帶離心噴嘴的整體焊接式燃油總管霧化性能測試技術(shù)

李仁友，鄧志剛，李永國，徐德海

（1.中國航發(fā)貴州黎陽航空動(dòng)力有限公司，貴州 貴陽 550015；2.湖南三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410129）

0 引言

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)制造的核心，它的制造受到主要工業(yè)國家的高度重視，各國都投入巨大的財(cái)力、物力和人力進(jìn)行不斷創(chuàng)新與研究，其技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速[1]。帶離心噴嘴的整體焊接式燃油總管是某新型中推航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，其功能是向航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室的火焰筒里噴射并霧化燃油。燃油總管的各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)燃燒室內(nèi)燃油是否能夠充分燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)能否得到強(qiáng)有力的動(dòng)力起到?jīng)Q定性的作用，直接決定了燃燒室的性能、效率、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、可維護(hù)性和環(huán)保等。現(xiàn)代的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用了多種類型和多種結(jié)構(gòu)的燃油總管，以不同的原理實(shí)現(xiàn)燃油的噴霧，最終目的就是增大燃料表面積、加速燃燒、提高燃燒性能[2]。國內(nèi)當(dāng)前的各種新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，零件幾何外形細(xì)小復(fù)雜，尺寸精度和霧化性能精度要求高，材料特點(diǎn)各異，燃油流道復(fù)雜，加工難度大，研制過程中無現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，目前已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的瓶頸技術(shù)之一[3]。如何摸索出燃油總管性能參數(shù)的調(diào)試方法，并對(duì)各影響因素在零件機(jī)加時(shí)給予控制，一直是相關(guān)工藝工作者所關(guān)注的問題。本研究對(duì)燃油總管及各噴嘴中的燃油流道展開了分析，通過分析研究，歸納總結(jié)了燃油總管上各項(xiàng)霧化性能指標(biāo)符合性的調(diào)試方法，為改進(jìn)和完善工藝提供了依據(jù)。

1 工藝分析

帶離心噴嘴的整體焊接式燃油總管是由帶噴嘴殼體的總管及各零組件裝配組焊后并通過性能調(diào)試合格而成。燃油總管上組焊而成的各個(gè)噴嘴均為雙油路雙噴口并聯(lián)式的離心噴嘴，制造過程中涉及的加工工藝有：復(fù)雜零件的機(jī)械加工、精密零件的機(jī)械加工，導(dǎo)管及板材的成型加工、裝配、真空釬焊、氬弧焊、等離子噴涂、性能參數(shù)的測試及調(diào)試。

在帶噴嘴殼體的總管上有數(shù)條釬焊縫及氬弧焊焊縫，在各個(gè)噴嘴上有多處釬焊縫及氬弧焊焊縫，焊接部位多，如圖1所示。

大致的工藝為：通過資料的收集與分析，并結(jié)合多年調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，燃油在總管內(nèi)的流動(dòng)過程中，影響燃油總管性能的關(guān)鍵工藝和控制點(diǎn)為[4]：

（1）控制總管的焊接變形量是總管后續(xù)裝配及性能調(diào)試的基礎(chǔ)。

（2）主油慮和副油慮的螺紋牙齒部位是燃油從總管管道流入噴嘴主副旋流室的必經(jīng)流道，螺紋牙齒表面的光滑及完整性，是確保燃油有效過濾及通暢流動(dòng)的關(guān)鍵。

（3）旋流芯、副噴口、主噴口等零件的加工質(zhì)量是確保噴嘴各項(xiàng)性能參數(shù)有效調(diào)試及調(diào)試工作穩(wěn)定進(jìn)行的基礎(chǔ)。

（4）噴嘴頭部氬弧焊焊縫的一致性是確保燃油總管焊接前后性能參數(shù)符合要求的前提。

圖1 帶噴嘴殼體的總管

2 霧化過程分析

帶離心噴嘴的整體焊接式燃油總管要求在副油路單獨(dú)供油和主副油路同時(shí)供油的兩種狀態(tài)下，分別對(duì)各噴嘴的燃油流量、噴霧錐角、噴霧不均勻性、霧化質(zhì)量等霧化性能指標(biāo)進(jìn)行測試并滿足規(guī)定值。制造過程中，由于各項(xiàng)霧化性能指標(biāo)的符合性差，造成零件的修磨量大、燃油總管性能參數(shù)的調(diào)試周期長、生產(chǎn)效率低、零件有關(guān)型面及尺寸經(jīng)反復(fù)修磨后形成很難測量的復(fù)雜型面、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文對(duì)燃油在噴嘴中的霧化過程進(jìn)行了分析，并對(duì)燃油流道與噴嘴性能的匹配性進(jìn)行了定性研究，確定了噴嘴性能參數(shù)的調(diào)試方法及可調(diào)整部位[5]。

通過分析，帶離心噴嘴的整體焊接式燃油總管各項(xiàng)霧化性能指標(biāo)按如下規(guī)律形成：

（1）主油路不供給燃油，副油路內(nèi)燃油壓力為一定值時(shí)，燃油從燃油總管的副進(jìn)油接頭進(jìn)入總管內(nèi)腔，然后分別流入各個(gè)噴嘴內(nèi)腔進(jìn)行霧化，在噴嘴內(nèi)腔，燃油流經(jīng)副油慮的螺紋牙齒后，通過旋流芯上的小孔和錐面上的槽，進(jìn)入副旋流室內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后從副噴口的噴孔噴出形成一空心油錐，單位時(shí)間內(nèi)的噴油量即為燃油流量，空心油錐外沿在一定截面上的夾角為燃油的噴霧錐角，空心油錐在12個(gè)扇形區(qū)內(nèi)的差值百分?jǐn)?shù)為燃油的噴霧不均勻性，空心油錐中燃油的顆粒度為燃油的霧化質(zhì)量。如圖2所示為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行及主、副油路（雙油路）同時(shí)供油時(shí)，燃油流經(jīng)單個(gè)噴嘴及噴出時(shí)的流道情況。

（2）主油路內(nèi)燃油壓力和副油路內(nèi)燃油壓力分別為一定值時(shí)，燃油分別從燃油總管的副進(jìn)油接頭和主進(jìn)油接頭進(jìn)入總管內(nèi)腔，然后分別流入各個(gè)噴嘴內(nèi)腔進(jìn)行霧化，在噴嘴內(nèi)腔，來自副油路中的燃油的流動(dòng)情況與副油路單獨(dú)供油時(shí)的流動(dòng)情況相同；來自主油路中的燃油流經(jīng)主油慮的螺紋牙齒后，通過副噴口外圓上的槽后進(jìn)入主旋流室內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后從主噴口上的噴孔噴出，在噴嘴出口端，副油路與主油路噴射出的油錐混合后形成一空心油錐，單位時(shí)間內(nèi)的噴油量即為燃油流量，空心油錐外沿在一定截面上的夾角為燃油的噴霧錐角，空心油錐在12個(gè)扇形區(qū)內(nèi)的差值百分?jǐn)?shù)為燃油的噴霧不均勻性，空心油錐中燃油的顆粒度為燃油的霧化質(zhì)量，如圖3所示為機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火及僅副油路供油時(shí)，燃油流經(jīng)單個(gè)噴嘴及噴出時(shí)的流道情況。

圖2 雙油路

圖3 副油路

從圖2和圖3分析可知，燃油在一定壓力的作用下流入噴嘴內(nèi)腔，從進(jìn)油道進(jìn)入旋流室時(shí)具有切向速度，在旋流室中繼續(xù)有圓周運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)量矩定理可知，越往軸心切向速度越大，這就使壓力變得越來越小，到某一半徑（Rm）時(shí)，壓力降到環(huán)境壓力，這時(shí)壓力就不能再繼續(xù)下降了，Rm以內(nèi)的空間被氣窩充滿，氣窩與環(huán)境氣體連通。由于燃油的圓周運(yùn)動(dòng)，造成了它的渦流運(yùn)動(dòng)。燃油在旋流室中往噴口方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一直保持有圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還有軸向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，流到噴口出口時(shí)，燃油失去了壁面對(duì)它的約束力，由于切向速度和徑向速度的作用，把燃油向外甩開，與軸向速度合成，形成近于錐狀的油膜，在氣動(dòng)力的作用下變成油霧[5]。

燃油總管的霧化過程是在各噴嘴的旋流室中進(jìn)行，但由于各個(gè)噴嘴進(jìn)油口部位距離燃油總管測壓點(diǎn)的位置不同，燃油在總管內(nèi)腔流動(dòng)時(shí)對(duì)于不同裝配位置的噴嘴存在不同的壓力損失。通過試驗(yàn)摸索，靠近燃油總管進(jìn)油接頭部位的噴嘴壓力損失較小，遠(yuǎn)離燃油總管進(jìn)油接頭部位的噴嘴壓力損失較大，故在工藝噴嘴中調(diào)試性能時(shí)，要考慮噴嘴的裝配位置進(jìn)行性能指標(biāo)的控制。

3 噴嘴流道與性能指標(biāo)關(guān)系的定性分析

通過上述分析可知，該燃油總管噴嘴的結(jié)構(gòu)為典型的雙油路雙噴口并聯(lián)式的離心噴嘴，與其他發(fā)動(dòng)機(jī)上的噴嘴存在一定的差異：該類噴嘴副旋流室的進(jìn)油流道是在旋流芯外錐面與副噴口內(nèi)錐面的配合面上形成，主旋流室的進(jìn)油流道是在副噴口外圓與主噴口內(nèi)圓的配合面上形成，性能調(diào)試工藝受到裝配工藝的限制，研制過程中，由于給定的零件組別有限，為達(dá)到性能要求，零件尺寸需進(jìn)行調(diào)整，零件中有關(guān)尺寸與性能關(guān)系定性分析如下：

旋流芯（圖4）、副噴口（圖5）及主噴口（圖6），通過查閱相關(guān)資料及大量的工藝試驗(yàn)分析，這三個(gè)零件裝配后形成的燃油流道與噴嘴的性能參數(shù)有密切的關(guān)系，當(dāng)R1（R2）增大時(shí)，流量和噴霧錐角都是增大的，但流量比噴霧錐角增大得顯著，因?yàn)楫?dāng)R1（R2）增大時(shí)，燃油的出口面積增大，如把噴嘴看成節(jié)流裝置，其節(jié)流口為細(xì)長小孔的形式，根據(jù)節(jié)流裝置的流量特性[6]：

式中：C表示溫度、AT表示孔口面積、兩端壓力差，由式（1）得到通過孔口（閥口）的流量隨著出口面積增大而增加，對(duì)于流量小于下限，而噴霧錐角未達(dá)到上限哪怕是接近上限的噴嘴，或噴霧錐角小于下限流量比上限小很多的噴嘴，可以研磨噴口柱面使R1（R2）（R為倒圓半徑）增大；L1（L2）（L為噴嘴流道長度）減小，噴霧錐角明顯增大，流量也有所增加，主要原因是燃油具有黏度，L1（L2）較長時(shí)，流動(dòng)的損失增大，使噴射的切向速度減小，可以研磨噴口小端面使L1（L2）減小從而增大噴霧錐角；主進(jìn)油槽（副進(jìn)油槽）的面積增大時(shí)，流量增加噴霧錐角減小，從流動(dòng)上看，主進(jìn)油槽（副進(jìn)油槽）的面積增大，有使進(jìn)油道出口速度減小的趨勢(shì)，使圓周運(yùn)動(dòng)減弱而軸向運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，造成流量增加，因此，減小主進(jìn)油槽（副進(jìn)油槽）的面積，可以使噴霧錐角增加較少而使流量減少的較多，對(duì)于哪些流量小于下限而噴霧錐角不低于下限的噴嘴，可以采用這種方法進(jìn)行調(diào)試。三個(gè)零件的加工精度對(duì)燃油的霧化質(zhì)量和噴霧不均勻度有顯著的影響，如噴口的同軸度、橢圓度、燃油流道的粗糙度、噴口的銳邊等等，只要有很小的誤差或者有一點(diǎn)很小的毛刺，都會(huì)明顯影響燃油的霧化質(zhì)量和噴霧不均勻度。

圖4 旋流芯示意圖

圖5 副噴口示意圖

圖6 主噴口示意圖

試驗(yàn)表明，噴嘴的流量和噴霧錐角是相關(guān)的，即改變噴口的一個(gè)尺寸，將同時(shí)導(dǎo)致噴嘴的流量和噴霧錐角發(fā)生變化，針對(duì)該燃油總管性能參數(shù)的試驗(yàn)情況，對(duì)圖4、圖5、圖6中的A、B、C、D、E、F、G、H、I、J尺寸進(jìn)行了調(diào)整，達(dá)到噴嘴的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，從而提高工藝噴嘴的一次試驗(yàn)合格率。焊接過程中控制總管的焊接質(zhì)量及噴嘴頭部的焊接均勻性，裝配過程中控制各位置噴嘴性能的離散性，使燃油總管的最終性能一次試驗(yàn)合格。

4 結(jié)語

研究結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管的燃油霧化是分別在總管的各個(gè)噴嘴的旋流室中進(jìn)行，靠近燃油總管進(jìn)油接頭部位的噴嘴壓力損失較小，遠(yuǎn)離燃油總管進(jìn)油接頭部位的噴嘴壓力損失較大；旋流芯、副噴口及主噴口零組件的加工質(zhì)量直接影響燃油總管噴嘴的各項(xiàng)霧化性能指標(biāo)，副噴口（主噴口）中的I（A）增大時(shí)，噴嘴的流量和噴霧錐角將同時(shí)增大，主噴口B減小時(shí)，噴嘴的噴霧錐角明顯增大，流量也有所增加，旋流芯中的副進(jìn)油槽、副噴口中的主進(jìn)油槽面積增大時(shí)，將同時(shí)導(dǎo)致噴嘴的流量增加、噴霧錐角減?。桓眹娍诤椭鲊娍诘耐S度、橢圓度、燃油流道的粗糙度及噴孔的銳邊，影響燃油的霧化質(zhì)量和噴霧不均勻度。