發動機小孔流道堵塞的測試方法分析

毛楊軍

摘要：航空發動機內的燃料噴嘴堵塞會影響燃燒性能和排放。為準確地篩選出堵塞超標的部件，需要定期進行測試。首先分析了小孔流道堵塞的檢測機理和關鍵點，再比較分析了幾種常見的氣體流量測量方法，根據待測流道的檢測需求確定最佳的方法，據此設計了音速噴嘴流量測試裝置，具有操作簡單、多流道、精度高和維護少等特點。

關鍵詞：航空發動機;小孔流道堵塞;檢測機理;氣體流量測量方法

1? 概述

航空發動機內部如燃料噴嘴、軸承潤油噴嘴、透平噴嘴和透平冷卻孔等多處存在毫米級或以下的小孔流道，這些流道會因空氣或燃料中的雜質而出現不同程度的堵塞，嚴重影響燃燒性能、軸承壽命、發動機出力和高溫熱部件的壽命等。因此，需定期對各流道的堵塞程度進行測試，準確地篩選出超標的部件以清洗或更換。然而目前全球范圍僅有少數廠家有能力從事該項檢測工作，國內對該領域的檢測依舊是采用孔板法[1]，技術落后完全不能滿足使用要求。

2? 小孔流道堵塞檢測機理

小孔流道堵塞后會使流道的通流能力發生改變，即單位時間內通過流道的流體體積或質量的能力[2]。通流能力最常用的表示方法是有效面積法[3]。有效面積是指在通流能力與待測流道等效的節流孔的截面積[4]，以Ae表示，計算公式如下：

P3-被測部件上游側的壓力，Pa;

Gc-引力常數;

γ-氣體比熱比;

P4-大氣壓力，Pa;

R-氣體常數，J/（mol*K）;

T3-測量元件上游溫度，°R;

qm-質量流量，kg/s。

當測試用的氣體選定之后，γ和R值為定值，Gc為常數，P4為測試現場大氣壓，P3由待測部件的流道結構確定，取值為恒定倍數的P4，T3可視為常數，Ae與qm為線性正比關系，因此，可將堵塞檢測工作簡化成測量通過待測部件質量流量。當流道堵塞時，有效面積會減小，即質量流量會減小。通常規定測得通過待測部件的質量流量比同等環境條件下測得新部件的值減小控制在10%范圍內作為判斷依據。

3? 常見的氣體流量測量方法

氣體的質量流量由以下公式計算：

ρ-氣體密度;v-氣體流速;A-測量元件橫截面。

由于氣體可被壓縮，密度受溫度或壓力變化大，速度受外界因素影響波動大，可見，氣體流量的精確測量仍是一個難題。

3.1 常見流量方法

節流件的應用是最為普遍的氣體流量測量方法，主要有孔板、文丘里管、音速噴嘴和層流元件等，其中孔板和文丘里管屬于傳統節流件，音速噴嘴和層流元件屬于新型節流件。

3.1.1 傳統節流件

標準孔板是一塊圓形的、中心開孔、邊緣無倒角的薄金屬板。當氣流快速流經孔板的薄壁小孔時，由于流體的慣性作用，使通過節流孔的流體形成一個收縮面，然后再擴大，這一收縮和擴大的過程便在孔板的上下游側產生一個很大的靜壓差，同時產生了局部能量損失。根據伯努利方程和連續性原理，可得流經孔板的氣體質量流量為：

C-節流件流出系數;

ε-節流件可膨脹系數;

d-節流孔徑;

β-d與上游管道內徑比;

Δp-上下游壓差，Δp=p1-p2;

ρ-節流件入口氣體密度。

與標準孔板不同的是，文丘里管結構增加圓柱形入口段、圓錐形收縮段、圓柱形喉段和圓錐形擴散段，具有更小的壓損，并自帶取壓孔。文丘里管利用文丘里效應測量氣體流量，即氣體在通過喉段時，流速增大，該流速與喉部斷面成反比。流經文丘里管的氣體質量流量仍可沿用式（3），但參數流出系數和可膨脹系數的取值不同。

3.1.2 新型節流件

音速噴嘴是一種新型的節流件，也被稱為臨界流文丘里管。也是利用文丘里效應，但在文丘里管上作了結構改進，達到不一樣的效果。主要由一個平滑的圓形入口段，匯聚到最小喉部，并沿著較長的壓力恢復段發散，如圖2所示。

當在最小面積的喉部達到的最大氣流速度為1馬赫時，因為喉部速度最高且方向相反，下游壓力擾動不能通過噴嘴喉部向上游移動，所以下游的氣流波動不能影響通過噴嘴的流速或流量密度，被稱為音速狀態，此時通過音速噴嘴的質量流量為：

A-音速噴嘴的喉部面積，m2;

c-氣體臨界流函數，按式（5）;

P入口-音速噴嘴入口的氣體絕對壓力，Pa;

T0-音速噴嘴入口氣體絕對溫度，K。

當測試用氣體確定時，k和R為常數，則c為常數，T0可視為常數，因此通過音速噴嘴的質量流量與入口壓力為線性正比例。

層流元件為另一種新型節流件。由許多平行捆綁在一起的細長的小直徑管道組成，通過每根管道的流量減少，從而將氣流雷諾數保持在低水平，使流動成為層流，最小化上、下游壓力損失，解決了傳統節流件因氣流紊流而導致的大壓損和上、下游側的壓力難以精確測量等問題，極大地提供測量精度，如圖2所示。

通過層流元件的氣體質量流量為：

μ-氣體粘度，l-層流元件長度。

當層流元件確定時，通過層流元件的質量流量與其壓差為線性正比例。

3.2 各節流件對比

各節流件特點不同，氣體測量的效果也不同，應用對比如表1。

4? 節流件選擇和測試系統設計

4.1 節流件的選擇

航空發動機內的小孔流道待測質量流量值很小;每個燃料噴嘴的堵塞程度不同流量值也不同，流量范圍較廣;適應多種流道的測量;測量精度要求高。標準孔板的壓損最大，紊流程度最嚴重，因此測量的精度最低，測量的范圍也最小;文丘里管較孔板壓損小些，紊流程度有所改善，但鑒于測量原理知測量的范圍仍較窄，且尺寸大、精度不足，安裝條件嚴苛，一般只適用大管道流量的測試場合;層流元件的最大特點是具有最小壓損，因此測量的范圍最廣，氣流處于層流態，精度明顯提高，且尺寸小，應用越來越多廣泛，但音速噴嘴在尺寸、精度、原理、維護和操作等方面更具優勢，特別適用于極小流量的高精度的測量場合。

4.2 音速噴嘴流量測試裝置

為滿足航空發動機小孔流道的流量測量需求，專門設計了音速噴嘴流量測試系統，如圖3所示。主要由過濾器1、調壓閥、壓力表、五通閥4、音速噴嘴5、壓力表6、溫度計7、待測部件8和壓力表9組成。該測試系統四個不同規格的音速噴嘴，滿足不同流道的測試需求，各個流道的切換通過部件4來實現。每次測試時，只需記錄部件3的P1值，操作非常方便，每次測試的時間很短，加之音速噴嘴具有良好的測量精度，現該項研究已成功應用到多個航空發動機改地面燃機的大修服務項目中，取得了顯著效果。

5? 結束語

本文從分析航空發動機小孔流道堵塞的檢測機理入手，確定流道的流量測量這個關鍵點，隨后比較分析了孔板、文丘里管、音速噴嘴和層流元件傳統與新型節流件的流量測試方法，發現音速噴嘴在精度、操作性、流量范圍和尺寸等方面獨具優勢，最終設計了適用于航空發動機小孔流道堵塞程度測試的音速噴嘴流量測量系統，為其它類型流道堵塞檢測提供技術參考。

參考文獻：

[1]鄒斌，等.燃氣發動機噴嘴噴氣流量測量方法研究[J].武漢理工大學學報，2015，37（1）：55-59.

[2]蔡武昌.流量測量方法和儀表的選用[J].北京：化學工業，2001.

[3]王池，等.流量測試技術全書[M].北京：化學工業，2012.

[4]鮑洋洋，等.壓縮空氣流量測量方法分析[J].通用機械， 2012，33（8）：92-95.