火焰筒頭部積碳對燃油霧化特性影響的試驗研究

萬云霞，柴 昕，竇義濤

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

在航空燃氣輪機研制的過程中，積碳是燃燒室部件中的較為突出的問題之一。在燃燒室工作過程中，燃油噴嘴、頭部旋流器等部件常常會產生各種積碳[1-4]。隨著軍用航空發動機推重比的增大，對燃燒室溫升的要求越來越高[5，8]；同時要求燃燒室具有更高可靠性和更長使用壽命，因而解決火焰筒頭部裝置的積碳問題顯得更緊迫。

燃燒室在使用一段時間后，火焰筒頭部文氏管表面均會出現不同程度的積碳，導致燃油濃度場及燃燒室頭部氣動流場匹配不佳[9,12]，進氣不對稱，以及油氣參與燃燒時火焰偏斜，使火焰筒局部受到持久過燒[13-15]。

本文通過對文氏管表面帶有積碳的火焰筒頭部旋流裝置進行霧化性能試驗，得出文氏管部位不同形態積碳對旋流裝置下游霧化場的影響規律，為燃燒室部件的設計、使用及修理維護提供技術支持。

1 試驗件及試驗條件

圖1 試驗件

試驗件主要包括火焰筒頭部旋流霧化裝置和離心式燃油噴嘴，如圖1所示。其霧化過程是經過離心噴嘴初步霧化的燃油顆粒，以60°左右的錐角入射在頭部旋流裝置的文氏管表面，并形成油膜后經過燃燒室頭部旋流裝置的旋流空氣的強剪切作用，繼續破碎成更小的燃油粒子進入火焰筒參與燃燒。

在保持該頭部旋流霧化裝置的2級旋流器以及噴嘴的結構參數不變的條件下，改變文氏管表面積碳狀態進行試驗。由于火焰筒頭部積碳狀態在使用過程中會在氣流作用下發生變化，試驗采用在文氏管端面涂抹膠質來模擬實際積碳狀態，旋流霧化裝置包括文氏管表面光潔、擴張段有均勻2mm、3mm左右不均勻的3種積碳形態。

本文針對各積碳形態的霧化裝置主要進行3個試驗狀態的霧化性能試驗，得出其頭部油氣比分別為0.080、0.145、0.240。

2 試驗結果

2.1 試驗測量參數

為分析噴霧場下游流場燃油霧化特性，對距離霧化裝置文氏管積碳表面出口軸向距離分別為47、68 mm位置截面的燃油粒子霧化流場進行分析。

試驗運用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）對經過頭部旋流霧化裝置霧化后的燃油粒子進行噴霧場測量，測量主要參數包括索太爾平均直徑（D32）、燃油粒子數密度分布、燃油粒子特征直徑和分布指數、霧化錐角、噴霧場偏心度等，其中燃油粒子分布指數N 按R-R（Rosin-Rammler）分布統計。

2.2 燃油粒徑分布

在霧化裝置下游35 mm截面位置，頭部油氣比分別為0.080、0.145和0.240下D32沿徑向的分布規律如圖2～4所示。

圖2 47mm截面處D32分布（油氣比0.080）

圖3 47mm截面處D32分布（油氣比0.145）

圖4 47mm截面處D32分布（油氣比0.240）

由于霧化裝置安裝的為雙油路離心噴嘴，在其下游47mm截面處和不同油氣比狀態下，無積碳、帶有均勻和不均勻積碳形式的的旋流霧化裝置，燃油粒子D32分布呈3v形，在噴霧外圍和中心區，其D32都呈先減小后增大趨勢。在同一油氣比狀態下，相對無積碳和均勻積碳的頭部，帶有不規則積碳的霧化裝置下游流場燃油粒子的D32明顯增大，并且燃油粒子沿徑向分布對稱性變差。

在霧化裝置下游47mm截面處，油氣比分別為0.080、0.145、0.240下，帶有3種積碳形態的霧化裝置下游噴霧場的燃油粒子的特征直徑和R-R分布指數見表1。

表1 47mm截面燃油平均粒徑和分布指數

對同1種積碳模式下的液滴分布指數分析可知，隨著霧化裝置油氣比的增大，燃油粒子的R-R分布指數增大，說明其燃油粒子分布相對更均勻，但是液滴平均粒徑增大；而在同一油氣比下，相對于頭部文氏管端面帶有均勻和無積碳形態，文氏管端面帶有不均勻積碳的霧化裝置，其下游噴霧場燃油粒徑加大，但二者分布均勻性相當。

在霧化裝置下游68mm截面處，油氣比分別為0.080，0.145，0.240下，燃油粒子D32沿徑向方向的分布規律如圖5～7所示。

圖5 68mm截面處D32分布（油氣比0.080）

圖6 68mm截面處D32分布（油氣比0.145）

圖7 68mm截面處D32分布（油氣比0.240）

從圖5～7中可見，在下游截面，在任何1個油氣比下，相對頭部文氏管端面帶有均勻積碳和無積碳形態，文氏管端面帶有不規則積碳狀態的霧化裝置的D32較大。而在同一油氣比下，存在不規則積碳時，燃油粒徑分布明顯偏離，且在68mm截面的偏移量要比在47mm截面的更大。

在霧化裝置下游68mm截面處，油氣比分別為0.080、0.145、0.240下，帶有3種積碳形態的霧化裝置下游噴霧場的燃油粒子的平均粒徑和液滴分布指數的綜合值見表2。

表2 68mm截面燃油平均粒徑和分布指數

通過對表1、2中2個截面下的3種積碳模式的燃油粒徑對比可知，在相同油氣比下，相對于文氏管端面無積碳和帶有不規則積碳的狀態，文氏管端面帶有均勻積碳時，其霧化裝置在同一位置的燃油粒徑更小，即帶有均勻積碳狀態的燃油粒徑小于文氏管端面無積碳狀態的，文氏管端面帶有不規則積碳狀態的燃油粒徑最大。

在均勻積碳情況下，由于出口面積減小，使得霧化空氣對燃油粒子的剪切作用增強，對燃油霧化起到了促進作用；存在不規則積碳時，使得霧化空氣分布不均勻，局部霧化效果得到增強，下游流場受到影響，總體霧化質量有所降低。無論對任何積碳形式下的噴霧場，平均粒徑均隨著油氣比的增大而增大。

對比表1、2中數據還可知，在油氣比為0.080和0.145下，燃油粒徑在47、68mm截面位置基本相當，但是在油氣比為0.24時，相對于霧化裝置下游47 mm截面位置，在68mm截面位置燃油粒子平均粒徑變大，粒子分布指數減小，分布更不均勻。

2.3 燃油顆粒數密度

在燃油霧化裝置下游47、68mm截面處，燃油顆粒在不同油氣比（0.08，0.14，0.24）、不同積碳形式（無積碳、2mm均勻積碳和不規則積碳）下燃油粒子數密度沿徑向分布規律如圖8～13所示。

圖8 47mm截面燃油數密度分布（油氣比0.080）

圖9 47mm截面燃油數密度分布（油氣比0.145）

圖10 47mm截面燃油數密度分布（油氣比0.240）

從圖8～10中可見，無論對于何種積碳形式，在霧化裝置下游47mm截面處，燃油粒子數密度變化有著相同的分布規律，從中心到外圍呈先增大后減小分布，在噴霧中心區域內燃油粒子密度較小，這是由于離心噴嘴的燃油經過霧化裝置的霧化的結果。

圖11 68mm截面燃油數密度分布（油氣比0.080）

圖12 68mm截面燃油數密度分布（油氣比0.145）

圖13 68mm截面燃油數密度分布（油氣比0.240）

從圖11～13中可見，在距離燃油霧化裝置出口68mm截面處，文氏管端面帶有無積碳和均勻積碳的2種狀態的霧化裝置，其下游燃油粒子數密度分布相似。但是由于在霧化裝置下游燃油噴霧場受到不規則積碳的影響而發生了偏移，相對于無積碳、均勻積碳的試驗狀態，帶有不規則積碳的霧化裝置，其下游流場的燃油粒子數密度沿周向分布更加不均勻。

通過對噴霧場下游47、68mm截面處的燃油粒子數密度分布曲線對比分析可得，距離霧化裝置出口軸向越遠，其燃油粒子數密度沿徑向對稱分布性越差。

2.4 噴霧錐角

采用拍照法對霧化裝置的燃油進行霧化錐角測量，帶有3種積碳形態的霧化裝置在不同油氣比下的噴霧錐角試驗數據見表3。

通過對不同積碳形式油霧的霧化錐角試驗數據分析可得，相對于無積碳狀態，在各油氣比下，霧化裝置頭部帶有均勻積碳和不規則積碳狀態時，其油霧噴霧錐角明顯變大。

表3 噴霧錐角

3 結論

上述試驗分析表明，文氏管表面積碳對霧化裝置下游的噴霧場有著明顯影響，得出以下主要結論：

（1）油氣比對平均粒徑的影響。在相同油氣比下，平均粒徑變化規律顯著。頭部存在均勻積碳、無積碳和不規則積碳狀態下燃油粒子D32均呈遞增趨勢；而且隨著霧化裝置油氣比的增大，燃油粒子平均粒徑也逐漸增大。

（2）積碳對燃油粒徑的影響。在47、68mm截面，文氏管端面帶有2mm均勻積碳的燃油霧化裝置下游流場平均粒徑要比無積碳時略有減小，但是其分布規律沒有明顯變化；由于文氏管出口截面的不規則積碳對旋流器旋流效果的影響，霧化裝置下游流場發生改變，燃油粒子平均粒徑相比無積碳和帶有2mm均勻積碳明顯增大。

（3）積碳對噴霧場均勻性的影響。文氏管端面無積碳和帶有2mm均勻積碳的霧化裝置，其燃油粒子下游噴霧場沒有發生明顯變化；而文氏管端面存在不規則積碳時，其下游燃油粒徑分布發生了明顯偏移，隨著軸向距離加長，其燃油粒子沿徑向分布的對稱性變差；相對于文氏管端面無積碳和存在均勻積碳狀態，在不規則積碳時燃油粒子數密度沿周向分布更加不均勻。

（4）積碳對噴霧錐角的影響。相對于無積碳狀態，在各油氣比狀態下，霧化裝置頭部帶有均勻積碳和不規則積碳時，其油霧噴霧錐角明顯變大。

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