某重型燃?xì)廨啓C(jī)壓力霧化噴嘴性能試驗(yàn)研究

吉 倩，趙晨光，李 明 ，張寶誠(chéng)

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,沈陽(yáng) 110136；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司,沈陽(yáng) 110043)

1 引言

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪等組成[1]。以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是1種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱動(dòng)力裝置。先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是采用高溫陶瓷材料、利用核能和發(fā)展燃煤技術(shù)，以獲得更高的效率。而提高效率的關(guān)鍵是提高燃?xì)獬鯗?，即改進(jìn)渦輪葉片的冷卻技術(shù)，研制能耐更高溫度的高溫材料[2]。

本文對(duì)某重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃油噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)研究。其研究結(jié)果為該重型燃?xì)廨啓C(jī)臺(tái)架試車、噴嘴的改進(jìn)和改型提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 試驗(yàn)噴嘴和試驗(yàn)設(shè)備

某重型燃?xì)廨啓C(jī)如圖1所示。其功率為110 MW。

2.1 試驗(yàn)噴嘴

某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為環(huán)管型，裝有20個(gè)火焰筒，每個(gè)火焰筒裝有1個(gè)噴嘴組（如圖2所示），每個(gè)噴嘴組是具有上、下各4路共8個(gè)噴嘴的復(fù)雜結(jié)構(gòu)?；鹧嫱差^部帶有8個(gè)旋流器，與8個(gè)噴嘴相配構(gòu)成頭部噴霧旋流場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為燃油激光多普勒綜合試驗(yàn)器，如圖3所示。該試驗(yàn)器是利用激光多普勒測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行航空與地面燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴工作特性試驗(yàn)的高技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行燃油霧化粒度、噴口附近速度及噴霧錐角等多種液體介質(zhì)的綜合試驗(yàn)研究[3-4]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)該型燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴組在上、下4路單獨(dú)工作時(shí)進(jìn)行了全面的流量特性試驗(yàn)、噴霧錐角試驗(yàn)、霧化粒度試驗(yàn)以及燃油分布不均勻度試驗(yàn)。

3.1 流量特性試驗(yàn)[5]

在設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa下進(jìn)行3個(gè)噴嘴組的流量測(cè)定。噴嘴組Ⅰ流量值見表1。

表1 設(shè)計(jì)壓力下噴嘴組Ⅰ流量測(cè)量結(jié)果（P=1.0MPa)

流量最大不均勻度δm表示為

式中:mpjmax和mpjmin分別為某個(gè)噴嘴多次測(cè)量平均流量的最大值和最小值。

3個(gè)噴嘴組的流量均值、最大、最小流量及δmj值見表2。從表中可見，3個(gè)噴嘴組在相同工藝的檢驗(yàn)下，按設(shè)計(jì)尺寸要求加工的噴嘴，其流量仍然有一定差異，流量分布最大不均勻度均小于8%，其中噴嘴組Ⅰ、Ⅲ的均勻性較好，在5%左右；噴嘴組Ⅱ各噴嘴流量和其不均勻度均高于噴嘴組Ⅰ、Ⅲ的。

表2 3個(gè)噴嘴組設(shè)計(jì)壓力下的流量不均勻度δm

3個(gè)噴嘴組總流量分別為 6033.6、6238.4和6045.6 mL/min，其均值為6105.87 mL/min。噴嘴組最大流量差為204.8 mL/min，占平均流量的比例為

這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)噴嘴組的流道流阻、噴口尺寸、粗糙度累計(jì)結(jié)果可能會(huì)造成一定的流量差別，一般設(shè)計(jì)要求控制在5%以下。

為了分析壓力對(duì)流量的影響，確定噴嘴組的流量特性，在8種壓力下對(duì)噴嘴組進(jìn)行了流量測(cè)定試驗(yàn)，噴嘴組Ⅰ的測(cè)量結(jié)果見表3。表中每一數(shù)據(jù)都是在相同壓力下其流量3次測(cè)量的平均值，共測(cè)得192組流量均值。

表3 不同壓力下的流量試驗(yàn)結(jié)果mL/min

不同壓力下噴嘴組Ⅰ的流量如圖4所示；3個(gè)噴嘴組在同一工作壓力下各噴嘴的流量如圖5所示；噴嘴組Ⅰ第4號(hào)噴嘴在不同壓力下的流量如圖6所示；不同壓力下3個(gè)噴嘴組的噴油周向不均勻度見表4。

表4 3個(gè)噴嘴組各噴嘴在不同壓力下周向不均勻度

由上述圖、表數(shù)據(jù)可知：

（1）每個(gè)噴嘴組和其各噴嘴的流量隨壓力的增大而增大，符合關(guān)系。

（2）同一噴嘴組的8個(gè)噴嘴的噴油量不同，形成一定的油量分布圖譜（圖4），流量隨壓力增大而增大，但同一噴嘴組的油量分布圖譜基本不變。

（3）不同噴嘴組各噴嘴的流量圖譜不同（圖5），具有很大的隨機(jī)性，無規(guī)律可循。說明在相同加工設(shè)備和同一設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求下，這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)噴嘴組各噴嘴的流量有一定變化范圍，這是1條很重要的規(guī)律，在設(shè)計(jì)上對(duì)這一流量變化必須規(guī)定數(shù)量要求。

（4）噴嘴組Ⅰ中的各噴嘴，如第4號(hào)噴嘴（圖6），隨壓力的增大，其供油量mf按增大。其它噴嘴組的各噴嘴亦按此規(guī)律變化。按擬合曲線其流量均符合規(guī)律。

（5）從表4中可進(jìn)一步得知，各噴嘴組的周向不均勻度大部分小于3%；在0.9 MPa壓力下，噴嘴組Ⅰ的周向不均勻度最大值達(dá)到4.55%。表明復(fù)雜結(jié)構(gòu)噴嘴組流量偏差基本穩(wěn)定在3%左右，個(gè)別流量變化存在隨機(jī)性。

3.2 錐角測(cè)定

錐角照片的采集采用數(shù)碼照相和錐角測(cè)量軟件完成，測(cè)量結(jié)果直接顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，噴嘴組Ⅲ的8個(gè)噴嘴同時(shí)噴射時(shí)的噴霧錐角如圖7所示。

本試驗(yàn)共采集了3個(gè)噴嘴組24個(gè)噴嘴在8種供油壓力下的錐角。噴嘴組Ⅱ的噴霧錐角測(cè)量值見表5。表中偏差δ為

式中：αmax、αmin和 αpj分別為某個(gè)噴嘴在各壓力下錐角的最大值、最小值和平均值。

表5 噴嘴組Ⅱ的錐角實(shí)測(cè)值 （°）

從表5中可見，隨著壓力增大，各噴嘴的噴霧錐角變化并不很大，增幅基本為2°～4°。表明隨著壓力的增大錐角的改變量很小，當(dāng)壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，錐角基本上不再發(fā)生變化。因此，可以認(rèn)為壓力變化對(duì)錐角的變化基本無影響或影響很小。

在相同壓力下，各噴嘴錐角的最大偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。最大偏差為噴嘴組Ⅲ在1.2 MPa下達(dá)到8.34%。統(tǒng)計(jì)表明，各噴嘴的錐角均值為78°。若大部分偏差為7%，則表示錐角偏差值為5°左右。因此，在噴嘴設(shè)計(jì)中，可限定其噴霧錐角為78°±5°范圍，以控制加工質(zhì)量。

表6 相同壓力下各噴嘴錐角的最大偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

研究結(jié)果表明，壓力霧化噴嘴的霧化錐角主要取決于噴口直徑、旋流室半徑、切向槽尺寸和槽數(shù)等幾何尺寸以及其相互比值，而壓力的影響極小[6]。

3.3 霧化粒度(SMD)試驗(yàn)

霧化粒度（SMD）的測(cè)量應(yīng)用相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測(cè)速儀（PDPA/LDV）并結(jié)合FlowSizer軟件進(jìn)行，測(cè)量值見表7(表中只列出噴嘴組Ⅱ的SMD)。

表7 噴嘴組Ⅱ的SMD試驗(yàn)結(jié)果 μm

從表7中可見，壓力霧化噴嘴在低壓范圍內(nèi)霧化質(zhì)量較差，變化范圍亦大，這與噴嘴噴口、旋流室等加工質(zhì)量、低壓下燃油黏度有關(guān)。當(dāng)壓力增大到0.8 MPa以上時(shí)，SMD減小變緩；壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，SMD已趨穩(wěn)定。該噴嘴組以1.0 MPa作為檢測(cè)基準(zhǔn)壓力。

PDPA/LDV系統(tǒng)采集的噴嘴部分粒度分布曲線如圖8、9所示。

從圖8、9中可見：

（1）各壓力下的分布曲線均很相似，并且隨著壓力增大，曲線最高峰向SMD較小的方向移動(dòng)。表明在一定壓力范圍內(nèi)，壓力增大可明顯減小SMD值；

（2）噴嘴組各噴嘴在設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa下工作時(shí)，粒度在11μm左右，遠(yuǎn)低于一般燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴小于50μm的要求。其SMD值能保證良好的燃燒溫度場(chǎng)，對(duì)減少污染物排放有很大作用。

對(duì)24個(gè)噴嘴的粒度結(jié)果取均值，在Matlab環(huán)境下利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到供油壓力與粒度的變化關(guān)系曲線。擬合關(guān)系曲線和測(cè)量的SMD值如圖10所示。該關(guān)系式為

從式中可見，SMD與ΔP-0.3964成正比，SMD計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差小于5%。

4 結(jié)論

（1）隨著供油壓力的增大，單個(gè)噴嘴噴油量和噴嘴組總噴油量均增加，但增加量逐漸減小，表明流量和壓力符合規(guī)律。

（2）隨著壓力的增大，大部分噴嘴的霧化錐角有增大的趨勢(shì)，當(dāng)壓力超過0.9 MPa時(shí)，錐角的變化量已很小，可以認(rèn)為壓力對(duì)錐角的變化影響極小。

（3）隨著供油壓力的增大，SMD減小，在低壓段減小的幅度較大。當(dāng)壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，SMD趨于定值，粒度直方圖變化趨勢(shì)較相似。

[1]沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司.燃?xì)廨啓C(jī)原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2]李志廣.發(fā)展我國(guó)重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)的可行性途徑[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2000（3）:6-11.

[3]張寶誠(chéng)編著.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4]王成軍，張寶誠(chéng).某重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒流動(dòng)的模擬[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（1）：99-100.

[5]劉凱,張寶誠(chéng),馬洪安，等.某重型燃?xì)廨啓C(jī)雙燃料噴嘴組試驗(yàn)器研制及流量試驗(yàn)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008,21（2）:48-52.

[6]Rollbuler R J.Experimental Studied on Effervescent Atomizers with Wide Spray Angles[C].School of Mechanical Engineering,Purdue University,NASA.Lewis,Cleveland OH 44135,Unites States,AGRAD,1993:3-4.