發(fā)動(dòng)機(jī)小孔流道堵塞的測(cè)試方法分析

毛楊軍

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃料噴嘴堵塞會(huì)影響燃燒性能和排放。為準(zhǔn)確地篩選出堵塞超標(biāo)的部件，需要定期進(jìn)行測(cè)試。首先分析了小孔流道堵塞的檢測(cè)機(jī)理和關(guān)鍵點(diǎn)，再比較分析了幾種常見的氣體流量測(cè)量方法，根據(jù)待測(cè)流道的檢測(cè)需求確定最佳的方法，據(jù)此設(shè)計(jì)了音速噴嘴流量測(cè)試裝置，具有操作簡(jiǎn)單、多流道、精度高和維護(hù)少等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);小孔流道堵塞;檢測(cè)機(jī)理;氣體流量測(cè)量方法

1? 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部如燃料噴嘴、軸承潤(rùn)油噴嘴、透平噴嘴和透平冷卻孔等多處存在毫米級(jí)或以下的小孔流道，這些流道會(huì)因空氣或燃料中的雜質(zhì)而出現(xiàn)不同程度的堵塞，嚴(yán)重影響燃燒性能、軸承壽命、發(fā)動(dòng)機(jī)出力和高溫?zé)岵考膲勖?。因此，需定期?duì)各流道的堵塞程度進(jìn)行測(cè)試，準(zhǔn)確地篩選出超標(biāo)的部件以清洗或更換。然而目前全球范圍僅有少數(shù)廠家有能力從事該項(xiàng)檢測(cè)工作，國(guó)內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域的檢測(cè)依舊是采用孔板法[1]，技術(shù)落后完全不能滿足使用要求。

2? 小孔流道堵塞檢測(cè)機(jī)理

小孔流道堵塞后會(huì)使流道的通流能力發(fā)生改變，即單位時(shí)間內(nèi)通過流道的流體體積或質(zhì)量的能力[2]。通流能力最常用的表示方法是有效面積法[3]。有效面積是指在通流能力與待測(cè)流道等效的節(jié)流孔的截面積[4]，以Ae表示，計(jì)算公式如下：

P3-被測(cè)部件上游側(cè)的壓力，Pa;

Gc-引力常數(shù);

γ-氣體比熱比;

P4-大氣壓力，Pa;

R-氣體常數(shù)，J/（mol*K）;

T3-測(cè)量元件上游溫度，°R;

qm-質(zhì)量流量，kg/s。

當(dāng)測(cè)試用的氣體選定之后，γ和R值為定值，Gc為常數(shù)，P4為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)大氣壓，P3由待測(cè)部件的流道結(jié)構(gòu)確定，取值為恒定倍數(shù)的P4，T3可視為常數(shù)，Ae與qm為線性正比關(guān)系，因此，可將堵塞檢測(cè)工作簡(jiǎn)化成測(cè)量通過待測(cè)部件質(zhì)量流量。當(dāng)流道堵塞時(shí)，有效面積會(huì)減小，即質(zhì)量流量會(huì)減小。通常規(guī)定測(cè)得通過待測(cè)部件的質(zhì)量流量比同等環(huán)境條件下測(cè)得新部件的值減小控制在10%范圍內(nèi)作為判斷依據(jù)。

3? 常見的氣體流量測(cè)量方法

氣體的質(zhì)量流量由以下公式計(jì)算：

ρ-氣體密度;v-氣體流速;A-測(cè)量元件橫截面。

由于氣體可被壓縮，密度受溫度或壓力變化大，速度受外界因素影響波動(dòng)大，可見，氣體流量的精確測(cè)量仍是一個(gè)難題。

3.1 常見流量方法

節(jié)流件的應(yīng)用是最為普遍的氣體流量測(cè)量方法，主要有孔板、文丘里管、音速噴嘴和層流元件等，其中孔板和文丘里管屬于傳統(tǒng)節(jié)流件，音速噴嘴和層流元件屬于新型節(jié)流件。

3.1.1 傳統(tǒng)節(jié)流件

標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊圓形的、中心開孔、邊緣無倒角的薄金屬板。當(dāng)氣流快速流經(jīng)孔板的薄壁小孔時(shí)，由于流體的慣性作用，使通過節(jié)流孔的流體形成一個(gè)收縮面，然后再擴(kuò)大，這一收縮和擴(kuò)大的過程便在孔板的上下游側(cè)產(chǎn)生一個(gè)很大的靜壓差，同時(shí)產(chǎn)生了局部能量損失。根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性原理，可得流經(jīng)孔板的氣體質(zhì)量流量為：

C-節(jié)流件流出系數(shù);

ε-節(jié)流件可膨脹系數(shù);

d-節(jié)流孔徑;

β-d與上游管道內(nèi)徑比;

Δp-上下游壓差，Δp=p1-p2;

ρ-節(jié)流件入口氣體密度。

與標(biāo)準(zhǔn)孔板不同的是，文丘里管結(jié)構(gòu)增加圓柱形入口段、圓錐形收縮段、圓柱形喉段和圓錐形擴(kuò)散段，具有更小的壓損，并自帶取壓孔。文丘里管利用文丘里效應(yīng)測(cè)量氣體流量，即氣體在通過喉段時(shí)，流速增大，該流速與喉部斷面成反比。流經(jīng)文丘里管的氣體質(zhì)量流量仍可沿用式（3），但參數(shù)流出系數(shù)和可膨脹系數(shù)的取值不同。

3.1.2 新型節(jié)流件

音速噴嘴是一種新型的節(jié)流件，也被稱為臨界流文丘里管。也是利用文丘里效應(yīng)，但在文丘里管上作了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，達(dá)到不一樣的效果。主要由一個(gè)平滑的圓形入口段，匯聚到最小喉部，并沿著較長(zhǎng)的壓力恢復(fù)段發(fā)散，如圖2所示。

當(dāng)在最小面積的喉部達(dá)到的最大氣流速度為1馬赫時(shí)，因?yàn)楹聿克俣茸罡咔曳较蛳喾?，下游壓力擾動(dòng)不能通過噴嘴喉部向上游移動(dòng)，所以下游的氣流波動(dòng)不能影響通過噴嘴的流速或流量密度，被稱為音速狀態(tài)，此時(shí)通過音速噴嘴的質(zhì)量流量為：

A-音速噴嘴的喉部面積，m2;

c-氣體臨界流函數(shù)，按式（5）;

P入口-音速噴嘴入口的氣體絕對(duì)壓力，Pa;

T0-音速噴嘴入口氣體絕對(duì)溫度，K。

當(dāng)測(cè)試用氣體確定時(shí)，k和R為常數(shù)，則c為常數(shù)，T0可視為常數(shù)，因此通過音速噴嘴的質(zhì)量流量與入口壓力為線性正比例。

層流元件為另一種新型節(jié)流件。由許多平行捆綁在一起的細(xì)長(zhǎng)的小直徑管道組成，通過每根管道的流量減少，從而將氣流雷諾數(shù)保持在低水平，使流動(dòng)成為層流，最小化上、下游壓力損失，解決了傳統(tǒng)節(jié)流件因氣流紊流而導(dǎo)致的大壓損和上、下游側(cè)的壓力難以精確測(cè)量等問題，極大地提供測(cè)量精度，如圖2所示。

通過層流元件的氣體質(zhì)量流量為：

μ-氣體粘度，l-層流元件長(zhǎng)度。

當(dāng)層流元件確定時(shí)，通過層流元件的質(zhì)量流量與其壓差為線性正比例。

3.2 各節(jié)流件對(duì)比

各節(jié)流件特點(diǎn)不同，氣體測(cè)量的效果也不同，應(yīng)用對(duì)比如表1。

4? 節(jié)流件選擇和測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)流件的選擇

航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的小孔流道待測(cè)質(zhì)量流量值很小;每個(gè)燃料噴嘴的堵塞程度不同流量值也不同，流量范圍較廣;適應(yīng)多種流道的測(cè)量;測(cè)量精度要求高。標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓損最大，紊流程度最嚴(yán)重，因此測(cè)量的精度最低，測(cè)量的范圍也最小;文丘里管較孔板壓損小些，紊流程度有所改善，但鑒于測(cè)量原理知測(cè)量的范圍仍較窄，且尺寸大、精度不足，安裝條件嚴(yán)苛，一般只適用大管道流量的測(cè)試場(chǎng)合;層流元件的最大特點(diǎn)是具有最小壓損，因此測(cè)量的范圍最廣，氣流處于層流態(tài)，精度明顯提高，且尺寸小，應(yīng)用越來越多廣泛，但音速噴嘴在尺寸、精度、原理、維護(hù)和操作等方面更具優(yōu)勢(shì)，特別適用于極小流量的高精度的測(cè)量場(chǎng)合。

4.2 音速噴嘴流量測(cè)試裝置

為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔流道的流量測(cè)量需求，專門設(shè)計(jì)了音速噴嘴流量測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。主要由過濾器1、調(diào)壓閥、壓力表、五通閥4、音速噴嘴5、壓力表6、溫度計(jì)7、待測(cè)部件8和壓力表9組成。該測(cè)試系統(tǒng)四個(gè)不同規(guī)格的音速噴嘴，滿足不同流道的測(cè)試需求，各個(gè)流道的切換通過部件4來實(shí)現(xiàn)。每次測(cè)試時(shí)，只需記錄部件3的P1值，操作非常方便，每次測(cè)試的時(shí)間很短，加之音速噴嘴具有良好的測(cè)量精度，現(xiàn)該項(xiàng)研究已成功應(yīng)用到多個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)改地面燃機(jī)的大修服務(wù)項(xiàng)目中，取得了顯著效果。

5? 結(jié)束語

本文從分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔流道堵塞的檢測(cè)機(jī)理入手，確定流道的流量測(cè)量這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，隨后比較分析了孔板、文丘里管、音速噴嘴和層流元件傳統(tǒng)與新型節(jié)流件的流量測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)音速噴嘴在精度、操作性、流量范圍和尺寸等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，最終設(shè)計(jì)了適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)小孔流道堵塞程度測(cè)試的音速噴嘴流量測(cè)量系統(tǒng)，為其它類型流道堵塞檢測(cè)提供技術(shù)參考。

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