某型回油離心式噴嘴性能試驗研究分析

李煒 王璐 謝芳

摘 要：回油離心式噴嘴作為單油路離心噴嘴的一種特殊類型，具有在較寬的燃油量變化范圍內(nèi)維持良好霧化質(zhì)量的特點，因此在小型發(fā)動機上具有一定的應用前景。目前，相對于離心噴嘴，回油離心式噴嘴的設計方法成熟度相對較低，國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻中對回油噴嘴的試驗研究也較少，本文以某型回油噴嘴為研究對象，研究定進油流量情況下進、回油壓力、噴霧錐角、燃油周向分布不均勻度及霧化質(zhì)量隨回油孔有效面積的變化規(guī)律，為后續(xù)回油噴嘴的設計和計算提供支持。研究結(jié)果表明：在保持進油流量不變的情況下，增加回油孔有效面積，進油壓力和回油壓力均減小，但進、回油壓差基本不變；噴霧錐角和分布不均勻度均增大，霧化粒度變化很小。

關(guān)鍵詞：回油噴嘴；回油流量；進油壓力；回油壓力；噴霧錐角；燃油周向分布不均勻度；霧化質(zhì)量

中圖分類號：TK472 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0075-03

燃油噴嘴是航空發(fā)動機燃燒室的關(guān)鍵部件，其作用是將液體燃料霧化，加大燃料的表面積，如此可提高燃燒時熱和質(zhì)的交換速率，加快燃燒過程，提高燃燒室性能。燃油噴嘴通常按照霧化原理的不同分為壓力霧化噴嘴、氣動霧化噴嘴、旋轉(zhuǎn)噴嘴和蒸發(fā)管式噴嘴等。

目前航空發(fā)動機上應用較多的燃油噴嘴類型為壓力霧化噴嘴和空氣霧化噴嘴。其中，壓力霧化噴嘴的工作原理是將壓力轉(zhuǎn)化為動能，使燃油旋轉(zhuǎn)運動，最終達到霧化的效果，其主要包括直射式噴嘴、離心式噴嘴（又分為單油路噴嘴和雙油路噴嘴）和回油噴嘴[1]。離心式噴嘴的霧化主要是依靠燃油的供油壓力，燃油在油壓驅(qū)動下通過專門設計的噴嘴內(nèi)的旋流孔或槽，在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)液膜的形式噴出噴口。但離心式噴嘴的一個主要缺點就是在小油量供油時，由于供油壓力低，不能保證良好的霧化錐角和燃油霧化質(zhì)量。

回油離心式噴嘴作為單油路離心噴嘴的一種特殊類型，在單油路離心噴嘴的基礎上在增加了一個回油通道并通過改變回油路流通面積以改變油量，使超過燃燒要求的多余燃油經(jīng)過這個通道返回到燃油腔，而噴口前油壓基本不變，這樣可以保證通過旋流室內(nèi)的燃油流速較高，使旋流室內(nèi)的燃油保持強旋流狀態(tài)，在較寬的燃油量變化范圍內(nèi)，能夠維持良好的霧化質(zhì)量[2，3]，因此在小型發(fā)動機上具有一定的應用前景。

目前，相對于離心噴嘴，回油噴嘴的設計方法成熟度相對較低，國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻中對回油噴嘴的試驗研究也較少。本文以某型回油噴嘴，在保持進油量一定的情況下，通過改變回油路流通面積來調(diào)節(jié)回油量，進行了性能試驗研究，為后續(xù)回油噴嘴的設計和計算提供支持。

1 試驗件

以某型回油噴嘴作為研究對象，該噴嘴主要由噴嘴體、噴口、分流閥等組成，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。該型回油噴嘴的工作原理為：燃油通過進油孔進入后，經(jīng)分流閥上的旋流槽后加速旋轉(zhuǎn)，在旋流室內(nèi)形成強旋流。一部分燃油通過回油孔返回油箱，余下燃油經(jīng)噴口小孔噴出，在火焰筒頭部形成霧錐，參與燃燒。采用這種調(diào)節(jié)方式，在小油量時，能保證經(jīng)過旋流室的總油量較大，有利于改善小油量狀態(tài)下的燃油霧化質(zhì)量，因此在各工作狀態(tài)下，均能夠得到良好的霧化效果。

2 試驗設備及測量方法

本試驗系統(tǒng)由燃油加溫冷卻裝置、燃油供油系統(tǒng)、噴霧錐角測量裝置、VXI數(shù)采系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)等組成，試驗系統(tǒng)及測試方法概圖如圖2所示。

噴霧錐角測量方法采用計算機圖像法，在距離噴口30mm位置進行測量，燃油周向分布不均勻度由12等分周向分布器測量，每份燃油量通過管道流入對應的電子秤進行稱量，再由公式（1）進行計算得到。

（1）

式中Wfmax和Wfmin分別為12個分布電子秤所得的最大燃油質(zhì)量和最小燃油質(zhì)量。

3 試驗參數(shù)

保持噴嘴進油流量Wf=12kg/h恒定不變，通過調(diào)節(jié)回流閥改變回油孔有效面積（回油路流通面積）來調(diào)節(jié)回油流量，并進行以下試驗。

3.1 流量試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、0）kg/h時，測量錄取回油噴嘴的進油壓力和回油壓力。

3.2 噴霧錐角試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、0）kg/h時，在距噴口30mm處，測量錄取回油噴嘴的回油壓力和噴霧錐角。

3.3 燃油分布不均勻度試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（9.0、8.0、6.0、5.0、3.0）kg/h時，在距噴口30mm處，測量錄取回油噴嘴的回油壓力和燃油周向分布不均勻度。

3.4 霧化特性試驗

分別調(diào)節(jié)回油流量至Wf2=（9.0、8.0、6.0、5.0、3.0）kg/h時，在距噴口30mm處，測量錄取噴嘴液滴直徑SMD和液滴分布指數(shù)N。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 流量試驗

圖3為該型回油噴嘴進油流量Wf=12kg/h恒定不變時，進油壓力和回油壓力隨回油流量的變化關(guān)系。由圖3可得出以下結(jié)論。

（1）在進油量保持不變的情況下，隨著回油流量增大，回油壓力減小。分析其原因，回油流量增大，回油孔的有效面積增大，反壓減小，因此，回油壓力減小。反之，在進油量保持不變的情況下，隨著回油壓力的增大，燃油軸向速度增加，出油量增大，回油量減小。

（2）在進油量保持不變的情況下，隨著回油流量增大（噴油量減小），進油壓力也減小，這與單油路離心噴嘴的規(guī)律相同。

（3）在進油量保持不變的情況下，回油流量增大，進油壓力和回油壓力的變化趨勢基本一致，且進、回油壓差基本不變。

4.2 噴霧錐角試驗

圖4為該回油噴嘴進油量Wf=12kg/h保持不變的情況下，噴霧錐角隨回油流量的變化關(guān)系。

由圖4可得，隨著回油流量的減小，噴霧錐角不斷減小。這是由于回油流量減小時，由3.1節(jié)可知，進油壓力增大，噴口處燃油軸向速度增大，噴霧錐角會相應減小，這與離心噴嘴得到的結(jié)論是一致的，即當噴口上游壓力值增大到一定值后，繼續(xù)增大會使噴霧錐角減小。

4.3 燃油周向分布不均勻度試驗

圖5所示為該型回油噴嘴進油量Wf=12kg/h保持不變的情況下，燃油周向分布不均勻度隨回油流量的變化關(guān)系。

由圖可得，隨著回油流量的增加（回油壓力的減小），燃油周向分布不均勻度增加，這與離心式噴嘴的規(guī)律也是一致的。分析其原因如下，根據(jù)3.1節(jié)，當進油量保持不變時，隨著回油流量增加，回油壓力減小，進油壓力也減小，旋流室內(nèi)燃油的湍流強度也減弱了，不助于充分混合改善燃油不均勻度分布。

4.4 燃油周向分布不均勻度試驗

圖6所示為該回油噴嘴進油量Wf=12kg/h保持不變的情況下，燃油液滴直徑SMD和液滴分布指數(shù)N隨回油流量的變化關(guān)系。

由圖6可知，進油量保持不變時，液滴直徑與液滴分布指數(shù)隨回油流量的變化很小。這是由于回油噴嘴的進油流量恒定，在各狀態(tài)下，旋流室內(nèi)燃油的動量較大，燃油的噴射壓力也較高，因此始終能維持較好的霧化質(zhì)量。

5 結(jié)語

由于回油噴嘴的回油流量是通過調(diào)節(jié)回油閥來改變回油孔有效面積（即回油路流通面積）實現(xiàn)的，綜上，在進油量保持不變的情況下，增大回油孔有效面積（即回油流量），可得到以下結(jié)論：（1）進油壓力和回油壓力均減小，但進、回油壓差基本不變；（2）由于回油壓力減小，進油壓力也減小，燃油軸向速度則減小，導致噴霧錐角增大；（3）由于進油壓力減小，旋流室內(nèi)燃油的湍流強度也隨之減弱，不助于充分混合，進而導致燃油周向分布不均勻度變大；（4）燃油的霧化質(zhì)量變化很小，在各狀態(tài)下均能維持較好的霧化質(zhì)量。

本文通過試驗總結(jié)了回油噴嘴在定進口流量情況下，回油孔有效面積的變化對進、回油壓力，噴霧錐角、燃油周向分布不均勻度和霧化質(zhì)量的影響，為后續(xù)回油噴嘴的設計和計算提供支持。

參考文獻

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[2] 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊[M].北京：中國石化出版社，2007.

[3] Arthur H.Lefebvra，Dilip R. Ballal.Gas Turbine Combustion，Taylor and Francis，1999.

[4] 蔡文哲，劉明華.微型回油式噴嘴設計及霧化試驗研究[J].戰(zhàn)術(shù)導彈技術(shù)，2017（6）：57-61.