火焰筒頭部積碳對(duì)燃油霧化特性影響的試驗(yàn)研究

萬(wàn)云霞，柴 昕，竇義濤

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

在航空燃?xì)廨啓C(jī)研制的過程中，積碳是燃燒室部件中的較為突出的問題之一。在燃燒室工作過程中，燃油噴嘴、頭部旋流器等部件常常會(huì)產(chǎn)生各種積碳[1-4]。隨著軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增大，對(duì)燃燒室溫升的要求越來越高[5，8]；同時(shí)要求燃燒室具有更高可靠性和更長(zhǎng)使用壽命，因而解決火焰筒頭部裝置的積碳問題顯得更緊迫。

燃燒室在使用一段時(shí)間后，火焰筒頭部文氏管表面均會(huì)出現(xiàn)不同程度的積碳，導(dǎo)致燃油濃度場(chǎng)及燃燒室頭部氣動(dòng)流場(chǎng)匹配不佳[9,12]，進(jìn)氣不對(duì)稱，以及油氣參與燃燒時(shí)火焰偏斜，使火焰筒局部受到持久過燒[13-15]。

本文通過對(duì)文氏管表面帶有積碳的火焰筒頭部旋流裝置進(jìn)行霧化性能試驗(yàn)，得出文氏管部位不同形態(tài)積碳對(duì)旋流裝置下游霧化場(chǎng)的影響規(guī)律，為燃燒室部件的設(shè)計(jì)、使用及修理維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)條件

圖1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件主要包括火焰筒頭部旋流霧化裝置和離心式燃油噴嘴，如圖1所示。其霧化過程是經(jīng)過離心噴嘴初步霧化的燃油顆粒，以60°左右的錐角入射在頭部旋流裝置的文氏管表面，并形成油膜后經(jīng)過燃燒室頭部旋流裝置的旋流空氣的強(qiáng)剪切作用，繼續(xù)破碎成更小的燃油粒子進(jìn)入火焰筒參與燃燒。

在保持該頭部旋流霧化裝置的2級(jí)旋流器以及噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，改變文氏管表面積碳狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。由于火焰筒頭部積碳狀態(tài)在使用過程中會(huì)在氣流作用下發(fā)生變化，試驗(yàn)采用在文氏管端面涂抹膠質(zhì)來模擬實(shí)際積碳狀態(tài)，旋流霧化裝置包括文氏管表面光潔、擴(kuò)張段有均勻2mm、3mm左右不均勻的3種積碳形態(tài)。

本文針對(duì)各積碳形態(tài)的霧化裝置主要進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)的霧化性能試驗(yàn)，得出其頭部油氣比分別為0.080、0.145、0.240。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)

為分析噴霧場(chǎng)下游流場(chǎng)燃油霧化特性，對(duì)距離霧化裝置文氏管積碳表面出口軸向距離分別為47、68 mm位置截面的燃油粒子霧化流場(chǎng)進(jìn)行分析。

試驗(yàn)運(yùn)用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）對(duì)經(jīng)過頭部旋流霧化裝置霧化后的燃油粒子進(jìn)行噴霧場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量主要參數(shù)包括索太爾平均直徑（D32）、燃油粒子數(shù)密度分布、燃油粒子特征直徑和分布指數(shù)、霧化錐角、噴霧場(chǎng)偏心度等，其中燃油粒子分布指數(shù)N 按R-R（Rosin-Rammler）分布統(tǒng)計(jì)。

2.2 燃油粒徑分布

在霧化裝置下游35 mm截面位置，頭部油氣比分別為0.080、0.145和0.240下D32沿徑向的分布規(guī)律如圖2～4所示。

圖2 47mm截面處D32分布（油氣比0.080）

圖3 47mm截面處D32分布（油氣比0.145）

圖4 47mm截面處D32分布（油氣比0.240）

由于霧化裝置安裝的為雙油路離心噴嘴，在其下游47mm截面處和不同油氣比狀態(tài)下，無積碳、帶有均勻和不均勻積碳形式的的旋流霧化裝置，燃油粒子D32分布呈3v形，在噴霧外圍和中心區(qū)，其D32都呈先減小后增大趨勢(shì)。在同一油氣比狀態(tài)下，相對(duì)無積碳和均勻積碳的頭部，帶有不規(guī)則積碳的霧化裝置下游流場(chǎng)燃油粒子的D32明顯增大，并且燃油粒子沿徑向分布對(duì)稱性變差。

在霧化裝置下游47mm截面處，油氣比分別為0.080、0.145、0.240下，帶有3種積碳形態(tài)的霧化裝置下游噴霧場(chǎng)的燃油粒子的特征直徑和R-R分布指數(shù)見表1。

表1 47mm截面燃油平均粒徑和分布指數(shù)

對(duì)同1種積碳模式下的液滴分布指數(shù)分析可知，隨著霧化裝置油氣比的增大，燃油粒子的R-R分布指數(shù)增大，說明其燃油粒子分布相對(duì)更均勻，但是液滴平均粒徑增大；而在同一油氣比下，相對(duì)于頭部文氏管端面帶有均勻和無積碳形態(tài)，文氏管端面帶有不均勻積碳的霧化裝置，其下游噴霧場(chǎng)燃油粒徑加大，但二者分布均勻性相當(dāng)。

在霧化裝置下游68mm截面處，油氣比分別為0.080，0.145，0.240下，燃油粒子D32沿徑向方向的分布規(guī)律如圖5～7所示。

圖5 68mm截面處D32分布（油氣比0.080）

圖6 68mm截面處D32分布（油氣比0.145）

圖7 68mm截面處D32分布（油氣比0.240）

從圖5～7中可見，在下游截面，在任何1個(gè)油氣比下，相對(duì)頭部文氏管端面帶有均勻積碳和無積碳形態(tài)，文氏管端面帶有不規(guī)則積碳狀態(tài)的霧化裝置的D32較大。而在同一油氣比下，存在不規(guī)則積碳時(shí)，燃油粒徑分布明顯偏離，且在68mm截面的偏移量要比在47mm截面的更大。

在霧化裝置下游68mm截面處，油氣比分別為0.080、0.145、0.240下，帶有3種積碳形態(tài)的霧化裝置下游噴霧場(chǎng)的燃油粒子的平均粒徑和液滴分布指數(shù)的綜合值見表2。

表2 68mm截面燃油平均粒徑和分布指數(shù)

通過對(duì)表1、2中2個(gè)截面下的3種積碳模式的燃油粒徑對(duì)比可知，在相同油氣比下，相對(duì)于文氏管端面無積碳和帶有不規(guī)則積碳的狀態(tài)，文氏管端面帶有均勻積碳時(shí)，其霧化裝置在同一位置的燃油粒徑更小，即帶有均勻積碳狀態(tài)的燃油粒徑小于文氏管端面無積碳狀態(tài)的，文氏管端面帶有不規(guī)則積碳狀態(tài)的燃油粒徑最大。

在均勻積碳情況下，由于出口面積減小，使得霧化空氣對(duì)燃油粒子的剪切作用增強(qiáng)，對(duì)燃油霧化起到了促進(jìn)作用；存在不規(guī)則積碳時(shí)，使得霧化空氣分布不均勻，局部霧化效果得到增強(qiáng)，下游流場(chǎng)受到影響，總體霧化質(zhì)量有所降低。無論對(duì)任何積碳形式下的噴霧場(chǎng)，平均粒徑均隨著油氣比的增大而增大。

對(duì)比表1、2中數(shù)據(jù)還可知，在油氣比為0.080和0.145下，燃油粒徑在47、68mm截面位置基本相當(dāng)，但是在油氣比為0.24時(shí)，相對(duì)于霧化裝置下游47 mm截面位置，在68mm截面位置燃油粒子平均粒徑變大，粒子分布指數(shù)減小，分布更不均勻。

2.3 燃油顆粒數(shù)密度

在燃油霧化裝置下游47、68mm截面處，燃油顆粒在不同油氣比（0.08，0.14，0.24）、不同積碳形式（無積碳、2mm均勻積碳和不規(guī)則積碳）下燃油粒子數(shù)密度沿徑向分布規(guī)律如圖8～13所示。

圖8 47mm截面燃油數(shù)密度分布（油氣比0.080）

圖9 47mm截面燃油數(shù)密度分布（油氣比0.145）

圖10 47mm截面燃油數(shù)密度分布（油氣比0.240）

從圖8～10中可見，無論對(duì)于何種積碳形式，在霧化裝置下游47mm截面處，燃油粒子數(shù)密度變化有著相同的分布規(guī)律，從中心到外圍呈先增大后減小分布，在噴霧中心區(qū)域內(nèi)燃油粒子密度較小，這是由于離心噴嘴的燃油經(jīng)過霧化裝置的霧化的結(jié)果。

圖11 68mm截面燃油數(shù)密度分布（油氣比0.080）

圖12 68mm截面燃油數(shù)密度分布（油氣比0.145）

圖13 68mm截面燃油數(shù)密度分布（油氣比0.240）

從圖11～13中可見，在距離燃油霧化裝置出口68mm截面處，文氏管端面帶有無積碳和均勻積碳的2種狀態(tài)的霧化裝置，其下游燃油粒子數(shù)密度分布相似。但是由于在霧化裝置下游燃油噴霧場(chǎng)受到不規(guī)則積碳的影響而發(fā)生了偏移，相對(duì)于無積碳、均勻積碳的試驗(yàn)狀態(tài)，帶有不規(guī)則積碳的霧化裝置，其下游流場(chǎng)的燃油粒子數(shù)密度沿周向分布更加不均勻。

通過對(duì)噴霧場(chǎng)下游47、68mm截面處的燃油粒子數(shù)密度分布曲線對(duì)比分析可得，距離霧化裝置出口軸向越遠(yuǎn)，其燃油粒子數(shù)密度沿徑向?qū)ΨQ分布性越差。

2.4 噴霧錐角

采用拍照法對(duì)霧化裝置的燃油進(jìn)行霧化錐角測(cè)量，帶有3種積碳形態(tài)的霧化裝置在不同油氣比下的噴霧錐角試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

通過對(duì)不同積碳形式油霧的霧化錐角試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，相對(duì)于無積碳狀態(tài)，在各油氣比下，霧化裝置頭部帶有均勻積碳和不規(guī)則積碳狀態(tài)時(shí)，其油霧噴霧錐角明顯變大。

表3 噴霧錐角

3 結(jié)論

上述試驗(yàn)分析表明，文氏管表面積碳對(duì)霧化裝置下游的噴霧場(chǎng)有著明顯影響，得出以下主要結(jié)論：

（1）油氣比對(duì)平均粒徑的影響。在相同油氣比下，平均粒徑變化規(guī)律顯著。頭部存在均勻積碳、無積碳和不規(guī)則積碳狀態(tài)下燃油粒子D32均呈遞增趨勢(shì)；而且隨著霧化裝置油氣比的增大，燃油粒子平均粒徑也逐漸增大。

（2）積碳對(duì)燃油粒徑的影響。在47、68mm截面，文氏管端面帶有2mm均勻積碳的燃油霧化裝置下游流場(chǎng)平均粒徑要比無積碳時(shí)略有減小，但是其分布規(guī)律沒有明顯變化；由于文氏管出口截面的不規(guī)則積碳對(duì)旋流器旋流效果的影響，霧化裝置下游流場(chǎng)發(fā)生改變，燃油粒子平均粒徑相比無積碳和帶有2mm均勻積碳明顯增大。

（3）積碳對(duì)噴霧場(chǎng)均勻性的影響。文氏管端面無積碳和帶有2mm均勻積碳的霧化裝置，其燃油粒子下游噴霧場(chǎng)沒有發(fā)生明顯變化；而文氏管端面存在不規(guī)則積碳時(shí)，其下游燃油粒徑分布發(fā)生了明顯偏移，隨著軸向距離加長(zhǎng)，其燃油粒子沿徑向分布的對(duì)稱性變差；相對(duì)于文氏管端面無積碳和存在均勻積碳狀態(tài)，在不規(guī)則積碳時(shí)燃油粒子數(shù)密度沿周向分布更加不均勻。

（4）積碳對(duì)噴霧錐角的影響。相對(duì)于無積碳狀態(tài)，在各油氣比狀態(tài)下，霧化裝置頭部帶有均勻積碳和不規(guī)則積碳時(shí)，其油霧噴霧錐角明顯變大。

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