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        加工工藝對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴性能的影響研究

        2012-09-28 09:39:26張寶誠(chéng)宋文超馬洪安
        航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:錐角噴口油路

        劉 凱,張寶誠(chéng),宋文超,馬洪安

        (1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng) 110136;2.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110043)

        0 引言

        燃油霧化質(zhì)量和燃油濃度分布均明顯影響燃燒室性能,關(guān)系到燃燒穩(wěn)定性,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力、耗油率和工作經(jīng)濟(jì)性[1-2]。霧化質(zhì)量差,噴霧濃度分布不均勻,噴霧錐角不適當(dāng),將直接影響燃燒室和渦輪的壽命及污染物排放。油滴大,打到壁面可使其過(guò)熱,結(jié)焦,燃燒時(shí)間長(zhǎng)、效率低,點(diǎn)火困難,排氣冒煙,排氣污染物增加等。噴霧錐角過(guò)大,油滴打到火焰筒頭部壁面,可引起壁面局部過(guò)熱、燒蝕;噴霧錐角過(guò)小,使更多油滴集中在火焰筒中心燃燒,中心過(guò)于富油,燃燒不完全,易冒煙,溫度場(chǎng)熱點(diǎn)高。因此,燃油噴嘴性能的優(yōu)劣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中相當(dāng)重要的問(wèn)題[3-5]。

        本文重點(diǎn)研究壓力霧化噴嘴加工時(shí),噴口直徑、錐度、旋流槽和供油壓力對(duì)流量、噴霧錐角、粒度SMD的影響。

        1 噴嘴加工工藝

        試驗(yàn)噴嘴是1個(gè)雙油路、雙噴口壓力霧化噴嘴,包括噴嘴殼體、主噴口、副噴口、分油襯套和螺帽等。供油量少時(shí),副油路工作;供油量多時(shí),主、副油路共同工作。主、副油路互不串油,互不干擾。某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴如圖1所示。

        1.1 噴嘴構(gòu)件技術(shù)要求

        試驗(yàn)噴嘴主、副噴口典型技術(shù)要求如圖2所示。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

        圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴

        (1)噴口的旋流槽和中心孔尺寸對(duì)噴嘴的流量和噴霧錐角影響很大,故對(duì)其尺寸精度、位置精度要求高;

        (2)主、副噴口裝配同軸度要求高,一般在0.02左右,稍有偏斜即明顯影響霧錐油膜厚度和噴油周向不均勻度,加工中應(yīng)嚴(yán)格檢查噴口之間間隙;

        (3)研磨旋流槽應(yīng)保持銳邊,以保證噴口和旋流槽的高精度;

        (4)噴口內(nèi)表面和端面的表面粗糙度要求高,為0.1~0.2 mm,若過(guò)于粗糙會(huì)使噴霧錐有油道子,影響噴液流動(dòng);

        (5)噴嘴選擇在高溫工作時(shí)變形小和硬度高的材料,如CrWMn、CrWM等,具有滲氮、滲碳、耐燃油沖刷和抗高溫腐蝕等特點(diǎn)。

        1.2 噴口工藝過(guò)程及檢測(cè)

        噴口加工工藝過(guò)程為毛坯制造、粗加工、中間檢驗(yàn)、細(xì)加工、熱處理、細(xì)加工、精加工和檢驗(yàn)。其精加工中研磨工藝是關(guān)鍵工序。尺寸精度等級(jí)可達(dá)IT 5以上,圓柱體圓度可達(dá)0.001 mm。

        噴口加工中常見(jiàn)故障有:切向槽深度超差(影響流量和旋流)、內(nèi)錐面啃傷、內(nèi)錐角度超差、轉(zhuǎn)接半徑研不出、切向小孔堵塞、零件端面跳動(dòng)較大等,均需采用相應(yīng)工藝措施排除。

        10個(gè)試驗(yàn)噴嘴主、副噴口特性尺寸的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

        2 試驗(yàn)系統(tǒng)

        噴嘴綜合試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)包括3維可調(diào)噴嘴試驗(yàn)臺(tái)、相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測(cè)速儀(PDPA/LDV)、計(jì)量系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、回油系統(tǒng)、引風(fēng)系統(tǒng)、操作臺(tái)、計(jì)算機(jī)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及試驗(yàn)空氣霧化噴嘴用的壓縮空氣供給系統(tǒng)等。

        表1 試驗(yàn)噴嘴主、副噴口的工藝特性尺寸檢測(cè)結(jié)果mm

        3 工作特性試驗(yàn)

        本試驗(yàn)主要研究預(yù)先加工的不同尺寸噴嘴試驗(yàn)件的霧化特性:

        (1)確定起飛、額定、巡航和慢車(chē)狀態(tài)下的流量特性,確定供油量與主要構(gòu)件幾何尺寸的關(guān)系;

        (2)測(cè)定霧化粒度SMD與壓力的關(guān)系,給出SMD-P的預(yù)估關(guān)系式;

        (3)確定噴霧錐角與噴口尺寸及供油壓力的關(guān)系。

        試驗(yàn)共測(cè)量了不同尺寸的10個(gè)噴嘴。

        3.1 流量特性試驗(yàn)

        噴嘴流量特性試驗(yàn)是測(cè)定噴嘴流量隨供油系統(tǒng)壓力的變化,即噴嘴流量mf-ΔP曲線,如圖4所示。1組典型的mf-ΔP值見(jiàn)表2。

        圖4 噴嘴流量隨供油系統(tǒng)壓力的變化

        表2 1組典型的mf-ΔP值

        3.2 噴霧錐角試驗(yàn)

        采用數(shù)碼相機(jī)采集噴霧錐角,并通過(guò)圖片識(shí)別軟件獲得各壓力下的噴霧錐角。典型噴霧錐角測(cè)量值見(jiàn)表3。

        表3 噴霧錐角測(cè)量值

        從表3中可見(jiàn):

        (1)主油路錐角在92°左右,隨供油壓力P的增加,噴霧錐角αp稍變小。當(dāng)P從0.8 MPa升至2.2 MPa,αp減少 3.1°;設(shè)計(jì)狀態(tài) P=2.4 MPa 時(shí),αp=90.6°,錐角相對(duì)改變量α/αp=3.1/90.6=0.034,該值已在錐角測(cè)量誤差之內(nèi)。因此,可認(rèn)為壓力對(duì)噴霧錐角的改變影響很小。

        (2)副油路左右,壓力變化對(duì)噴霧錐角基本沒(méi)有影響。

        (4)主、副噴口共同工作時(shí),由于二者相互影響,噴霧錐角略小于主油路單獨(dú)工作時(shí)的。

        3.3 霧化粒度試驗(yàn)

        本研究測(cè)量了各種工作狀態(tài)下10個(gè)試驗(yàn)噴嘴噴霧的SMD值。作為例子,典型粒度分布直方圖如圖5所示,各工作壓力下的SMD值見(jiàn)表4。

        表4 噴嘴SMD測(cè)量值

        從圖5和表4中可見(jiàn):

        (1)隨著主油路供油壓力的增大,SMD呈減小趨勢(shì);直方圖的最高峰向SMD小的方向移動(dòng),且各壓力下的直方圖很相似。表明在一定壓力范圍,壓力增大可明顯減小霧化的SMD值;在低壓段,壓力增大,SMD減少較明顯;當(dāng)壓力增大到一定程度時(shí),繼續(xù)增大壓力,SMD減少量變?。?/p>

        (2)在副油路單獨(dú)工作時(shí),SMD為10 μm左右,且粒度直方圖很相似;

        (3)在主、副油路共同工作時(shí),當(dāng)壓力達(dá)到1.8 MPa時(shí),SMD基本不變,為20 μm左右,表明霧化質(zhì)量基本穩(wěn)定,其粒度直方圖很相似,峰值SMD右邊粒度分布和走向與主油路單獨(dú)工作時(shí)的相似,即較大粒子分布基本一致。對(duì)試驗(yàn)噴嘴,壓力為1.4 MPa以上,其霧化質(zhì)量較穩(wěn)定。

        4 試驗(yàn)結(jié)果與噴嘴主要尺寸的關(guān)系

        下文對(duì)噴嘴主要尺寸(如噴口半徑、噴口錐度、旋流槽與噴嘴流量、噴霧錐角和霧化粒度)的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和回歸分析。

        4.1 流量特性擬合分析

        根據(jù)表1中的10個(gè)噴口尺寸測(cè)量結(jié)果,研究了噴口半徑和其錐度、旋流槽橫截面積、供油壓力對(duì)流量特性的影響,采用Minitab軟件進(jìn)行擬合和方差分析,給出主、副油路共同工作的回歸方程

        得到如下主要結(jié)論:

        (1)在主、副油路單獨(dú)工作時(shí),燃油流量分別與主、副噴口半徑的平方成正比;在主、副油路共同工作時(shí),流量主要受主噴口面積影響,而受副噴口面積影響較??;研磨噴口可以明顯增大流量。

        (2)旋流槽面積愈大,則流量亦愈大。

        (3)供油壓力與流量之間存在密切相關(guān)性,即壓力對(duì)流量影響非常明顯。

        (4)噴口錐度與流量沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        在主油路工作時(shí),流量與出口半徑、旋流槽截面積及壓力的擬合曲線分別如圖6~8所示。

        在主、副油路共同工作時(shí),擬合分析結(jié)果表明:流量與主噴口半徑的平方存在線性相關(guān)性,而副噴口半徑平方對(duì)流量影響很小。

        4.2 影響噴霧錐角的因素

        本研究擬合了噴霧錐角與噴口半徑的關(guān)系,得到如下結(jié)果:

        圖6 流量與出口半徑擬合曲線

        圖7 流量與旋流槽面積擬合曲線

        圖8 流量與壓力擬合曲線

        由上述公式可知:噴霧錐角與噴口半徑有正相關(guān)關(guān)系,增大噴口半徑可增大噴霧錐角,但同時(shí)也增大了流量。流量與噴霧錐角應(yīng)折衷考慮。

        在主、副油路共同工作時(shí),噴霧錐角與主噴口半徑的平方有正相關(guān)關(guān)系,而副噴口半徑對(duì)噴霧錐角的影響很小。噴嘴加工中應(yīng)嚴(yán)格控制加工公差,正負(fù)公差疊加可使流量達(dá)到限制邊界。主、副油路共同工作時(shí),噴霧錐角與出口半徑平方的擬合曲線如圖9所示,具體數(shù)值見(jiàn)表5。

        表5 噴霧錐角與出口半徑平方的具體數(shù)值

        4.3 影響霧化粒度因素

        擬合分析表明:

        主、副噴口半徑不是影響霧化粒度的主要因素;

        在主油路單獨(dú)工作時(shí),擬合分析給出SMD與主油路工作壓力的關(guān)系為

        其擬合曲線如圖10所示。

        圖10 霧化粒度與壓力擬合曲線

        在副油路單獨(dú)工作時(shí):SMD=29.28-4.912PS

        在主、副油路共同工作時(shí):SMD=22.19-0.6Pz

        5 結(jié)論

        (1)噴嘴的出口半徑、旋流槽寬度、深度的工藝性與噴嘴的流量、噴霧錐角具有很強(qiáng)的相關(guān)性,研磨噴口直徑和旋流槽端面可以調(diào)整流量和噴霧錐角。

        (2)噴口的加工錐度與流量、噴霧錐角、SMD沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        (3)噴嘴的壓力對(duì)各參數(shù)的影響很大,具有強(qiáng)相關(guān)性。

        (4)在主、副油路共同工作時(shí),副油路不是影響流量、噴霧錐角、SMD的主要因素。

        [1]張寶誠(chéng).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,2005:380-383.

        [2]甘曉華.航空燃?xì)廨啓C(jī)燃油噴嘴技術(shù) [M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006:15-55.

        [3]馬洪安.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴對(duì)比試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2009,35(3):54-57.

        [4]Han Z,Parrish S,Farrell P V,et al.Modeling atomization processes ofpressure-swirl-hollow-cone fuelspray[J].Atomization and Sprays,1997,7(5):663-684.

        [5]Rizk N K.Modelforresearch swirlatomizers[R].

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