4前与空气进行初步的混合形成油气混合物，当收
扩段4起始端与涡轮导向器5距离大于7mm时，燃油与空气混合度开始达到标准，当收扩段4起始端与涡轮导向器5距离大于12mm时，燃油与空气混合度不再明显提升；收扩段4总长l2为8mm
‑
20mm，当收扩段4总长大于8mm时，油气混合物在收缩段401和扩张段402拥有足够的速度差与压差使得油气混合物充分雾化，当收扩段4总长大于20mm时，油气混合物在收扩段4的雾化效果不再明显提升。
38.优选的，在本实施例中，收缩段401的收缩角度α为15
°‑
25
°
，当收缩段401的收缩角度α在15
°‑
25
°
范围内时，油气混合物在收缩段401达到理想的降压加速效果；扩张段402的扩张角度β为20
°‑
30
°
，当扩张段402的扩张角度β在20
°‑
30
°
范围内时，油气混合物在扩张段402内达到理想的增压减速效果。
39.优选的，在本实施例中，喉道403的高度h为2mm
‑
4mm，喉道403高度过小，则油气混合物流量过低，导致收扩式环形蒸发管效率过低；喉道403高度过大，则导致油气混合物雾化效果不佳。
40.下面，对本发明工作原理进行说明：
41.图1中，c为油气混合物流动方向，燃油首先从蒸发管进口处进入收扩式环形蒸发管入口端，然后，新鲜空气和燃油在收扩式环形蒸发管的l1段进行初始混合，l1段的油气混合物在收缩角度为α的收缩段401降压加速，直到喉道403尺寸为h的部位速度最大，而后进入扩张角度为β的扩张段402进行减速增压，油气混合物在总长为l2的收扩段4通过速度和压力的变化以实现空气对燃油的充分雾化，充分雾化后的油气混合物在环形蒸发管后半部匀速流动，经蒸发管出口端面3上的多排喷油孔301多点喷射进火焰筒内以进行燃烧。上述油气混合物在收扩式环形蒸发管内的流动可以实现燃油与空气混合更均匀，以提高燃烧效率、改善燃烧室出口温度分布不均匀性。
42.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。