帶旋流器的燃油噴嘴工作特性及火焰筒頭部數值模擬

周 兵,張寶誠,劉 凱,馬洪安

（沈陽航空航天大學動力與能源工程學院，沈陽 110136）

1 引言

燃油噴嘴是燃燒室主要部件之一，其性能直接影響到燃燒室的穩定工作，以及航空發動機的使用要求、推力、耗油率和工作經濟性。在航空發動機研制中，提高噴嘴的設計水平，改善霧化質量是其關鍵技術之一[1-2]。

本試驗是在沈陽航空航天大學的燃油激光綜合試驗系統上進行的，重點研究了某型發動機燃油噴嘴和旋流器的相互作用。

2 試驗設備

2.1 燃油噴嘴綜合試驗器

試驗設備主要包括：燃油噴嘴試驗臺、相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測速儀系統（PDPA/LDV）試驗器計量系統、燃油供給系統、回油系統、引風系統、電機控制系統、控制臺、計算機采集系統和數據處理顯示系統等，如圖1所示。

2.2 試驗噴嘴

試驗采用的噴嘴是1個雙路離心式噴嘴。噴嘴殼體內有主、副2條油路，互相獨立，并有各自的旋流槽和噴口，在噴嘴外圍加1個空氣旋流器，共5個葉片，葉片出口角為79°，如圖2所示。

3 試驗結果及分析

3.1 噴嘴的流量特性試驗

噴嘴的流量特性試驗是測定隨供油系統壓力的增加噴嘴噴出的燃油量的變化，即mf～ΔP曲線。主、副油路共同工作時供油量mf隨供油壓力P的變化數據見表1（多次試驗典型值）。

上述結果表明:

（1）流量隨壓力的增大而增加。壓力增大初期，流量明顯增加；但是當壓力增大到一定程度時，流量趨于穩定，即符合規律。

（2）主、副油路的噴嘴流量有明顯差異，基本是15倍關系。

（3）當供油壓力從較高值繼續增大時，流量增加減緩，供油量的增加受噴口的限制（主、副油路共同工作時供油特性曲線如圖3所示）。

表1 主、副油路共同工作時流量隨供油壓力的變化

3.2 噴嘴噴霧錐角試驗

噴霧錐角通過錐角測量軟件測得。主油路噴霧錐角隨供油壓力的變化見表2。從表中可見，隨著主油路壓力的增大，主油路噴霧錐角逐漸減小。當壓力從0.6 MPa增大至2.1 MPa，錐角減小了3.8°，改變量很小，可認為壓力對噴霧錐角的影響很小。通入旋流空氣后，噴霧錐角比不加旋流空氣時的增加15°±5°；但改變旋流器空氣壓差，錐角基本不變。可以看出，旋流流動能夠在一定程度上使噴霧錐角增大，但旋流空氣壓差改變對錐角的影響很小。從表3中可見，副油路噴霧錐角在70°±4°范圍，壓力變化對噴霧錐角基本沒有影響。共同工作時，由于主、副噴口相互影響，噴霧錐角略小于主油路單獨工作時的，具體數據見表4。

3.3 霧化粒度試驗

主、副油路單獨工作及共同工作時的SMD測量值分別見表5～7。從表中可見：

（1）隨著主油路供油壓力的增大，SMD呈減小趨勢，由0.6 MPa時的22.69μm減小到2.1 MPa時的

12.61μm。說明在一定壓力范圍內，壓力增大可明顯降低霧化的SMD值。還可以看出，在油壓較小時通入旋流空氣后SMD明顯減小；在油壓增大到1.5 MPa時，旋流流動對霧化SMD值影響不大。

表2 主油路噴霧錐角隨供油壓力的變化

表3 副油路噴霧錐角隨供油壓力的變化

表4 共同工作時噴霧錐角

表5 主油路單獨工作時SMD測量值

表6 副油路單獨工作時SMD測量值

表7 主副油路共同工作時SMD測量值

（2）副油路單獨工作時，SMD值隨壓力的增大略有減小；與主油路單獨工作時相比，副油路單獨工作時的SMD值明顯減小，且在低壓下霧化質量良好。

（3）當主油路供油壓力達到1.5 MPa后，主、副油路共同工作的SMD值基本不變；當副油路壓力不變時，增大主油路壓力可使SMD值減小。

4 燃燒室數值仿真

本研究模擬了某發動機燃油噴嘴最大工作狀態。該型燃燒室為環管，采用1個火焰筒即可模擬計算，重點研究了其頭部區域流場與溫場，利用GAMBIT軟件建立了仿真模型。

4.1 基本控制方程

根據質量守恒、能量平衡、動量平衡和組分平衡的基本規律,分析流體流動、傳熱傳質和燃燒過程，以及對湍流輸運、湍流燃燒、化學動力學、輻射換熱等分過程的模擬，建立了控制反應流過程的基本方程組。

反應流基本方程為

式中：Φ為變量；ΓΦ、SΦ分別為對應于Φ的交換系數和源項。

詳細計算方程見文獻[4]。

4.2 計算結果

對試驗用火焰筒劃分的網格如圖4所示。

計算結果和分析如下。

（1）x=0截面的溫度場如圖5所示。主燃孔截面（z=129）的周向溫度如圖6所示。從圖中可見，該火焰筒的溫度分布具有代表性；高溫區在主燃區，補燃區內有部分未燃氣體燃燒，摻混區后溫度明顯降低；高溫區（2000～2200 K）主要集中在火焰筒主燃孔與補燃孔之間，在z=129截面，最高溫度為2250 K；在火焰筒頭部前端，包括噴嘴油霧區在內，均是低溫區。上述情況表明：大部分燃料并未燃燒，油滴處于蒸發混合的熱力準備過程，此段軸向距噴嘴噴口端面約為10～20 mm，占火焰筒總長度的5%～7%，符合火焰筒頭部氣動設計。

（2）燃油在火焰筒中的滯留時間如圖7所示。從圖中可見，燃油在火焰筒中的生存時間約為0.7 ms，也就是燃油從離開噴口后形成油膜、蒸發至燃燒僅需不到1 ms。與混氣在火焰筒中停留時間（5～7 ms）相比，燃油完全可以充分燃燒。燃油軌跡的末端均發生彎曲或折轉，這是火焰筒旋流氣流和頭部進氣流場綜合作用的結果。

（3）燃油在火焰筒中的濃度如圖8所示。燃油離開噴口后，受火焰筒頭部進氣射流的夾帶作用，油膜外邊界處于回流區外的順流并參與燃燒，油膜內邊界處于回流區，整個油膜斜向穿過回流區中心邊蒸發、邊混合、邊燃燒。

5 結論

（1）無論主、副油路單獨工作還是共同工作時，霧化粒度SMD都隨著壓力增大而減小；當壓力增大到一定值時，霧化粒度基本不變。在較低油壓下，加旋流空氣能夠明顯提高霧化質量。

（2）噴霧錐角基本上不受供油壓力的影響，加旋流空氣后錐角增加。

（3）只改變旋流空氣壓差對噴嘴工作特性沒有明顯影響。

（4）火焰筒頭部有明顯回流區，高溫區集中在主燃孔之前，中心區有高溫渦束，油膜斜向穿過回流區中心，其油滴生存時間為0.7 ms。在此過程中濃度迅速減小，油霧與氣流形成了復雜的流場。

[1]張寶誠.航空發動機試驗和測試技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005.

[2]張寶誠.航空發動機燃燒室燃油噴嘴的設計和試驗[J].沈陽航空工業學院學報,2005,（5）：12-15.

[3]周兵,趙晨光,張寶誠,等.燃氣輪機空氣霧化噴嘴工作特性研究及火焰筒頭部數值模擬[J].航空發動機,2010,36（2）:55-58.