一种锥角可调气动耦合喷嘴

本发明涉及新概念航空发动机智能喷嘴，尤其涉及一种锥角可调气动耦合喷嘴，主要作为航空发动机燃烧室气动耦合燃油喷注喷嘴。

背景技术：

1、随着航空事业发展，飞机性能需求逐步提高，航空发动机需要进一步提高推重比、降低排放与耗油率、拓宽稳定工作边界。目前我国航空发动机发展受许多问题制约：高空再点火问题、高原启动困难且效率偏低、高温升发动机排放问题等，对于新一代加力燃烧室，来流条件宽域化和极端化问题较为突出。为满足先进燃烧室款稳定燃烧边界和高燃烧效率的研发目标，改善流场及油雾场为关键的研究方向之一。随着先进发动机的推重比提高，主燃烧室油气比、温升、头部流量分配都将不同程度提高，加力燃烧室面临着更为宽范围、极端的来流工况，喷嘴将承担越来越重要的油气掺混任务。

2、随着航空发动机多代更迭，燃油喷嘴历经三个阶段变化：从简单多样的基元级雾化喷嘴到组合式雾化喷嘴，再到复杂的分区分级组合式雾化喷嘴，喷嘴更替始终追求着燃烧室高温升低排放的目标。常规喷嘴包括离心喷嘴、直射式喷嘴和空气雾化喷嘴，其中直射式喷嘴具有良好的燃油穿透性，流量调节范围大但是油雾分布不均，离心喷嘴雾化、空气雾化喷嘴效果好单燃油调节范围有限，基元级喷嘴都已有大量研究和成熟应用；组合式燃油喷射多为离心喷射配合一级旋流作预燃级雾化，多采用富油扩散燃烧方 式提高点熄火性能，主燃级燃油依靠直接喷射加文氏管和二级/多级旋流预膜雾化，预膜式空气雾化具有良好的低油压雾化效果、稳焰功能及显著的低烟尘、低排放潜力，但是对头部进口空气要求较高；分区分级组合式雾化喷嘴整体复杂，分部件具有较高的耦合性能，流场、喷雾场组织复杂，具备良好的雾化燃烧性能，但随着发动机推力需求不断增加，燃油调节范围增大，头部进气量增加，其强耦合作用导致燃烧室设计与性能优化困难，其作用机制尚待系统性研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种锥角可调气动耦合喷嘴，使用伺服电机控制喷油芯伸缩，改变燃油喷口喉道形态，实时调节喷嘴共有锥角大小，还可通过阵列气孔实现宽范围燃油流量下的油雾锥角控制，可提高发动机多工况下油气高效掺混的自适应能力。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种锥角可调气动耦合喷嘴，包含喷管、油管、气管、喷油芯以及升降控制模块：

4、所述喷管包含管体和底座；

5、所述管体为圆柱体，沿轴线设有喷射通孔；所述喷射通孔从管体端部到尾部依次包含混合部、燃油部、操作部和固定部，其中，所述混合部呈圆台状，燃油部、操作部、固定部均呈圆柱状；混合部端面较小的一端和燃油部的一端形状相同且同轴联通，燃油部、操作部、固定部的横截面积依次增大且依次同轴联通；所述管体在喷射通孔固定部远离操作部的一端的内壁上设有内螺纹；

6、所述底座为圆柱体，其一端设有和所述管体上内螺纹相配合的外螺纹，所述底座和所述管体螺纹固连；

7、所述管体内设有气环腔，所述气环腔为套在喷射通孔燃油部外的环形空腔；

8、所述气管一端接外界气源，另一端和所述管体固连且和管体的气环腔联通；

9、所述管体在喷射通孔混合部的锥面上周向均匀设有至少两圈交叉阵列气孔，气孔均和所述环形空腔联通且内置在管体内的联通管道均平行于管体轴线；

10、所述油管一端接外界油源，另一端和所述管体固连且和管体喷射通孔的燃油部联通；

11、所述喷油芯包含依次相连的锥帽、喷嘴头、连杆和喷油座；

12、所述锥帽呈圆锥状，喷油座为圆柱体，锥帽底面的直径小于管体喷射通孔燃油部的横截面的直径；

13、所述喷嘴头包含第一配合部和第二配合部；所述第一配合部、第二配合部的任一横截面均为圆形，且横截面的半径均沿锥帽到喷油座方向逐渐减小；第一配合部侧壁轮廓的开口朝内，第二配合部侧壁轮廓的开口朝外；第一配合部靠近锥帽的一端和锥帽底面形状相同且同轴固连，远离锥帽的一端和第二配合部靠近锥帽的一端形状相同且同轴固连；第二配合部远离锥帽的一端和所述连杆的一端形状相同且同轴固连；

14、所述连杆的另一端和所述喷油座的一端同轴固连；

15、所述喷油座的侧壁上设有经过其轴线且垂直其轴线的插销穿孔；

16、底座在其设有外螺纹一端的端面中心设有安装孔；

17、所述升降控制模块包含连接座、伺服电机、销栓和旋转衬套；

18、所述连接座为设置在喷射通孔固定部内的圆柱体；

19、所述伺服电机固定在所述底座的安装孔中，其输出轴伸出底座的安装孔后和所述连接座的一端同轴固连；

20、所述旋转衬套为两端开口的空心圆柱体，同轴设置在所述喷射通孔操作部内，一端和所述连接座远离伺服电机的一端同轴固连；旋转衬套的侧壁上设有和所述销栓配合的第一通槽、第二通槽；所述第一通槽、第二通槽结构相同且关于旋转衬套的轴线轴对称，均包含第一安置部、调节部和第二安置部，其中，调节部为平行于旋转衬套轴线的直线通槽，第一安置部、第二安置部均为垂直于旋转衬套轴线的弧形通槽，调节部的两端分别和第一安置部、第二安置部的一端联通，且第二安置部位于第一安置部、连接座之间；

21、所述管体在喷射通孔操作部处的内壁上设有用于和所述销栓相配合的螺旋形滑槽；

22、所述喷油座设置在所述旋转衬套中；

23、所述销栓两端均设置为球头，一端球头穿过第一通槽和喷管内壁上的螺旋形滑槽相配合，另一端球头依次穿过喷油座的插销穿孔、第二通槽后和喷管内壁上的螺旋形滑槽相配合；

24、所述销栓位于第一通槽的第二安置部时，喷油芯的锥帽的底面和喷管混合部面积较小的端面共面；

25、所述伺服电机用于带动所述旋转衬套转动，通过销栓、第一通槽的调节部、第二通槽的调节部、喷管内壁上的螺旋形滑槽相配合控制喷油芯上升或下降。

26、作为本发明一种锥角可调气动耦合喷嘴进一步的优化方案，为了便于组装，还设有传动块，所述传动块为正棱柱；

27、所述连接座远离旋转衬套的一端端面的中心设有用于和所述传动块相配合的配合盲孔；所述传动块设置在所述连接座的配合盲孔中，且所述伺服电机的输出轴和所述传动块同轴固连；

28、所述连接座的上端和喷管喷射通孔的操作部靠近燃油部的一端相抵。

29、作为本发明一种锥角可调气动耦合喷嘴进一步的优化方案，所述管体在喷射通孔混合部处的锥面的锥面母线和其轴线的夹角不超过45°。

30、作为本发明一种锥角可调气动耦合喷嘴进一步的优化方案，所述管体在喷射通孔混合部的锥面上的气孔的直径不超过0.5mm，喷射通孔燃油部的直径为3mm。

31、作为本发明一种锥角可调气动耦合喷嘴进一步的优化方案，所述第一配合部、第二配合部侧壁的轮廓均为椭圆由其长短半径分割而成的四分之一椭圆线，且该椭圆的长轴和喷管的轴线共线。

32、作为本发明一种锥角可调气动耦合喷嘴进一步的优化方案，所述椭圆的长短半径分别为1mm、0.45mm。

33、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

34、1. 空气动力辅助燃油雾化，宽流量供油范围内油雾锥角实时可调，油雾锥角变化范围0°~90°；

35、2. 宽流量裕度供油，降低大燃油流量供油油压差，保证供油质量；

36、3. 多场景优化油雾分布形态。张大油雾锥角以加速油膜破碎，提高掺混能力，应用在主燃烧室上可提高点火性能、火焰稳定及燃烧效率。减小油雾锥角可以提升燃油穿透深度，扩大油雾分布范围，应用在加力燃烧室上同样可以提高点火性能、火焰稳定及燃烧效率；

37、4. 本发明结构简单，将油雾锥角关于喷油芯的伸缩长度及燃油流量关系方程式代入伺服电机，即可实现宽范围供油流量下油雾锥角精准控制，智能易操作；

38、5. 满足高温升燃烧室需求，改变油气供比有效改变油雾粒径，降低nox、碳烟的生成；

39、6. 辅助空气可提高燃油温度，增强雾化，也可通过在喷嘴端面气膜孔吹扫、气环腔内空气壁面对流换热，减小火焰对喷嘴热干扰，降低燃油结焦堵塞风险；

40、7. 流道结构简单，方便喷嘴检修及结焦清理。