噴口尺寸對(duì)高溫升燃燒室副噴嘴性能影響

莫 妲，張成凱，竇義濤，李美燁

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

某高溫升燃燒室采用三旋流燃燒組織方式，與常規(guī)溫升及較高溫升燃燒室相比，能在更為寬廣的油氣比范圍內(nèi)穩(wěn)定而高效地工作[1]，實(shí)現(xiàn)大范圍的油量調(diào)節(jié)。在小狀態(tài)下，不會(huì)因貧油而熄火[2]，同時(shí)也有較好的點(diǎn)火性能。燃油噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的關(guān)鍵部件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能起著重要作用[3]。燃油體積分?jǐn)?shù)分布對(duì)燃燒效率、火焰穩(wěn)定、點(diǎn)火、出口溫度分布、排氣污染物都有很大影響[4]。

趙碩等[5]對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴的工作特性和霧化質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)定了在不同壓力下噴嘴的流量特性、噴霧錐角、索太爾平均粒徑（Sauter Mean Diameter，SMD）及尺寸分布；黨龍飛等[6]試驗(yàn)研究了2 種大小流量不同的雙油路離心噴嘴在不同供油壓力下的油霧特性；萬云霞等[7]研究了火焰筒頭部積碳對(duì)燃油霧化特性的影響，采用相位多普勒粒子分析儀測(cè)量了不同油氣比下的霧化錐角、SMD 和粒子分布，表明積碳對(duì)噴霧錐角、燃油粒徑和噴霧的均勻性影響很大；Simmons[8]提出平均直徑及分布指數(shù)是影響離心噴嘴液滴尺寸分布的2 個(gè)參數(shù)；金如山[4]提出霧化平均直徑和噴嘴直徑的平方根成正比；Taka?hashi 等[9]試驗(yàn)研究了脈沖式供油離心噴嘴霧化油滴速度分布；楊立軍等[10]采用高速照像方法研究了離心噴嘴的噴霧場(chǎng)軸向速度分布。

在公開文獻(xiàn)中針對(duì)噴口長(zhǎng)徑比和旋流室直徑與噴口直徑比對(duì)離心噴嘴性能的影響研究較少，本文針對(duì)三旋流高溫升燃燒室的副油路離心噴嘴，在不同供油壓力條件下，試驗(yàn)研究了噴口長(zhǎng)徑比和旋流室直徑與噴口直徑比對(duì)噴嘴流量、錐角和霧化性能的影響。

1 研究方案

三旋流燃燒室副油路噴嘴的2維幾何模型如圖1所示.該離心噴嘴由旋流器、噴口、轉(zhuǎn)接段組成。當(dāng)離心噴嘴工作時(shí)，高壓燃油通過噴嘴內(nèi)的旋流器后在旋流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)燃油噴出時(shí)，在離心力作用下將燃油霧化散開成為許多微小的液珠。該噴嘴在低供油量條件下可獲得霧化良好的油霧，確保燃燒室點(diǎn)火及在低功率狀態(tài)下高效穩(wěn)定燃燒[11]。

圖1 離心噴嘴2維幾何模型

試驗(yàn)噴口局部如圖2所示。圖中，Lc為噴口長(zhǎng)度，dc為噴口直徑，Ds為旋流室直徑。

圖2 噴口局部

試驗(yàn)共7 個(gè)方案，方案 1～4 的Ds/dc=4，Lc/dc分別為0.5、1.0、1.2 和 1.5；方案1、5～7的Lc/dc=0.5，Ds/dc分別為3、5和6。

2 試驗(yàn)設(shè)備和條件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

噴嘴霧化試驗(yàn)器如圖3 所示。通過配套的后處理軟件可以得到其他的流體參數(shù)，如湍流度、SMD、粒徑分布均勻度指數(shù)N和特征直徑D等。

圖3 噴嘴霧化試驗(yàn)器

2.2 試驗(yàn)條件

針對(duì)7 個(gè)方案測(cè)取了供油壓力分別為70、160、400、540、900、1600、2700、3400 kPa 時(shí)的燃油流量和霧化錐角；在供油壓力為160、540 kPa 時(shí)，距噴口端面 70 mm 處對(duì)各方案進(jìn)行了霧化粒度試驗(yàn)，測(cè)量的霧化參數(shù)有數(shù)密度分布、RR（Rosin-Rammler）分布[12-13]的特征直徑D和均勻度指數(shù)N。其中，特征直徑為體積分?jǐn)?shù)累計(jì)至63.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的燃油粒徑。

壓力測(cè)量誤差為±0.5%，且壓力測(cè)量點(diǎn)距試驗(yàn)件進(jìn)口的管線長(zhǎng)度不大于0.3 m，錐角測(cè)量誤差不大于±1°。為減小測(cè)量誤差，由專人進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并嚴(yán)格控制其精確度。采用觸針式測(cè)量裝置在距離噴口端面10 mm 軸向位置的2 個(gè)相互垂直平面上測(cè)量噴霧錐角，如圖4所示。

圖4 噴霧錐角測(cè)量

試驗(yàn)介質(zhì)為3 號(hào)噴氣燃料，在試驗(yàn)時(shí)，燃油溫度為（20±1）℃，密度為786.6 kg/m3。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 燃油流量和噴霧錐角

燃油流量Q隨供油壓力P和噴口長(zhǎng)徑比Lc/dc變化的曲線如圖5 所示。從圖中可見，在相同壓力工況下，當(dāng)噴口長(zhǎng)徑比增大時(shí)，燃油流量減小，這是因?yàn)閲娍陂L(zhǎng)度增加時(shí)，燃油流動(dòng)損失增大，導(dǎo)致流量變小。同時(shí)，在相同長(zhǎng)徑比條件下，燃油流量隨供油壓力的增大而增大。

圖5 噴口長(zhǎng)徑比對(duì)流量的影響

霧化錐角α隨供油壓力P和噴口長(zhǎng)徑比Lc/dc變化的曲線如圖6 所示。從圖中可見，在相同壓力工況下，當(dāng)噴口長(zhǎng)徑比增大時(shí)，霧化錐角減小，這是因?yàn)閲娍谥本€段的壓力損失增加，使霧錐打開時(shí)需要的能量減小，因此噴霧錐角也隨之減小。同時(shí)，在相同長(zhǎng)徑比條件下，隨供油壓力的增大，霧化錐角先增大至某一恒定值，隨后減小，因?yàn)楣┯蛪毫υ龃蟮揭欢ㄖ岛螅加鸵旱嗡艿妮S向力增大，使霧錐向噴霧中心逐漸收縮。

圖6 噴口長(zhǎng)徑比對(duì)錐角影響

噴嘴的幾何特性數(shù)A為[14]

式中：∑f為旋流槽面積；θ為旋流槽角度。

幾何特性數(shù)A與流量系數(shù)μ和噴霧錐角α的關(guān)系曲線[14]如圖7 所示。圖中橫坐標(biāo)為A，主要縱坐標(biāo)為α，次要縱坐標(biāo)為μ。當(dāng)A增大時(shí)，流量系數(shù)減小，錐角增大。

圖7 A與μ和α的關(guān)系

燃油流量為[14]

式中：μ為流量系數(shù)；ρf為燃油密度；ΔPf為燃油壓力。

從式（2）中可見，當(dāng)噴口面積和燃油壓力不變時(shí)，流量系數(shù)增大，燃油流量也隨之增大。

燃油流量Q和霧化錐角α 隨旋流室與噴口直徑比Ds/dc的變化曲線如圖8、9所示。從圖中可見，在相同壓力工況下，Ds/dc增大時(shí)，Q減小，α減小。這是因?yàn)樵谑剑?）中，dc減小時(shí)，A減小，此時(shí)從圖6 中可知，流量系數(shù)μ增大，α減小。但流量系數(shù)的增大沒有噴口直徑減小的幅度大，因此由式（2）得到的燃油流量還是減小的。

圖8 旋流室與噴口直徑比對(duì)流量影響

3.2 霧化性能參數(shù)

方案1 在不同供油壓力條件下的霧化情況如圖10 所示。在70 kPa 時(shí)，噴霧型式為“喇叭口”模式，此時(shí)燃油噴射速度小，主要是表面張力和慣性力起作用。隨著壓力增大，噴射速度增大，與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈，燃油破碎為小液滴。在供油壓力小于2700 kPa時(shí)，隨著壓力的升高，噴霧角度增大，會(huì)使液滴更充分地暴露于周圍空氣或燃?xì)庵?，使霧化效果改善，傳熱傳質(zhì)速度提高[15]；當(dāng)壓力為3400 kPa 時(shí)，燃油在離開噴口后便形成濃霧，同時(shí)，隨著霧錐與噴口端面的距離的增加，霧錐逐漸收縮，這與圖6和圖9的結(jié)果是吻合的。

圖9 旋流室與噴口直徑比對(duì)錐角影響

圖10 方案1噴霧情況

方案1 的特征直徑D和均勻度指數(shù)N隨壓力的變化關(guān)系如圖11 所示。從圖中可見，隨著壓力的升高，特征直徑D減小，均勻度指數(shù)N增大，即供油壓力的升高使燃油霧化效果得到改善。

圖11 方案1的特征直徑、均勻指數(shù)與壓力關(guān)系

在供油壓力為160 kPa時(shí)，特征直徑D和分布指數(shù)N隨噴口長(zhǎng)徑比Lc/dc的變化曲線如圖12所示。從圖中可見，噴口長(zhǎng)徑比對(duì)離心噴嘴霧化性能有一定影響。在相同壓力工況下，Lc/dc大的霧化質(zhì)量要比Lc/dc小的好，說明Lc/dc大些有利于燃油的離心旋轉(zhuǎn)，有利于霧化。

圖12 Lc/dc對(duì)特征直徑和分布指數(shù)的影響

在供油壓力為160 kPa 時(shí)，特征直徑D和分布指數(shù)N隨旋流室與噴口直徑比Ds/dc的變化曲線如圖13所示。從圖中可見，旋流室與噴口直徑比對(duì)離心噴嘴霧化性能也有一定影響。在相同壓力工況下，Ds/dc小的離心噴嘴霧化質(zhì)量?jī)?yōu)于Ds/dc大的，因?yàn)镈s/dc小有利于燃油的離心旋轉(zhuǎn)，因而有利于霧化。

圖13 Ds/dc對(duì)特征直徑和分布指數(shù)的影響

在供油壓力為540 kPa 時(shí)，方案1~4 的數(shù)密度分布如圖14所示。從圖中可見，4條曲線都呈現(xiàn)雙峰趨勢(shì)，隨著噴口長(zhǎng)徑比的增大，雙峰處的數(shù)密度值減小。在供油壓力為540 kPa 時(shí)，方案1、5~7 的數(shù)密度分布如圖15 所示。隨旋流室與噴口直徑比的減小，雙峰處的數(shù)密度值減小。這是因?yàn)樵趪娍陂L(zhǎng)徑比大和旋流室與噴口直徑比小的情況下，霧化的燃油粒子體積分?jǐn)?shù)較大，激光穿透油霧時(shí)的能量損失和來自霧化燃油粒子的反射光都會(huì)影響測(cè)量，致使大部分小粒徑粒子沒有被測(cè)到。

圖14 數(shù)密度分布

圖15 數(shù)密度分布

4 結(jié)論

本文針對(duì)供油壓力、離心噴嘴的噴口長(zhǎng)徑比和旋流室直徑與噴口直徑比對(duì)燃油流量、噴霧錐角、霧化性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)相同的幾何尺寸的噴嘴，隨著供油壓力的升高，燃油流量增大，在供油壓力低于2700 kPa時(shí)，噴霧錐角與供油壓力正相關(guān)，繼續(xù)增加供油壓力，噴霧錐角有減小的趨勢(shì)；

（2）噴口長(zhǎng)度和噴口直徑對(duì)離心噴嘴的噴霧特性有很大影響。在相同的供油壓力下，當(dāng)噴口長(zhǎng)徑比和旋流室與噴口直徑比增大時(shí)，燃油流量和噴霧錐角同時(shí)減小，前者使霧化質(zhì)量變好，后者相反。

（3）幾何特性數(shù)與流量系數(shù)和噴霧錐角的關(guān)系對(duì)噴嘴設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值，為方案設(shè)計(jì)階段噴嘴的關(guān)鍵尺寸選取提供依據(jù)。