加工工藝對航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴性能的影響研究

劉 凱，張寶誠，宋文超，馬洪安

（1.沈陽航空航天大學(xué)，沈陽 110136；2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

0 引言

燃油霧化質(zhì)量和燃油濃度分布均明顯影響燃燒室性能，關(guān)系到燃燒穩(wěn)定性，從而影響發(fā)動機(jī)推力、耗油率和工作經(jīng)濟(jì)性[1-2]。霧化質(zhì)量差，噴霧濃度分布不均勻，噴霧錐角不適當(dāng)，將直接影響燃燒室和渦輪的壽命及污染物排放。油滴大，打到壁面可使其過熱，結(jié)焦，燃燒時間長、效率低，點(diǎn)火困難，排氣冒煙，排氣污染物增加等。噴霧錐角過大，油滴打到火焰筒頭部壁面，可引起壁面局部過熱、燒蝕；噴霧錐角過小，使更多油滴集中在火焰筒中心燃燒，中心過于富油，燃燒不完全，易冒煙，溫度場熱點(diǎn)高。因此，燃油噴嘴性能的優(yōu)劣是航空發(fā)動機(jī)研發(fā)中相當(dāng)重要的問題[3-5]。

本文重點(diǎn)研究壓力霧化噴嘴加工時，噴口直徑、錐度、旋流槽和供油壓力對流量、噴霧錐角、粒度SMD的影響。

1 噴嘴加工工藝

試驗(yàn)噴嘴是1個雙油路、雙噴口壓力霧化噴嘴，包括噴嘴殼體、主噴口、副噴口、分油襯套和螺帽等。供油量少時，副油路工作；供油量多時，主、副油路共同工作。主、副油路互不串油，互不干擾。某型發(fā)動機(jī)燃油噴嘴如圖1所示。

1.1 噴嘴構(gòu)件技術(shù)要求

試驗(yàn)噴嘴主、副噴口典型技術(shù)要求如圖2所示。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

圖1 某型發(fā)動機(jī)燃油噴嘴

（1）噴口的旋流槽和中心孔尺寸對噴嘴的流量和噴霧錐角影響很大，故對其尺寸精度、位置精度要求高；

（2）主、副噴口裝配同軸度要求高，一般在0.02左右，稍有偏斜即明顯影響霧錐油膜厚度和噴油周向不均勻度，加工中應(yīng)嚴(yán)格檢查噴口之間間隙；

（3）研磨旋流槽應(yīng)保持銳邊，以保證噴口和旋流槽的高精度；

（4）噴口內(nèi)表面和端面的表面粗糙度要求高，為0.1～0.2 mm，若過于粗糙會使噴霧錐有油道子，影響噴液流動；

（5）噴嘴選擇在高溫工作時變形小和硬度高的材料，如CrWMn、CrWM等，具有滲氮、滲碳、耐燃油沖刷和抗高溫腐蝕等特點(diǎn)。

1.2 噴口工藝過程及檢測

噴口加工工藝過程為毛坯制造、粗加工、中間檢驗(yàn)、細(xì)加工、熱處理、細(xì)加工、精加工和檢驗(yàn)。其精加工中研磨工藝是關(guān)鍵工序。尺寸精度等級可達(dá)IT 5以上，圓柱體圓度可達(dá)0.001 mm。

噴口加工中常見故障有：切向槽深度超差（影響流量和旋流）、內(nèi)錐面啃傷、內(nèi)錐角度超差、轉(zhuǎn)接半徑研不出、切向小孔堵塞、零件端面跳動較大等，均需采用相應(yīng)工藝措施排除。

10個試驗(yàn)噴嘴主、副噴口特性尺寸的檢測結(jié)果見表1。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

噴嘴綜合試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)包括3維可調(diào)噴嘴試驗(yàn)臺、相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測速儀（PDPA/LDV）、計(jì)量系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、操作臺、計(jì)算機(jī)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及試驗(yàn)空氣霧化噴嘴用的壓縮空氣供給系統(tǒng)等。

表1 試驗(yàn)噴嘴主、副噴口的工藝特性尺寸檢測結(jié)果mm

3 工作特性試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要研究預(yù)先加工的不同尺寸噴嘴試驗(yàn)件的霧化特性：

（1）確定起飛、額定、巡航和慢車狀態(tài)下的流量特性，確定供油量與主要構(gòu)件幾何尺寸的關(guān)系；

（2）測定霧化粒度SMD與壓力的關(guān)系，給出SMD-P的預(yù)估關(guān)系式；

（3）確定噴霧錐角與噴口尺寸及供油壓力的關(guān)系。

試驗(yàn)共測量了不同尺寸的10個噴嘴。

3.1 流量特性試驗(yàn)

噴嘴流量特性試驗(yàn)是測定噴嘴流量隨供油系統(tǒng)壓力的變化，即噴嘴流量mf-ΔP曲線，如圖4所示。1組典型的mf-ΔP值見表2。

圖4 噴嘴流量隨供油系統(tǒng)壓力的變化

表2 1組典型的mf-ΔP值

3.2 噴霧錐角試驗(yàn)

采用數(shù)碼相機(jī)采集噴霧錐角，并通過圖片識別軟件獲得各壓力下的噴霧錐角。典型噴霧錐角測量值見表3。

表3 噴霧錐角測量值

從表3中可見：

（1）主油路錐角在92°左右，隨供油壓力P的增加，噴霧錐角αp稍變小。當(dāng)P從0.8 MPa升至2.2 MPa，αp減少 3.1°；設(shè)計(jì)狀態(tài) P=2.4 MPa 時，αp=90.6°，錐角相對改變量α/αp=3.1/90.6=0.034，該值已在錐角測量誤差之內(nèi)。因此，可認(rèn)為壓力對噴霧錐角的改變影響很小。

（2）副油路左右，壓力變化對噴霧錐角基本沒有影響。

（4）主、副噴口共同工作時，由于二者相互影響，噴霧錐角略小于主油路單獨(dú)工作時的。

3.3 霧化粒度試驗(yàn)

本研究測量了各種工作狀態(tài)下10個試驗(yàn)噴嘴噴霧的SMD值。作為例子，典型粒度分布直方圖如圖5所示，各工作壓力下的SMD值見表4。

表4 噴嘴SMD測量值

從圖5和表4中可見：

（1）隨著主油路供油壓力的增大，SMD呈減小趨勢；直方圖的最高峰向SMD小的方向移動，且各壓力下的直方圖很相似。表明在一定壓力范圍，壓力增大可明顯減小霧化的SMD值；在低壓段，壓力增大，SMD減少較明顯；當(dāng)壓力增大到一定程度時，繼續(xù)增大壓力，SMD減少量變小；

（2）在副油路單獨(dú)工作時，SMD為10 μm左右，且粒度直方圖很相似；

（3）在主、副油路共同工作時，當(dāng)壓力達(dá)到1.8 MPa時，SMD基本不變，為20 μm左右，表明霧化質(zhì)量基本穩(wěn)定，其粒度直方圖很相似，峰值SMD右邊粒度分布和走向與主油路單獨(dú)工作時的相似，即較大粒子分布基本一致。對試驗(yàn)噴嘴，壓力為1.4 MPa以上，其霧化質(zhì)量較穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)結(jié)果與噴嘴主要尺寸的關(guān)系

下文對噴嘴主要尺寸（如噴口半徑、噴口錐度、旋流槽與噴嘴流量、噴霧錐角和霧化粒度）的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和回歸分析。

4.1 流量特性擬合分析

根據(jù)表1中的10個噴口尺寸測量結(jié)果，研究了噴口半徑和其錐度、旋流槽橫截面積、供油壓力對流量特性的影響，采用Minitab軟件進(jìn)行擬合和方差分析，給出主、副油路共同工作的回歸方程

得到如下主要結(jié)論：

（1）在主、副油路單獨(dú)工作時，燃油流量分別與主、副噴口半徑的平方成正比；在主、副油路共同工作時，流量主要受主噴口面積影響，而受副噴口面積影響較??；研磨噴口可以明顯增大流量。

（2）旋流槽面積愈大，則流量亦愈大。

（3）供油壓力與流量之間存在密切相關(guān)性，即壓力對流量影響非常明顯。

（4）噴口錐度與流量沒有對應(yīng)關(guān)系。

在主油路工作時，流量與出口半徑、旋流槽截面積及壓力的擬合曲線分別如圖6～8所示。

在主、副油路共同工作時，擬合分析結(jié)果表明：流量與主噴口半徑的平方存在線性相關(guān)性，而副噴口半徑平方對流量影響很小。

4.2 影響噴霧錐角的因素

本研究擬合了噴霧錐角與噴口半徑的關(guān)系，得到如下結(jié)果：

圖6 流量與出口半徑擬合曲線

圖7 流量與旋流槽面積擬合曲線

圖8 流量與壓力擬合曲線

由上述公式可知：噴霧錐角與噴口半徑有正相關(guān)關(guān)系，增大噴口半徑可增大噴霧錐角，但同時也增大了流量。流量與噴霧錐角應(yīng)折衷考慮。

在主、副油路共同工作時，噴霧錐角與主噴口半徑的平方有正相關(guān)關(guān)系，而副噴口半徑對噴霧錐角的影響很小。噴嘴加工中應(yīng)嚴(yán)格控制加工公差，正負(fù)公差疊加可使流量達(dá)到限制邊界。主、副油路共同工作時，噴霧錐角與出口半徑平方的擬合曲線如圖9所示，具體數(shù)值見表5。

表5 噴霧錐角與出口半徑平方的具體數(shù)值

4.3 影響霧化粒度因素

擬合分析表明：

主、副噴口半徑不是影響霧化粒度的主要因素；

在主油路單獨(dú)工作時，擬合分析給出SMD與主油路工作壓力的關(guān)系為

其擬合曲線如圖10所示。

圖10 霧化粒度與壓力擬合曲線

在副油路單獨(dú)工作時：SMD=29.28-4.912PS

在主、副油路共同工作時：SMD=22.19-0.6Pz

5 結(jié)論

（1）噴嘴的出口半徑、旋流槽寬度、深度的工藝性與噴嘴的流量、噴霧錐角具有很強(qiáng)的相關(guān)性，研磨噴口直徑和旋流槽端面可以調(diào)整流量和噴霧錐角。

（2）噴口的加工錐度與流量、噴霧錐角、SMD沒有直接對應(yīng)關(guān)系。

（3）噴嘴的壓力對各參數(shù)的影響很大，具有強(qiáng)相關(guān)性。

（4）在主、副油路共同工作時，副油路不是影響流量、噴霧錐角、SMD的主要因素。

[1]張寶誠.航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和測試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：380-383.

[2]甘曉華.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴技術(shù) [M].北京:國防工業(yè)出版社，2006：15-55.

[3]馬洪安.某型航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴對比試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2009,35（3）:54-57.

[4]Han Z,Parrish S,Farrell P V，et al.Modeling atomization processes ofpressure-swirl-hollow-cone fuelspray[J].Atomization and Sprays,1997,7（5）:663-684.

[5]Rizk N K.Modelforresearch swirlatomizers[R].