離心甩油盤(pán)噴油孔形狀及深度對(duì)燃油霧化性能影響的試驗(yàn)研究

嚴(yán)友誼 宋雙文 陳劍 李志

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

0.引言

與傳統(tǒng)離心噴嘴等燃油霧化裝置相比，采用甩油盤(pán)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)霧化設(shè)備因其供油壓力低、對(duì)燃油品質(zhì)要求低、加工方便、高轉(zhuǎn)速下燃油霧滴粒徑小且霧化質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)在低壓比、小流量航空發(fā)動(dòng)機(jī)、起動(dòng)機(jī)及彈用發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

甩油盤(pán)的主要工作原理是依靠轉(zhuǎn)子件的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)甩油盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大離心力使噴口通道內(nèi)的燃油擠壓油道內(nèi)壁面，形成沿通道環(huán)面分布的極薄油膜。這種片狀連續(xù)油膜在靠近噴孔出口時(shí)由于慣性力及表面張力作用破裂，呈串狀液滴沿噴口噴出（該過(guò)程稱(chēng)為主破裂過(guò)程）。此后液滴與燃燒室進(jìn)口氣流進(jìn)行摻混，在空氣摩擦力及自身慣性力作用下破裂（該過(guò)程稱(chēng)為次級(jí)破裂）成為具有足夠小尺度滿足燃燒所需的液體微團(tuán)[3]。

由于液滴的主破裂過(guò)程對(duì)霧化性能有重要影響，同時(shí)該過(guò)程發(fā)生在噴油孔出口附近。因此從20世紀(jì)80年代至今就有許多學(xué)者研究噴孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)甩油盤(pán)性能的影響。如：1981年，日本學(xué)者M(jìn)orishita較早利用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）研究了甩油盤(pán)直徑、孔數(shù)、孔徑、流量和轉(zhuǎn)速對(duì)霧化性能的影響，獲得了大量圓形噴口甩油盤(pán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]。2002年，Werner J.A.Dahm、Prashant R.Patel等人通過(guò)激光攝像技術(shù)（可視化技術(shù)）研究了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速下水在不同噴孔甩油盤(pán)中的破裂形態(tài)，提出了臨界與超臨界破裂概念[4]。2009年，韓國(guó)學(xué)者Seong Man Choi1等人通過(guò)PDPA測(cè)量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不同直徑圓形噴口甩油盤(pán)的霧滴平均直徑得出噴口直徑增大有利于液滴霧化的結(jié)論[5]。Carmen Sescu與Bogdan R.Kucinschi等人通過(guò)試驗(yàn)[6]及數(shù)值模擬[7]研究了不同轉(zhuǎn)速下油膜破裂過(guò)程。本文利用PDPA技術(shù)對(duì)3種噴口形狀和2種孔深共計(jì)6種組合形式的離心甩油盤(pán)（見(jiàn)表1和圖1）進(jìn)行霧化性能對(duì)比試驗(yàn)，為進(jìn)一步了解甩油盤(pán)的霧化機(jī)理和工作特性提供了必要的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.試驗(yàn)相關(guān)情況簡(jiǎn)介

1.1 甩油盤(pán)試驗(yàn)件介紹

甩油盤(pán)噴口形狀及尺寸見(jiàn)表1（孔深H見(jiàn)圖1）。

表1 甩油盤(pán)噴口形狀及特征尺寸

1.2 試驗(yàn)設(shè)備介紹

整臺(tái)試驗(yàn)器由下列主要系統(tǒng)組成: 相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、臺(tái)架系統(tǒng)、抽風(fēng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、操縱臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。甩油盤(pán)由電主軸驅(qū)動(dòng)，其工作轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。抽風(fēng)系統(tǒng)能及時(shí)抽走試驗(yàn)箱體內(nèi)的油霧，避免浮余細(xì)小油霧對(duì)測(cè)試精度的影響，保證試驗(yàn)時(shí)無(wú)油霧翻滾、油霧回流和油霧外溢現(xiàn)象。試驗(yàn)箱體兩側(cè)安裝玻璃觀察窗便于PDPA儀的測(cè)量。美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的PDPA儀由激光器、光纖藕合器、發(fā)射探頭、接收探頭、光電轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、三維移動(dòng)坐標(biāo)架及光纜等組成，可對(duì)甩油盤(pán)的霧化粒度、霧化錐角、霧滴運(yùn)動(dòng)速度等進(jìn)行測(cè)量。

2.試驗(yàn)條件及內(nèi)容

試驗(yàn)使用RP-3航空煤油，其密度為0.7890g/cm3，試驗(yàn)油溫為（15～17）℃，環(huán)境溫度為（11～13）℃。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 甩油盤(pán)試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中激光測(cè)量位置如圖1所示，激光焦點(diǎn)原點(diǎn)在甩油盤(pán)出油孔平面上，距出油孔30mm處。計(jì)算機(jī)控制PDPA激光發(fā)射和接收探頭坐標(biāo)架于X軸正負(fù)方向移動(dòng)，選擇合適的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量此點(diǎn)的霧滴平均直徑（SMD）。噴霧錐角的邊界點(diǎn)由PDPA儀測(cè)試的數(shù)據(jù)率來(lái)判定，由此計(jì)算出錐角α。

圖1 甩油盤(pán)霧化測(cè)量位置示意圖

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 霧化錐角

圖2～圖4分別為圓形、菱形及方形噴油孔在不同孔深下的霧化錐角α對(duì)比。

圖2 不同孔深的圓形噴孔霧化錐角曲線對(duì)比

圖3 不同孔深的菱形噴孔霧化錐角曲線對(duì)比

圖4 不同孔深的方形噴孔霧化錐角曲線對(duì)比

由圖2～圖4知，甩油盤(pán)的霧化錐角隨轉(zhuǎn)速增大而逐漸變小。這是由于甩油盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加，使其產(chǎn)生的當(dāng)量供油壓力增大，燃油液滴沿噴口方向的線性速度增大，從而導(dǎo)致其錐角減少。類(lèi)似于單油路離心噴嘴，隨著供油壓力的增大，噴霧錐角減小。

由圖2～圖3知，菱形、圓形噴口在不同孔深下的錐角變化曲線幾乎一致。而方形噴口在不同孔深下的錐角變化曲線隨轉(zhuǎn)速的增加基本一致，因此孔深對(duì)霧化錐角基本無(wú)影響。

轉(zhuǎn)速區(qū)間上不同形狀噴口霧化錐角的峰值由大到小依次為：圓形＞菱形＞方形。通過(guò)對(duì)以往不同直徑圓形噴口甩油盤(pán)的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)直徑小的圓形噴口比直徑大的圓形噴口有更大的錐角峰值。因此初步推斷霧化錐角峰值大小與噴口的名義直徑（噴口截面周長(zhǎng)除以圓周率）有關(guān)，而與噴口形狀關(guān)系不大。即噴口直徑越小，則噴霧錐角的峰值越大。

3.2 霧化粒度SMD

圖5～圖6為孔深不同的噴口SMD曲線對(duì)比；圖7～圖8為形狀不同的噴口SMD曲線對(duì)比。

圖5 不同孔深的圓形噴孔SMD曲線對(duì)比

圖6 不同孔深的方形、菱形噴孔SMD曲線對(duì)比

圖7 圓形、菱形和方形噴孔在孔深1.5時(shí)的SMD曲線對(duì)比

圖8 圓形、菱形和方形噴孔在孔深2.5時(shí)SMD曲線對(duì)比

由圖5～圖8知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，甩油盤(pán)的SMD迅速減小。

由圖5～圖6知，不同孔深的甩油盤(pán)SMD變化規(guī)律基本一致，相同轉(zhuǎn)速下SMD變化不大。這是由于燃油入口長(zhǎng)度（即燃油由任意流動(dòng)的液體進(jìn)入噴口在離心力與張力作用下變成薄油膜所需要的最小通道長(zhǎng)度）與孔深相比很小，改變孔深不影響油膜在通道內(nèi)壁面的形成。因此對(duì)霧化粒度無(wú)影響。

由圖7和圖8知，方形噴口甩油盤(pán)在低轉(zhuǎn)速時(shí)比圓形噴口的SMD好，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)比圓形噴口SMD差。這是由于燃油霧化質(zhì)量的好壞與曲率半徑大小有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)曲率半徑越大，霧化效果越好。方形直邊的曲率半徑接近無(wú)窮，燃油從上面流過(guò)時(shí)分布均勻，形成的油膜薄且厚度相同，同時(shí)離開(kāi)噴口后的油膜帶短且寬，利于此后油膜在空氣中的破裂。而方形直角處曲率半徑很小，燃油從上面流過(guò)時(shí)分布不均勻，形成的油膜層厚且厚度差異大，同時(shí)離開(kāi)噴口后成線條狀從角上流出，不利于油膜在空氣中的破裂。當(dāng)方孔與圓孔甩油盤(pán)同處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，方孔中燃油大部分分布在直邊，因此整體的霧化效果比圓孔好，但隨著轉(zhuǎn)速的增大，燃油分子受到的慣性力增加，使得直邊上的燃油克服流動(dòng)阻力向角上集中，角上的燃油增多，直邊上的燃油減少。因此高轉(zhuǎn)速時(shí)，方孔甩油盤(pán)整體霧化效果比圓孔甩油盤(pán)差。

4.結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同孔深的圓形、菱形及方形噴口甩油盤(pán)霧化性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可得如下結(jié)論：

（1）孔深對(duì)甩油盤(pán)霧化錐角及SMD基本無(wú)影響。

（2）在低轉(zhuǎn)速下，方形噴口甩油盤(pán)可以得到較好的SMD；在高轉(zhuǎn)速下，圓形噴口甩油盤(pán)可以得到較好的SMD。

（3）名義直徑小的噴油孔，在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間上的霧化錐角峰值大，同時(shí)錐角變化范圍大。