噴嘴的加工質(zhì)量對射流影響的研究進展*

趙朝夕 王振龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

發(fā)動機噴注器上的燃油噴嘴是推進燃料燃燒的關(guān)鍵部件，對發(fā)動機的性能有著重要的影響［1］。通常要求發(fā)動機燃燒室的結(jié)構(gòu)尺寸較小，燃料流量也較小，噴嘴直徑一般在幾百個微米左右，這樣可以精準地控制燃料的流量提高燃燒組織精度。液體燃料在燃燒前流動的過程包括噴射、霧化、擴散、蒸發(fā)和混合等。其中，霧化現(xiàn)象使燃料和氧化劑盡可能充分地接觸，增大了燃料和氧化劑的接觸面積，縮短了燃燒時間并減少了燃料的用量，提高了燃料利用率。

在所有的壓力型噴嘴中，直射式噴嘴結(jié)構(gòu)簡單尺寸較小，在液體燃料發(fā)動機中應(yīng)用廣泛［2］。然而，燃油噴嘴在微細加工時并非完全平直和光滑，會產(chǎn)生微小的毛刺和飛邊。噴孔的特征尺寸很小，所以微毛刺的相對尺寸是很大的，如果用液力擠壓、光整加工等常規(guī)方法去除毛刺可能會對噴孔造成尺寸誤差，乃至損傷噴孔。

1 不同的小孔加工方法形成的表面質(zhì)量

小孔的加工方法是機械加工中非常重要的部分，一般認為小孔的直徑范圍為0.1～3 mm，微孔為小于0.1 mm 的孔，深孔為孔的深徑比大于10 的孔［3］。發(fā)動機噴嘴直徑為幾百微米量級，深徑比為2～3 左右，因此屬于小孔范圍。目前，應(yīng)用于小孔的加工方法有很多種，主要分為傳統(tǒng)機械加工方法和特種加工方法兩大類，見表1。

表1 小孔的加工方法

鉆削和電火花加工是比較常見的小孔加工工藝。鉆削具有生產(chǎn)率高、不受材料導(dǎo)電性能限制等優(yōu)點，是一種既經(jīng)濟、效率又較高的加工手段。北京科技大學(xué)的唐英［4］提出微細鉆削中由于鉆頭的直徑小，仍存在以下問題:①切屑難于排出，螺旋狀切屑劃傷內(nèi)壁，導(dǎo)致已加工表面的損傷，劃痕側(cè)面尖銳;②加工區(qū)散熱困難，鉆頭的溫度較高，加速鉆頭磨損;③在第三變形區(qū)，已加工表面受到切削刃鈍圓部分的擠壓和摩擦，產(chǎn)生局部變形和回彈，造成加工硬化;④加工通孔時底部材料的塑性變形，小孔出口處存在毛刺如圖1，而前3 個問題則會造成小孔內(nèi)壁的微小峰谷。

江蘇大學(xué)學(xué)者朱云明［6］提出鉆削屬加工后產(chǎn)生的毛刺形式有兩種，分別是進給方向入口毛刺和進給方向出口毛刺如圖2，出口的毛刺現(xiàn)象比較嚴重且不易去除，毛刺現(xiàn)象帶來的問題幾乎都是出口處毛刺引起的，嚴重影響工件的質(zhì)量，因此大部分的研究都集中在出口毛刺問題上。

電火花加工是一種直接利用電能進行加工的方法。它通過工具和工件之間不斷地產(chǎn)生脈沖火花放電時造成的局部高溫把金屬蝕除下來。印度理工學(xué)院學(xué)者M.P.S.Krishna Kiran 和Suhas S.Joshi［8］對電火花加工表面的粗糙度進行預(yù)測并得出模型，模型由單個火花放電對材料蝕除形成的凹坑結(jié)構(gòu)組成，每一次脈沖放電后測量出形成的凹坑尺寸。又將模型進一步擴展到考慮附著在工件表面上產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物這一因素，它們會造成二次放電。應(yīng)用化學(xué)動力法來評估摻雜在絕緣工作液中的電蝕產(chǎn)物對粗糙度結(jié)構(gòu)的影響，并做出實驗對是否關(guān)注電蝕產(chǎn)物因素時的粗糙度模型進行驗證。

電火花穿孔不受宏觀切削力的影響，形成的加工表面的峰谷比較連續(xù)［9］如圖3，由于空間狹小，排屑不暢會影響電火花小孔加工，電蝕產(chǎn)物形成的加工碎屑具有和電極或工件材料相近的性質(zhì)，所以其局部聚集會造成放電集中，使加工表面出現(xiàn)氧化、燒傷、加工強化等不良現(xiàn)象，不利于加工的穩(wěn)定性和精度要求［11］。在火花放電的瞬時產(chǎn)生高溫后在工作液的快速冷卻下，材料表面層會發(fā)生很大變化，生成熔化凝固層、熱影響區(qū)和顯微裂紋等等，內(nèi)層的結(jié)合也不牢固，增大了表面粗糙度值(如圖4)，電火花加工與鉆削等機加工打孔工藝相比，在相同粗糙度值的情況下，電火花加工的孔表面潤滑性能和耐磨損性能均好一些［13］。

由于噴嘴孔徑很小，而且與內(nèi)腔形成交叉孔或者臺階孔，任何光整加工都難以實現(xiàn)對微尺寸噴孔內(nèi)壁上缺陷的完全去除，因此提高噴孔內(nèi)壁質(zhì)量這一瓶頸問題永遠都制約著發(fā)動機的整體性能。加工表面質(zhì)量與噴孔的流量系數(shù)、噴霧形態(tài)等的關(guān)系是非常值得深入探討的。

2 小孔加工表面質(zhì)量對液體燃料流動的影響

2.1 小孔加工表面質(zhì)量對孔內(nèi)液體燃料流動的影響

西安交通大學(xué)的Haoli Wang 和Yuan Wang［14］利用常規(guī)微擾理論分析了三維壁面粗糙度對微管道中層流流動的影響情況，經(jīng)數(shù)值分析和計算后得知，相對粗糙度、壁面粗糙度函數(shù)的波數(shù)以及雷諾數(shù)是影響流動模式和壓力降的重要因素。若相對粗糙度小于1%，可以忽略粗糙度的影響，擾動范圍幾乎不變化。壓力降隨著相對粗糙度、壁面函數(shù)波數(shù)和雷諾數(shù)的增加而增大。粗糙度對流動模式的影響依賴于流體的湍流動能，粗糙度對壓力降的影響則依賴于流體能量的耗散。

南京機電液壓工程研究中心的顧玲燕［15］等人采用數(shù)值計算的方法研究了內(nèi)壁毛刺和加工精度(尺寸精度)對液動渦輪泵噴嘴流量的影響。通過實驗和計算的對比分析得出，內(nèi)壁毛刺和加工精度都能引起噴嘴流量的變化，相比而言毛刺對流量的影響更為突出。當噴孔直徑為滿足尺寸精度的前提下的最小值時，流量最小，而且內(nèi)壁毛刺對流量的影響也最小，所需原動力最少。為明確毛刺對噴嘴內(nèi)流動的具體影響，從壓力和速度兩方面對有無毛刺的情況建立三維模型分析流場，仿真結(jié)果如圖5，在毛刺的前后產(chǎn)生了壓差，且部分區(qū)域達到負壓，有一小部分回流出現(xiàn)，造成渦流損失。

大連理工大學(xué)的熊遠霄［16］以均勻分布的球形粗糙單元作為研究對象，用數(shù)值模擬分析的方法研究了繞流粗糙表面對二維邊界層流場壁面摩擦系數(shù)的影響，提出液體在粗糙表面上流過的距離越長壁面摩擦系數(shù)越小。在相同邊界條件下，半球形、錐形和球形的粗糙度單元對壁面摩擦系數(shù)的影響依次減小，粗糙度單元高度的增大會增大壁面摩擦系數(shù)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉君［17］用數(shù)值模擬的方法研究了粗糙度對微管道層流流動阻力的影響，重點研究相對粗糙度、粗糙單元間距以及雷諾數(shù)3 個參數(shù)，粗糙單元畫成沿管長分布的環(huán)肋狀。從CFD 數(shù)值計算軟件的仿真結(jié)果觀察到粗糙度單元的高度、雷諾數(shù)的增加或者單元間距的減小都能導(dǎo)致渦流區(qū)域的擴大，從而使流動阻力系數(shù)增大。另外，微流道的當量直徑越小、長徑比越大，阻力系數(shù)也越大。

Butler，J.Jeff［18］在研究粗糙噴嘴內(nèi)表面對渦輪性能的損害時指出，在對渦輪噴嘴組件噴砂處理過后，噴嘴內(nèi)表面會形成均勻細微的凹凸面，獲得了一定的粗糙度，導(dǎo)致渦輪輸出效率的損失而且增加耗熱率。

隨著人們對噴嘴內(nèi)表面加工質(zhì)量對于噴射影響研究的不斷深入，又發(fā)現(xiàn)了噴嘴內(nèi)壁粗糙度會加速噴嘴尤其是噴嘴喉部的腐蝕損耗。佐治亞理工學(xué)院的工程師Piyush Thakre［19］等人建立了模型，在考慮表面粗糙的同時，變換幾種不同化學(xué)腐蝕率的噴嘴材料(包括石墨/碳復(fù)合材料和難熔金屬)在一定范圍內(nèi)的邊界壓力條件下來檢測噴嘴的損耗率。經(jīng)過理論數(shù)值計算得到，噴孔喉部內(nèi)的粗糙度明顯改變了近壁處的速度和湍流的分布，引起局部質(zhì)量不均勻性和熱通量的增加，加速噴嘴的損耗。光滑噴嘴和粗糙噴嘴的腐蝕率曲線如圖6。

2.2 小孔加工表面質(zhì)量對孔外液體燃料射流的影響

東地中海大學(xué)學(xué)者Kiyan Parham［20］分析了光滑噴嘴射流流場如圖7，提出液流剛離開噴口呈液核狀，液核由于速度梯度引起的剪切力而發(fā)生了湍流擾動，隨著射流的進行液核不斷消散，湍流擾動夾帶周圍空氣進入射出的液流中，加強了兩相的混合。無論在射流的任何位置其最大速度都位于軸線處，速度在液流前進中衰減到零的同時擴大了流動范圍。

曼徹斯特大學(xué)學(xué)者E.Erdem 和L.Yang［21］在研究粗糙度對橫向射流的影響中，提出了粗糙度對邊界層的影響，它破壞了孔內(nèi)層流流動還提高了壁面的剪切應(yīng)力并引起速度的劇烈變化。壁面摩擦力的增大減少了邊界層的厚度，尤其在高速射流中，粗糙度還會引起沖擊和膨脹波，它們會和湍流邊界層發(fā)生相互作用。

浙江大學(xué)的劉勁松［22］利用計算流體力學(xué)軟件CFD對柴油機噴嘴噴霧流場進行了仿真模擬，噴霧場如圖8和9，發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)壁加入粗糙度后，射流速度出現(xiàn)波動，加強了湍流作用，噴霧平均直徑SMD變小，增大了噴射霧化的效果。液流和周圍空氣間的擾動也隨之加大，尤其表現(xiàn)在徑向運動上，也就是霧化錐角變大，由于能量守恒，所以軸向運動被削弱，表現(xiàn)在貫穿距離的減小。

日本石卷專修大學(xué)的學(xué)者R.Kobayashi［23］在分析噴嘴內(nèi)部空穴現(xiàn)象時通過實驗研究對比了鉆孔和鉸孔兩種噴嘴的加工工藝對燃油噴射質(zhì)量的影響。實驗結(jié)果顯示鉆削加工噴嘴的射流長度明顯短于經(jīng)過鉸孔加工噴嘴的射流長度如圖10。因此，得出了噴孔內(nèi)表面粗糙度顯著影響射流的長度這一定性結(jié)論。

洛陽工學(xué)院的劉建新［24］等人搭建噴油泵四孔試驗臺進行噴射實驗，選出具有明顯的毛刺現(xiàn)象的噴油嘴(四個孔噴射的流量參差不齊)，利用自制的頻閃噴霧攝像系統(tǒng)(CCD)拍攝了噴油嘴的噴霧圖像，之后利用液力擠壓去除毛刺技術(shù)對4個噴孔進行處理。將前后噴射圖像對比，來判斷噴孔處是否存在毛刺以及獲悉毛刺現(xiàn)象對噴霧質(zhì)量的影響。實驗結(jié)果如圖11，噴孔的毛刺不僅減小了噴孔的流量和射程，而且還引起射流形狀的畸變，這樣會使流束在燃燒室的分布不均勻，引致油氣混合的不均勻性。

從加工表面質(zhì)量對噴孔射流影響的定性定量角度分析，存在3 個方面的問題:①噴射流量減少［25］;②射程減少;③射流束出現(xiàn)畸變。這3 個因素都影響著霧化效果和對撞混合的均勻性，它們主要受到噴孔內(nèi)部流體的壓力分布、速度分布、阻力特性、出口流量和出口流速等方面的制約。

3 燃油噴射對液體燃料發(fā)動機性能的影響

目前，國產(chǎn)燃油噴嘴的質(zhì)量與國外應(yīng)用先進工藝的產(chǎn)品相比仍有一定差距，許多主機廠為保證柴油機的性能(特別是排放指標)，往往要高價進口燃油噴嘴。在國產(chǎn)噴嘴的加工過程中，其表面加工質(zhì)量是燃油噴射系統(tǒng)的各項指標中衡量發(fā)動機燃燒性能的主要參數(shù)，內(nèi)表面的形貌會影響到射流質(zhì)量，微裂紋等加工缺陷會導(dǎo)致噴嘴的應(yīng)力集中和疲勞失效等。

液體火箭發(fā)動機中常出現(xiàn)高頻不穩(wěn)定燃燒，它與燃燒過程的壓力波有關(guān)。清華大學(xué)的尕永婧［26］等研究了霧化錐角對燃燒室壓力振蕩的影響，提出當霧化角為40°或120°時，推進劑噴霧重合區(qū)較大或較小，燃料和氧化劑的混合程度也較好或較差。而當霧化角為65°時，燃燒室壓力振蕩最劇烈，可能導(dǎo)致爆炸的發(fā)生。

4 結(jié)語

對微小孔內(nèi)流體的流動和射流的研究從簡單實驗到理論分析，從粗糙度造成流動的阻力增加、噴孔流量和射流長度減少這些直觀影響，到對管內(nèi)凹凸導(dǎo)致前后流體形成渦流的仿真結(jié)果分析，最后又同時考慮了粗糙單元的高度、間距和形狀等因素對流動的影響，可以得知粗糙微小孔內(nèi)的流動規(guī)律的研究已經(jīng)有了一定程度的深入。目前，在粗糙度對液體流動阻力特性影響在數(shù)值計算方面的現(xiàn)有研究，是通過將實際加工表面的凹凸抽象簡化成形狀規(guī)則的粗糙單元的小孔模型來進行分析的，而且離散單元的方法是現(xiàn)階段研究的主流。而實際上噴孔的內(nèi)壁質(zhì)量是非常復(fù)雜多變的，即使粗糙度數(shù)值相同，但是應(yīng)用不同的加工方法得到的內(nèi)壁紋理特性是不同的，不同材料得到的內(nèi)壁形貌也有很大差別。另外，之前的學(xué)者大多局限于研究孔內(nèi)粗糙單元對于孔內(nèi)流體流動的影響，而關(guān)于孔內(nèi)粗糙單元對射流的影響、出口的毛刺和卷邊等對出流的影響卻少有涉及。

采用特定的加工方法來加工小孔得到發(fā)動機燃油噴嘴。探索噴嘴加工表面形貌對噴嘴入口、出口和內(nèi)壁粗糙度和射流特性的影響關(guān)系。合理選擇噴嘴加工工藝和精度是很有必要的。

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