離心噴嘴偏心和凸凹對雙旋流器空氣霧化特性的影響

張善軍，金 戈，賈春燕，馬宏宇，齊 兵

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著先進航空燃氣輪機的發(fā)展，燃燒室工作壓力[1]、空氣流量、燃油流量、溫升和出口溫度顯著提升，對燃燒效率、出口溫度場品質(zhì)、污染物排放等燃燒室性能要求也更為嚴格[2-5]。因此要求在更大的流量范圍內(nèi)保證燃油噴嘴霧化效果良好。

為滿足上述要求，現(xiàn)代先進航空燃氣輪機燃燒室普遍采用壓力/空氣組合式霧化噴嘴[6-8]。在低工況時，燃燒室進口空氣壓力和速度均較低，燃油主要依靠幾何特征數(shù)小的副油路壓力霧化噴嘴進行霧化；在高工況時，燃燒室進口空氣壓力和速度均顯著提高，燃油主要依靠空氣霧化噴嘴進行霧化，保證燃油在有限供油壓差下，實現(xiàn)較大的供油量和良好的霧化效果[9]。選擇不同的壓力霧化噴嘴與空氣霧化噴嘴組合，形成壓力/空氣組合式霧化噴嘴。這種噴嘴具備不同形式，張弛等對直射式反向雙旋流空氣霧化噴嘴的噴霧特性進行試驗[10]，重點研究了不同空氣壓降和氣液比對液霧索太爾平均直徑DSM和分布指數(shù)N 的影響，并推導了索太爾平均直徑的計算模型；郭新華等采用與張弛同樣的方法，對離心式同向雙旋流器空氣霧化噴嘴噴霧特性進行了試驗研究[11]，得到了該型噴嘴的霧化質(zhì)量試驗結(jié)果；徐華勝等針對噴嘴供油特性對雙渦流器頭部氣動霧化效果的影響進行試驗[12]，重點研究壓力霧化噴嘴的1次霧化效果對雙渦流頭部氣動霧化效果的影響。在實際使用過程中，由于加工、裝配等環(huán)節(jié)的問題，會出現(xiàn)壓力霧化噴嘴相對空氣霧化噴嘴凸凹和偏心2種錯位情況。

本文針對離心噴嘴與葉片式反向雙旋流空氣霧化噴嘴組合式噴嘴，通過試驗研究離心噴嘴凸凹和偏心對組合噴嘴的霧場形態(tài)、索太爾平均直徑SMD和分布指數(shù)N 的影響。

1 離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴

本文研究的離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。該噴嘴由同軸（X 軸）設置的離心噴嘴、主旋流器、文氏管、副旋流器和套筒組成。具體參數(shù)見表1。燃油在供油壓力的驅(qū)動下，經(jīng)過離心噴嘴進行1次霧化，隨后在文氏管內(nèi)表面上形成初始油膜，油膜離開文氏管后，內(nèi)外兩側(cè)受到主、副旋流器分別形成的反向旋轉(zhuǎn)霧化空氣的剪切作用而繼續(xù)破碎，進行2次霧化。隨著霧化空氣速度的變化，該噴嘴的主導霧化方式由1次霧化向2次霧化轉(zhuǎn)變。

圖1 離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)

噴嘴凸凹指在其它部件固定的情況下，離心噴嘴沿X 軸移動，正向為凸，負向為凹；噴嘴偏心指在其它部件固定的情況下，離心噴嘴和主旋流器同時沿YZ 平面內(nèi)的任意方向移動。

2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要由垂直霧化室、激光測量系統(tǒng)（PDPA）、高清照相機、3維位移系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成[13]，如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

垂直霧化室由噴嘴固定支架、帶玻璃的霧化腔和抽風系統(tǒng)構(gòu)成。噴嘴安裝在噴嘴固定支架上，燃油豎直向下噴出，通過控制支架上的作動筒，調(diào)節(jié)噴嘴的上下位置，滿足霧場測量截面的要求。

激光測量系統(tǒng)由激光器、發(fā)射器和接收器組成，發(fā)射器和接收器安裝在3維位移系統(tǒng)的支架上，通過軟件可以控制其移動方向及間距大小，調(diào)節(jié)測量位置。該系統(tǒng)運用散射光的相干原理，測定每個運動粒子經(jīng)過相干區(qū)域的頻移和相移，獲得測量粒子的速度和直徑，再經(jīng)過一定時間的測量后，通過計算機進行統(tǒng)計處理，可以得到液霧任一位置的粒徑、速度和其它表征噴嘴霧化性能的參數(shù)。

試驗在常溫常壓下進行，首先調(diào)整離心噴嘴錯位（偏心/凸凹），連接試驗系統(tǒng)，將供氣壓力調(diào)節(jié)到預設值，用渦街流量計測量供氣量，根據(jù)設定氣油比計算出所需供油量，調(diào)節(jié)供油壓力至適當大小，用質(zhì)量流量計測量供油量。在套筒端面下游37mm處運用PDPA對噴霧場進行逐點測量，得到每個試驗狀態(tài)下各點的DSM，最終處理得到各測量線的DSM及R-R分布的特征尺寸值和分布指數(shù)N，并用高清照相機對液霧照相，記錄液霧場形態(tài)。

在試驗中，依據(jù)某航空燃氣輪機典型工況特性，選取供氣表壓5.3kPa，燃油流量4.4g/s，噴嘴偏心量LPX=0、1.28、2.1mm，噴嘴凸出量LTC=-2、0、1mm。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 噴嘴偏心對霧化性能的影響

進行噴嘴偏心對霧化性能影響的試驗時，保持噴嘴突出量等于0mm不變，同時因噴嘴相對于文氏管軸對稱設置，僅選取噴嘴在+Y 向偏心。

由于存在共軛雙鍵，花色素吸收可見光從而呈現(xiàn)一定的顏色。因為花色素不穩(wěn)定，所以在植物中常與葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖等結(jié)合形成花色苷[5]。花色苷根據(jù)連接糖基數(shù)量的多少可以分為單糖苷、二糖苷和三糖苷。

3.1.1 霧場形態(tài)變化

噴嘴偏心對霧場形態(tài)的影響如圖3所示。從圖3（a）中可見，當LPX=0mm，即離心噴嘴軸心相對文氏管軸心沒有發(fā)生偏移，此時霧場形態(tài)、燃油濃度的空間分布相對噴嘴對稱，并形成明顯對稱的雙渦式回流區(qū)；從圖3（b）、（c）中可見，當噴嘴偏心后，霧場形態(tài)發(fā)生顯著變化，雙渦式回流區(qū)形態(tài)基本消失，整個霧場向+X 方向偏移，燃油主要聚集在噴嘴下方，并且隨噴嘴偏心量的增加，霧場偏移和燃油聚集程度更加嚴重。

圖3 噴嘴偏心對霧場形態(tài)的影響

對于環(huán)形燃燒室，噴嘴偏心導致的燃油霧場偏移，這將顯著影響燃燒室出口溫度場品質(zhì)，直接影響到渦輪葉片的工作壽命[14-15]。

3.1.2 霧化質(zhì)量的影響

噴嘴偏心量與DSM的關系如圖4所示。從圖中可見，隨著噴嘴偏心量的增加，X、Y 向的DSM持續(xù)增大，表明偏心將導致霧化液滴粒徑變大，霧化效果變差，在試驗研究范圍內(nèi)，DSM平均值從64μm增大到68 μm。另外，在噴嘴偏心量較小時，X 向DSM變化很小，當偏心量較大時，X 向DSM顯著變大，X 向DSM比Y向的小。噴嘴偏心量與N 的關系如圖5所示。從圖中可見，隨著噴嘴偏心量增加，Y 向的N 減小，X 向的N呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，由N=2.4下降到N=2.2左右，并趨于穩(wěn)定，表明噴嘴偏心將導致液滴尺寸分布更加不均勻。同時，X 向的N 比Y 向的大。

圖4 噴嘴偏心量與DSM的關系

圖5 噴嘴偏心量與N 的關系

3.2 噴嘴凸凹對霧化效果的影響

進行噴嘴凸凹對霧化性能影響的試驗時，保持噴嘴偏心量等于0mm不變。

當噴嘴LTC=0mm時，霧場形態(tài)如圖3（a）所示，當LTC=-2、1mm時，霧場形態(tài)與圖3（a）相比變化不大。說明噴嘴凸凹對霧場形態(tài)影響很小，可以忽略。

3.2.2 霧化質(zhì)量的影響

噴嘴凸出量與SMD的關系如圖6所示。從圖中可見，相對于噴嘴的基準位置（LTC=0），噴嘴內(nèi)凹對SMD的影響很小，可以忽略不計；但是噴嘴外凸將使SMD顯著增大，平均值由66μm增大到70μm，使霧化質(zhì)量惡化。另外，噴嘴外凸對X 向的SMD的影響明顯大于對Y 向的影響。

圖6 噴嘴凸出量與DSM的關系

噴嘴凸出量與N 的關系如圖7所示。從圖中可見，相對于噴嘴的基準位置LTC=0），噴嘴內(nèi)凹使N 減?。幌喾磭娮焱馔故筃增大，N 由LTC=-2時的2.05增大到LTC=1時的2.95，液霧尺寸分布更加均勻。另外，X向的N 大于Y 向的，尤其在LTC=0時二者相差最大。

圖7 噴嘴凸出量與分布指數(shù)N 的關系

4 結(jié)論

離心噴嘴偏心/凸凹會對反向雙旋流空氣霧化噴嘴霧化特性產(chǎn)生不同程度的影響：

（1）噴嘴偏心使典型的雙渦對稱式回流區(qū)形態(tài)幾乎消失，霧場不再以套筒為中心對稱，而是發(fā)生偏移，燃油分布主要聚集在噴嘴下方，霧場偏移量也隨著偏心量的增加而增大，噴嘴凸凹對霧場影響很小，可以忽略不計；

（2）隨著噴嘴偏心量的增加，表征霧化質(zhì)量的索太爾平均直徑DSM增大、分布指數(shù)N 減小，這說明液霧粒徑尺寸變大，分布更加不均勻，霧化質(zhì)量惡化；

（3）噴嘴內(nèi)凹對液霧索太爾平均直徑DSM影響很小，使分布指數(shù)N 減小，導致液霧尺寸分布更加不均勻；

（4）噴嘴外凸使液霧索太爾平均直徑DSM和分布指數(shù)N 顯著增大，液霧尺寸也更大，分布更均勻。

相比離心噴嘴凸凹，偏心對離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴霧化特性的負面影響更大，特別是對霧場形態(tài)和回流區(qū)的影響將引起出口溫度場分布均勻度惡化，導致渦輪葉片壽命縮短，所以在實際使用中，一定要避免離心噴嘴偏心，同時盡量避免離心噴嘴凸凹。

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