某型回油離心式噴嘴性能試驗研究分析

李煒 王璐 謝芳

摘 要：回油離心式噴嘴作為單油路離心噴嘴的一種特殊類型，具有在較寬的燃油量變化范圍內(nèi)維持良好霧化質(zhì)量的特點，因此在小型發(fā)動機上具有一定的應(yīng)用前景。目前，相對于離心噴嘴，回油離心式噴嘴的設(shè)計方法成熟度相對較低，國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻中對回油噴嘴的試驗研究也較少，本文以某型回油噴嘴為研究對象，研究定進油流量情況下進、回油壓力、噴霧錐角、燃油周向分布不均勻度及霧化質(zhì)量隨回油孔有效面積的變化規(guī)律，為后續(xù)回油噴嘴的設(shè)計和計算提供支持。研究結(jié)果表明：在保持進油流量不變的情況下，增加回油孔有效面積，進油壓力和回油壓力均減小，但進、回油壓差基本不變；噴霧錐角和分布不均勻度均增大，霧化粒度變化很小。

關(guān)鍵詞：回油噴嘴；回油流量；進油壓力；回油壓力；噴霧錐角；燃油周向分布不均勻度；霧化質(zhì)量

中圖分類號：TK472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0075-03

燃油噴嘴是航空發(fā)動機燃燒室的關(guān)鍵部件，其作用是將液體燃料霧化，加大燃料的表面積，如此可提高燃燒時熱和質(zhì)的交換速率，加快燃燒過程，提高燃燒室性能。燃油噴嘴通常按照霧化原理的不同分為壓力霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴、旋轉(zhuǎn)噴嘴和蒸發(fā)管式噴嘴等。

目前航空發(fā)動機上應(yīng)用較多的燃油噴嘴類型為壓力霧化噴嘴和空氣霧化噴嘴。其中，壓力霧化噴嘴的工作原理是將壓力轉(zhuǎn)化為動能，使燃油旋轉(zhuǎn)運動，最終達到霧化的效果，其主要包括直射式噴嘴、離心式噴嘴（又分為單油路噴嘴和雙油路噴嘴）和回油噴嘴[1]。離心式噴嘴的霧化主要是依靠燃油的供油壓力，燃油在油壓驅(qū)動下通過專門設(shè)計的噴嘴內(nèi)的旋流孔或槽，在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)液膜的形式噴出噴口。但離心式噴嘴的一個主要缺點就是在小油量供油時，由于供油壓力低，不能保證良好的霧化錐角和燃油霧化質(zhì)量。

回油離心式噴嘴作為單油路離心噴嘴的一種特殊類型，在單油路離心噴嘴的基礎(chǔ)上在增加了一個回油通道并通過改變回油路流通面積以改變油量，使超過燃燒要求的多余燃油經(jīng)過這個通道返回到燃油腔，而噴口前油壓基本不變，這樣可以保證通過旋流室內(nèi)的燃油流速較高，使旋流室內(nèi)的燃油保持強旋流狀態(tài)，在較寬的燃油量變化范圍內(nèi)，能夠維持良好的霧化質(zhì)量[2，3]，因此在小型發(fā)動機上具有一定的應(yīng)用前景。

目前，相對于離心噴嘴，回油噴嘴的設(shè)計方法成熟度相對較低，國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻中對回油噴嘴的試驗研究也較少。本文以某型回油噴嘴，在保持進油量一定的情況下，通過改變回油路流通面積來調(diào)節(jié)回油量，進行了性能試驗研究，為后續(xù)回油噴嘴的設(shè)計和計算提供支持。

1 試驗件

以某型回油噴嘴作為研究對象，該噴嘴主要由噴嘴體、噴口、分流閥等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。該型回油噴嘴的工作原理為：燃油通過進油孔進入后，經(jīng)分流閥上的旋流槽后加速旋轉(zhuǎn)，在旋流室內(nèi)形成強旋流。一部分燃油通過回油孔返回油箱，余下燃油經(jīng)噴口小孔噴出，在火焰筒頭部形成霧錐，參與燃燒。采用這種調(diào)節(jié)方式，在小油量時，能保證經(jīng)過旋流室的總油量較大，有利于改善小油量狀態(tài)下的燃油霧化質(zhì)量，因此在各工作狀態(tài)下，均能夠得到良好的霧化效果。

2 試驗設(shè)備及測量方法

本試驗系統(tǒng)由燃油加溫冷卻裝置、燃油供油系統(tǒng)、噴霧錐角測量裝置、VXI數(shù)采系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)等組成，試驗系統(tǒng)及測試方法概圖如圖2所示。

噴霧錐角測量方法采用計算機圖像法，在距離噴口30mm位置進行測量，燃油周向分布不均勻度由12等分周向分布器測量，每份燃油量通過管道流入對應(yīng)的電子秤進行稱量，再由公式（1）進行計算得到。

（1）

式中Wfmax和Wfmin分別為12個分布電子秤所得的最大燃油質(zhì)量和最小燃油質(zhì)量。

3 試驗參數(shù)

保持噴嘴進油流量Wf=12kg/h恒定不變，通過調(diào)節(jié)回流閥改變回油孔有效面積（回油路流通面積）來調(diào)節(jié)回油流量，并進行以下試驗。

3.1 流量試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、0）kg/h時，測量錄取回油噴嘴的進油壓力和回油壓力。

3.2 噴霧錐角試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、0）kg/h時，在距噴口30mm處，測量錄取回油噴嘴的回油壓力和噴霧錐角。

3.3 燃油分布不均勻度試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（9.0、8.0、6.0、5.0、3.0）kg/h時，在距噴口30mm處，測量錄取回油噴嘴的回油壓力和燃油周向分布不均勻度。

3.4 霧化特性試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（9.0、8.0、6.0、5.0、3.0）kg/h時，在距噴口30mm處，測量錄取噴嘴液滴直徑SMD和液滴分布指數(shù)N。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 流量試驗

圖3為該型回油噴嘴進油流量Wf=12kg/h恒定不變時，進油壓力和回油壓力隨回油流量的變化關(guān)系。由圖3可得出以下結(jié)論。

（1）在進油量保持不變的情況下，隨著回油流量增大，回油壓力減小。分析其原因，回油流量增大，回油孔的有效面積增大，反壓減小，因此，回油壓力減小。反之，在進油量保持不變的情況下，隨著回油壓力的增大，燃油軸向速度增加，出油量增大，回油量減小。

（2）在進油量保持不變的情況下，隨著回油流量增大（噴油量減?。?，進油壓力也減小，這與單油路離心噴嘴的規(guī)律相同。

（3）在進油量保持不變的情況下，回油流量增大，進油壓力和回油壓力的變化趨勢基本一致，且進、回油壓差基本不變。

4.2 噴霧錐角試驗

圖4為該回油噴嘴進油量Wf=12kg/h保持不變的情況下，噴霧錐角隨回油流量的變化關(guān)系。

由圖4可得，隨著回油流量的減小，噴霧錐角不斷減小。這是由于回油流量減小時，由3.1節(jié)可知，進油壓力增大，噴口處燃油軸向速度增大，噴霧錐角會相應(yīng)減小，這與離心噴嘴得到的結(jié)論是一致的，即當(dāng)噴口上游壓力值增大到一定值后，繼續(xù)增大會使噴霧錐角減小。

4.3 燃油周向分布不均勻度試驗

圖5所示為該型回油噴嘴進油量Wf=12kg/h保持不變的情況下，燃油周向分布不均勻度隨回油流量的變化關(guān)系。

由圖可得，隨著回油流量的增加（回油壓力的減小），燃油周向分布不均勻度增加，這與離心式噴嘴的規(guī)律也是一致的。分析其原因如下，根據(jù)3.1節(jié)，當(dāng)進油量保持不變時，隨著回油流量增加，回油壓力減小，進油壓力也減小，旋流室內(nèi)燃油的湍流強度也減弱了，不助于充分混合改善燃油不均勻度分布。

4.4 燃油周向分布不均勻度試驗

圖6所示為該回油噴嘴進油量Wf=12kg/h保持不變的情況下，燃油液滴直徑SMD和液滴分布指數(shù)N隨回油流量的變化關(guān)系。

由圖6可知，進油量保持不變時，液滴直徑與液滴分布指數(shù)隨回油流量的變化很小。這是由于回油噴嘴的進油流量恒定，在各狀態(tài)下，旋流室內(nèi)燃油的動量較大，燃油的噴射壓力也較高，因此始終能維持較好的霧化質(zhì)量。

5 結(jié)語

由于回油噴嘴的回油流量是通過調(diào)節(jié)回油閥來改變回油孔有效面積（即回油路流通面積）實現(xiàn)的，綜上，在進油量保持不變的情況下，增大回油孔有效面積（即回油流量），可得到以下結(jié)論：（1）進油壓力和回油壓力均減小，但進、回油壓差基本不變；（2）由于回油壓力減小，進油壓力也減小，燃油軸向速度則減小，導(dǎo)致噴霧錐角增大；（3）由于進油壓力減小，旋流室內(nèi)燃油的湍流強度也隨之減弱，不助于充分混合，進而導(dǎo)致燃油周向分布不均勻度變大；（4）燃油的霧化質(zhì)量變化很小，在各狀態(tài)下均能維持較好的霧化質(zhì)量。

本文通過試驗總結(jié)了回油噴嘴在定進口流量情況下，回油孔有效面積的變化對進、回油壓力，噴霧錐角、燃油周向分布不均勻度和霧化質(zhì)量的影響，為后續(xù)回油噴嘴的設(shè)計和計算提供支持。

參考文獻

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[4] 蔡文哲，劉明華.微型回油式噴嘴設(shè)計及霧化試驗研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2017（6）：57-61.