離心氣動(dòng)組合式雙油路噴嘴試驗(yàn)研究

楊敏 陳敏敏 竇彥超

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，從燃油噴嘴噴出的燃油需要在一定的受限空間內(nèi)完成快速高效燃燒。燃燒室的燃燒效率、火焰穩(wěn)定邊界、起動(dòng)點(diǎn)火、污染物排放等關(guān)鍵燃燒性能均與燃油液滴的分布和蒸發(fā)過程相關(guān)，而燃油液滴的分布很大程度上取決于噴嘴的霧化性能。因此，噴嘴良好的霧化效果是實(shí)現(xiàn)高效燃燒的基礎(chǔ)，也是保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的前提[1-3]。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室廣泛采用的是屬于壓力霧化方式的離心噴嘴，主要原因在于離心噴嘴在低油壓下良好的霧化質(zhì)量。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比增加，燃燒室油氣比升高，對(duì)燃燒室性能的要求也逐步提高，雙油路離心噴嘴憑借良好的霧化質(zhì)量、較寬的燃油調(diào)節(jié)比，可以保證燃燒室良好的點(diǎn)火性能和寬廣的貧油熄火范圍，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用[4]。雙油路噴嘴一般分為主油路和副油路，其突出特點(diǎn)是燃油調(diào)節(jié)范圍大。當(dāng)燃燒室供油量較小時(shí)，即小狀態(tài)下（如發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和慢車狀態(tài)）僅副油路工作，當(dāng)燃燒室在大狀態(tài)下工作時(shí)主副油路同時(shí)供油工作，這樣可以保證在小狀態(tài)下仍能產(chǎn)生較高的燃油壓力，獲得較好的霧化質(zhì)量，有效保證了燃燒室良好的點(diǎn)火性能和寬廣的貧油熄火范圍以及小狀態(tài)下的燃燒效率要求。大狀態(tài)時(shí)主副油路同時(shí)工作可大大緩解燃油噴嘴對(duì)燃油泵的壓力需求，拓寬燃油調(diào)節(jié)的范圍，從而滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)在寬廣的工作范圍內(nèi)燃燒穩(wěn)定、完全的要求。本文研究的某發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的離心氣動(dòng)組合式雙油路燃油噴嘴，副油路為離心噴嘴，保證低狀態(tài)下的良好霧化性能；主油路為預(yù)膜式氣動(dòng)霧化噴嘴，在大狀態(tài)下主油路燃油在氣流氣動(dòng)力的作用下保證良好的霧化性能，同時(shí)相較于離心噴嘴，降低對(duì)燃油泵的壓力的要求。

長期以來，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴霧場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究，特別是20世紀(jì)70年代后期以來，各種先進(jìn)的試驗(yàn)及測(cè)試手段相繼問世，給霧化過程的研究提供了有力的工具。Rizk和Lefebvre[5-7]基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)了離心噴嘴流量系數(shù)、液膜厚度的公式，并使用理論方法推導(dǎo)出了量綱正確的用于描述粘性液體噴霧錐角的公式，研究了出口液膜厚度、噴霧錐角、流量系數(shù)受不同幾何參數(shù)和不同液體介質(zhì)的影響，并且發(fā)現(xiàn)了離心噴嘴空氣渦直徑會(huì)隨著壓差增大等相關(guān)規(guī)律。Lefebvre認(rèn)為影響流量系數(shù)的主要因素是摩擦損失，摩擦損失對(duì)于噴嘴的影響體現(xiàn)在2個(gè)方面：摩擦存在能量耗散，在流量相同的情況下，會(huì)使得壓差增大，流量系數(shù)減??；另一方面，摩擦導(dǎo)致空氣核直徑減小、流量增大、流量系數(shù)增大。關(guān)于霧化粒徑影響因素，Lefebvre指出燃油噴霧粒徑（Sauter平均直徑，SMD）與δ0.4成正比（其中，δ為噴嘴出口液膜厚度），即噴嘴出口液膜厚度越薄，霧化性能越好。Jones等[8]設(shè)計(jì)了159個(gè)尺寸較大的離心噴嘴，通過改變噴嘴的關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)離心噴嘴進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，主要分析了噴口長度、噴口直徑、旋流槽進(jìn)口面積等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響，總結(jié)了范圍更廣的流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。郭新華[9]對(duì)一種組合式的離心式同向雙旋流器空氣霧化噴嘴噴霧特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，雙旋流器采用旋向相同的徑向開孔式設(shè)計(jì)，研究不同空氣壓差和噴嘴供油壓差工況下液霧的SMD及分布指數(shù)。試驗(yàn)中以航空煤油為介質(zhì)測(cè)試其霧化性能，采用馬爾文激光粒度儀測(cè)量噴嘴下游50mm處的液霧分布。結(jié)果表明：隨著空氣壓差和噴嘴供油壓差的增大、SMD減小、分布指數(shù)增大。王少林[10]認(rèn)為燃油噴嘴內(nèi)的液體流動(dòng)在一定條件下會(huì)形成空化，進(jìn)而影響噴嘴的霧化效果，其應(yīng)用高速攝像儀對(duì)圓形噴嘴內(nèi)的空化以及噴口外的霧化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用噴嘴直徑包括0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm，其中直徑為1.5mm 的噴嘴的長徑比從2變化到9，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為純凈水。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴嘴內(nèi)空化的形成是動(dòng)態(tài)的，空化長度出現(xiàn)高頻低幅脈動(dòng)。對(duì)于噴嘴的收縮類型研究發(fā)現(xiàn)，急收型相比漸收型更易形成空化，并有增強(qiáng)霧化的效果。長徑比相同的噴嘴，直徑越大，達(dá)到超空化的噴射壓力越大，霧化錐角也越大；直徑相同的噴嘴，隨長徑比的增加，達(dá)到超空化的空化數(shù)逐漸減小，但射流的噴霧錐角沒有明顯的變化趨勢(shì)，均在10°～20°。對(duì)比破碎模式規(guī)律，除了0.5mm的噴嘴外，所有噴嘴達(dá)到超空化后均為霧化模式。王家俊[11]對(duì)某中心分級(jí)燃燒室頭部的3種型號(hào)離心噴嘴副油路燃油噴入靜止大氣中的霧化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了不同進(jìn)口燃油溫度（-40℃～80℃）和供油壓差對(duì)燃油霧化特性的影響規(guī)律。利用相位多普勒粒子測(cè)量技術(shù)（PDPA）測(cè)量了沿流向距離離心噴嘴出口30mm平面上的油霧特性，并利用激光粒度分析儀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：離心噴嘴的流量數(shù)隨燃油溫度的升高而逐漸減少，且在低溫段下降幅度更大。測(cè)量平面上沿直徑各處燃油的SMD在低溫段隨燃油溫度的升高而減小，且油錐中心處的SMD下降幅度更大。利用激光粒度分析儀測(cè)得的油霧粒徑分布在一定程度上驗(yàn)證了PDPA測(cè)量結(jié)果的正確性，液滴特征直徑和液滴尺寸分布系數(shù)隨供油壓差的增大而減小。

綜上可知，燃油霧化是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，通常油霧的噴射霧化過程分為3個(gè)階段：（1）燃油在噴嘴內(nèi)部旋流階段。（2）燃油噴出后初步分裂為油滴的階段。（3）油滴在氣體作用下進(jìn)一步破碎階段。這些過程共同決定燃油噴霧關(guān)于液滴速度和尺寸分布方面的詳細(xì)特征。燃油噴霧不僅受噴嘴結(jié)構(gòu)形式、噴射壓力的影響，還受外部氣體壓力、溫度、流動(dòng)特征的影響。本文研究的某發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的離心氣動(dòng)組合式雙油路燃油噴嘴，其副油路為離心噴嘴，主油路為預(yù)膜式氣動(dòng)霧化噴嘴，開展兩種不同類型的噴嘴受供油壓差和供氣壓差影響的試驗(yàn)研究，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴嘴設(shè)計(jì)提供參考。

1.研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象如圖1所示。副油路為離心噴嘴，燃油在供油壓差的作用下經(jīng)過旋流室，隨后高速旋轉(zhuǎn)通過燃油噴口進(jìn)入火焰筒內(nèi)，其霧化還可能受第一級(jí)渦流器氣流的影響。主油路為預(yù)膜式空氣霧化噴嘴，主油路燃油在供油壓差的作用下通過收斂式環(huán)腔進(jìn)入火焰筒后在一級(jí)、二級(jí)渦流器氣流的共同作用下霧化。渦流器的有效開孔面積一級(jí)：二級(jí)為1：5，其中二級(jí)旋流器的旋向與一級(jí)相同。

圖1 噴嘴示意圖

2.試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在燃油噴嘴綜合試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)器主要由燃油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、抽風(fēng)與油氣分離系統(tǒng)、實(shí)時(shí)噴霧粒度分析儀、CCD相機(jī)、數(shù)采與圖像處理系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)等組成，如圖2所示。試驗(yàn)器能進(jìn)行燃油噴嘴流量試驗(yàn)、噴霧錐角試驗(yàn)和噴霧粒徑試驗(yàn)等，其主要測(cè)量參數(shù)包括：流量、噴霧錐角、噴霧粒徑（SMD）、分布指數(shù)（N）等。

圖2 試驗(yàn)器意圖

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

燃油噴嘴主油路燃油流量采用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量。

噴霧錐角采用計(jì)算機(jī)圖像法測(cè)量，錐角α定義見圖3（圖中所示為弦長法測(cè)量錐角）。本次試驗(yàn)的測(cè)量距離L=30mm。

圖3 噴霧錐角的定義

SMD測(cè)量由實(shí)時(shí)噴霧粒度儀完成，激光器發(fā)出的光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后得到一定寬度的單色平行光，平行光照到霧區(qū)的顆粒群后產(chǎn)生光散射現(xiàn)象，多顆粒散射出來的相同方向的光聚集到接收透鏡的焦平面上，該平面上的多元光電探測(cè)器將照射到每個(gè)環(huán)面上的光能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。根據(jù)輸入的電信號(hào)計(jì)算得出被測(cè)霧滴的尺寸分布、平均直徑等參數(shù)。本次試驗(yàn)在副油路單獨(dú)供油、主油路單獨(dú)供油以及雙油路供油的情況下，測(cè)試不同狀態(tài)下每件燃油噴嘴的霧化粒度，獲取SMD值（距噴嘴端面出口30mm處測(cè)量）。

圖4 SMD測(cè)試原理圖

2.3 試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量范圍與精度

試驗(yàn)各參數(shù)的測(cè)量范圍與測(cè)量精度如表1所示，其中燃油壓差的測(cè)量有兩量程的儀器，小量程的測(cè)量（0～1.00）MPa的壓差，大量程的測(cè)量（0～12.00）MPa的壓差。

表1 試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量范圍與精度

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 燃油流量受供油壓差的影響

本節(jié)分別進(jìn)行了燃油噴嘴的主、副油路在不同供油壓差下的燃油流量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 主、副油路燃油流量隨供油壓差的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，該噴嘴主、副油路的流量隨供油壓差的增大而增大，基本都與供油壓差的開方根成正比。相同油壓下，主油路的燃油流量是副油路的11.8倍左右，該噴嘴的燃油調(diào)節(jié)比很大，可以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)寬廣的工況。

3.2 副油路霧化特性受供油壓差的影響

燃油噴嘴的副油路主要作用是保證燃燒室的點(diǎn)火以及低工況下的穩(wěn)定燃燒。副油路噴霧錐角在不供氣和500Pa供氣壓差下隨供油壓差的變化如圖6所示。

圖6 副油路噴霧錐角隨供油壓差的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不供氣狀態(tài)下，隨著供油壓差的增大，噴霧錐角逐漸縮?。辉诠鈮翰顬?00Pa的情況下，噴霧錐角緩慢增大，隨后在1.5MPa油壓下，兩者的霧錐大小基本相同。在油壓較小時(shí)，氣動(dòng)力對(duì)噴霧的壓迫作用較強(qiáng)，使得霧錐縮小，但是隨著燃油壓差的增大，油霧的離心力逐漸增大，氣動(dòng)力對(duì)霧錐的壓縮作用相對(duì)減弱，在油壓達(dá)到1.5MPa時(shí)，氣動(dòng)力的作用基本可以忽略不計(jì)了。

副油路噴嘴在不同供氣壓差下SMD隨供油壓差的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不供氣狀態(tài)下，隨著供油壓差的增大，SMD逐漸縮小，變化趨勢(shì)先陡后緩。在帶氣的情況下，SMD隨供油壓差的變化趨勢(shì)與不帶氣的情況相同，但是在供氣壓差1270Pa與2790Pa對(duì)噴嘴下游的霧化作用相反，在1279Pa的供氣壓差下，其SMD顯著大于不帶氣條件下，此時(shí)的氣流起到阻霧化作用；而在供氣壓差在2790Pa的情況下，其SMD顯著小于不帶氣條件，此時(shí)氣流起到促霧化作用。特別是在供油壓差較小的情況下，阻霧化與促霧化作用對(duì)SMD的影響很大，如在0.2MPa油壓下，SMD分別增大18.6%和減小32.0%；而在油壓較大的情況下，氣動(dòng)力對(duì)燃油霧化的影響顯著減小，在油壓達(dá)到1.5MPa時(shí)，氣動(dòng)力的作用基本可以忽略不計(jì)了。

圖7 副油路SMD隨供油壓差的變化

由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)副油路的供油壓差為0.69MPa左右，因此進(jìn)了副油路噴嘴在該供油壓差下噴霧錐角和SMD受供氣壓差影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 副油路噴霧錐角及SMD隨供氣壓差的變化（供油壓差0.69MPa）

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著供氣壓差的增大，噴霧錐角逐漸縮小，變化趨勢(shì)先陡后緩；而SMD隨供氣壓差的增大先小幅增大后快速減小，在供氣壓差在0Pa～1270Pa范圍內(nèi)氣動(dòng)力起到阻霧化作用。由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)的壓力降大概在0.5%的水平，相當(dāng)于本文研究的500Pa的供氣壓差，而該時(shí)刻氣流的阻霧化作用處于最顯著區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)點(diǎn)火應(yīng)該嘗試避免在該區(qū)域進(jìn)行。同時(shí)由于過大的噴霧錐角容易打濕點(diǎn)火電嘴，影響點(diǎn)火可靠性，因此綜合考慮SMD與噴霧錐角對(duì)點(diǎn)火性能的影響，建議整機(jī)點(diǎn)火時(shí)的氣動(dòng)狀態(tài)設(shè)計(jì)在壓降大于0.5%的區(qū)域。

3.3 主油路霧化特性受供油壓差的影響

燃油噴嘴主油路的主要作用是保證燃燒室在大工況下的供油及良好的霧化。主油路噴霧錐角在不供氣和2790Pa供氣壓差下隨供油壓差的變化如圖9所示。

圖9 主油路噴霧錐角隨供油壓差的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不供氣狀態(tài)下，隨著供油壓差的增大，噴霧錐角基本保持不變，這與副油路噴霧錐角受供油壓差的影響不同；在供氣壓差為2790Pa的情況下，噴霧錐角隨供油壓差的增大而緩慢增大。在油壓較小時(shí)，氣動(dòng)力對(duì)噴霧的壓迫作用較強(qiáng)，使得霧錐縮小較多，但是隨著供油壓差的增大，油霧的離心力逐漸增大，氣動(dòng)力對(duì)霧錐的壓縮作用相對(duì)減弱。

主油路噴嘴在供氣壓差1270Pa和2790Pa下SMD隨供油壓差的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，由于主油路為預(yù)膜式空氣霧化噴嘴，因此未進(jìn)行不帶氣的霧化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2個(gè)供氣壓差下，隨著供油壓差的增大，SMD都是逐漸縮??；同時(shí)，供氣壓差在2790Pa條件下燃油的霧化效果顯著優(yōu)于1270Pa條件下；且高供氣壓差對(duì)燃油霧化的促進(jìn)作用在小油壓狀態(tài)下更加顯著，從供油壓差1MPa時(shí)相差35um逐漸縮小到4.6MPa的20um。

圖10 主油路SMD隨供油壓差的變化

由于在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)主油路的供油壓差為3.62MPa左右，因此進(jìn)行了主油路噴嘴在該供油壓差下噴霧錐角和SMD受供氣壓差影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著供氣壓差的增大，噴霧錐角逐漸縮小，變化趨勢(shì)先陡后緩；SMD隨供氣壓差的增大而逐漸縮小，在整個(gè)供氣壓差范圍內(nèi)氣動(dòng)力都對(duì)燃油起到了促霧化作用。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)時(shí)的壓力降大概在2.8%的水平，相當(dāng)于本文研究的2790Pa的供氣壓差，此時(shí)燃油的噴霧錐角在120°，SMD為80um，此時(shí)的主油路能夠?yàn)槿紵M織提供良好油霧場(chǎng)，并保證合適的燃油停留時(shí)間及較好的出口溫度場(chǎng)。

圖11 主油路噴霧錐角及SMD隨供氣壓差的變化（供油壓差3.62MPa）

4.結(jié)論

本文對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的離心氣動(dòng)組合式雙油路燃油噴嘴進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）主、副油路噴嘴的流量隨供油壓差的增大而增大，基本都與供油壓差的開方根成正比。相同油壓下，主油路的燃油流量是副油路的11.8倍左右。

（2）在供油壓差較小時(shí)，氣動(dòng)力對(duì)主、副油路的噴霧錐角都起到顯著的壓制作用。隨著供油壓差的增大，油霧的離心力逐漸增大，氣動(dòng)力對(duì)霧錐的壓縮作用相對(duì)減弱。

（3）在供氣壓差在0Pa～1270Pa范圍內(nèi)，氣動(dòng)力的存在使得副油路燃油的SMD增大，即氣動(dòng)力起阻霧化作用，且供氣壓差在500Pa時(shí)阻霧化作用最為顯著，整機(jī)點(diǎn)火過程中應(yīng)盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)的壓降遠(yuǎn)離0.5%。

（4）在整個(gè)供氣壓差范圍內(nèi)氣動(dòng)力對(duì)主油路燃油都起到促霧化作用，且氣動(dòng)力對(duì)燃油霧化的促進(jìn)作用在小油壓狀態(tài)下更加顯著。