崔博 李健 于復(fù)磊 付國梁

摘 要：為了研究某型單路壓力霧化噴嘴的霧化特性對發(fā)動機啟動性能的影響，利用激光粒度儀測試了某型渦噴發(fā)動機的燃燒室噴油環(huán)噴嘴在低壓階段的噴霧霧化特性，得到了此噴嘴在低壓階段的壓力流量關(guān)系、噴霧霧化錐角、霧化粒子的速度以及霧化顆粒度的關(guān)系。結(jié)果表明：采用的單路壓力霧化噴嘴流量穩(wěn)定，霧化角度穩(wěn)定，霧化粒子分布均勻，但是霧化粒子速度較低，霧化顆粒度較大，需要加大發(fā)動機啟動時的點火能量。

關(guān)鍵詞：單路壓力霧化噴嘴 低壓 霧化特性 啟動

中圖分類號：V233.2+4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0060-04

噴嘴是航空發(fā)動機燃燒室的重要組成部件，燃料的霧化過程就是依靠噴嘴來完成[1]，噴嘴性能的好壞將對燃燒室的燃燒過程有著重要的影響，將直接影響發(fā)動機的點火速度、啟動速度和穩(wěn)定性、溫度分布以及排氣污染等各個方面的性能[2]。以往的工作多集中討論研究發(fā)動機工作點的噴嘴霧化特性對發(fā)動機性能的影響，對于在發(fā)動機啟動階段噴嘴的霧化特性對發(fā)動機性能的影響研究很少[3-6]。

該文選取某型渦噴發(fā)動機燃油噴嘴作為研究對象，此噴嘴為單路壓力霧化噴嘴，通過實驗測試此噴嘴的在低壓階段的各項參數(shù)性能并分析其霧化特性，討論噴嘴霧化特性對發(fā)動機啟動階段性能的影響以及為以后發(fā)動機的改進提供實驗數(shù)據(jù)支撐。

1 噴嘴噴霧霧化特性分析實驗

1.1 實驗對象

實驗采用某型渦噴發(fā)動機的燃燒室噴油環(huán)的其中一個噴嘴作為實驗研究對象。此噴油環(huán)有12個噴嘴，每個噴嘴彼此均為規(guī)格相同的單路壓力霧化噴嘴，噴油環(huán)為整體不可拆卸式結(jié)構(gòu)，因此制作11個堵塞并封住其中11個噴嘴，留取距供油口最遠的1個噴嘴作為實驗研究對象（如圖1所示），通過改變進油端供油壓力，來測量噴嘴的流量、噴霧霧化錐角、粒子速度以及霧化顆粒度（SMD值）特性，并進行分析。

1.2 實驗設(shè)備

該文研究工具采用了噴嘴噴霧綜合實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，核心部件為激光粒度儀利用激光多普勒技術(shù)，研究噴嘴噴霧工作特性，可以對噴嘴流量、噴霧霧化錐角、霧化粒子速度和霧化顆粒度等多個參數(shù)進行實驗研究。噴嘴噴霧綜合實驗系統(tǒng)由實驗臺架、激光粒度儀、燃油供給系統(tǒng)、實驗計量系統(tǒng)、控制臺、計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)，噴嘴噴霧實驗測試系統(tǒng)的原理圖可見圖2所示。

實驗所使用的激光粒度儀采用顆粒的激光多譜勒效應(yīng)進行高速非接觸式測量，其優(yōu)點包括：在每一個測量點都可以對系統(tǒng)進行自動設(shè)置和操作，并具有強健簡潔的光路系統(tǒng)設(shè)計；沒有復(fù)雜難用的光纖光路；能基于不同的噴流環(huán)境對采樣體進行自動優(yōu)化選擇；可以通過對坐標架實現(xiàn)自動控制從而達到對噴流流場的整體測量；遠程多用戶數(shù)據(jù)操作和系統(tǒng)控制；內(nèi)置數(shù)據(jù)交換軟件包。

1.3 實驗工況的選擇

該實驗是要選取該發(fā)動機在啟動階段為研究工況，對燃油噴嘴在低壓階段進行基本特性的測量與研究分析，獲取其低壓階段的噴霧特性，分析噴嘴對發(fā)動機啟動性能的影響。因此對該燃油噴嘴設(shè)定若干個供油壓力，以測量其流量，霧化錐角，霧化粒子速度和SMD值（D32）等參數(shù)的變化規(guī)律。實驗選取0.5 MPa，0.6 MPa，0.7 MPa，0.8 MPa，0.9 MPa，1.0 MPa和1.1 MPa等幾個壓力點進行測量。因為該實驗僅測試噴嘴的霧化特性，不涉及點火，而根據(jù)以往的經(jīng)驗采用水和煤油作為介質(zhì)對噴嘴的霧化特性影響不大，基于安全性考慮，因此在實驗過程中采用水作為工作介質(zhì)[7]。

1.4 實驗的主要內(nèi)容

對該噴嘴在低壓階段下的基本數(shù)據(jù)進行分析，給出該型噴嘴低壓階段工作的基本特性。分析隨著實驗中供油壓力的改變噴嘴流量隨之變化的規(guī)律，擬合出該噴嘴的壓力流量特性曲線，觀察霧化錐角角度變化，測試霧化粒子的運動速度，并通過直方圖和實驗數(shù)據(jù)分析噴嘴霧化顆粒度（SMD值）的變化規(guī)律，為研究該型噴嘴霧化特性提供可靠準確的實驗依據(jù)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 壓力與流量關(guān)系分析

在實驗過程中，隨實驗壓力的改變測出噴嘴流量的具體數(shù)據(jù)，擬合出噴嘴的壓力-噴嘴流量特性曲線如圖3所示。

從圖3可以看出隨著實驗壓力的增大，噴嘴流量也隨之增大，通過數(shù)據(jù)擬合出的曲線基本呈線性關(guān)系，上述結(jié)果表明在發(fā)動機啟動階段隨著供油壓力的增加，噴嘴流量的增加明顯，可以滿足發(fā)動機各個階段對供油量的需求。

2.2 噴霧霧化錐角分析

通過實驗觀察，在實驗所取的壓力范圍內(nèi)噴霧霧化錐角變化不大，錐角角度始終保持在一定的角度范圍內(nèi)，如圖4所示，由此可以看出隨著實驗壓力的改變，此噴嘴的霧化形狀保持相對穩(wěn)定，變化不大，比較有利于燃燒室的穩(wěn)定燃燒。

2.3 噴霧霧化粒子速度分析

表1列出了通過實驗所測得的噴嘴霧化粒子的平均速度，分析數(shù)據(jù)可以看出噴霧粒子的平均速度比較低，粒子速度只有1～2 m/s，需要合理設(shè)計空氣旋流器提高了霧化粒子的運動速度，避免在發(fā)動機啟動過程中由于燃料粒子速度較慢而在燃燒室壁面上產(chǎn)生積碳。

2.4 噴霧化顆粒度分析

噴嘴的噴霧霧化粒度大小直接影響點火能量、燃燒效率、污染物排放和出口溫度等各種技術(shù)指標。霧化顆粒度實驗的工作內(nèi)容主要是測量噴嘴在各壓力工況下噴霧的SMD值，通過實測各壓力下的SMD值可以分析該噴嘴的工作特點以及對發(fā)動機工作特性的影響。

通過圖5霧化顆粒度分布直方圖可以看出，各壓力下直方圖形狀比較相似，隨著壓力的升高，直方圖的最高點的位置逐漸向SMD直徑小的方向移動，可以得出在實驗所取壓力范圍內(nèi)，壓力的增加可以明顯減小噴嘴霧化的顆粒度。由表2的具體數(shù)據(jù)可以看出，隨著供油壓力的不斷增加，SMD值呈現(xiàn)出減小的趨勢，由0.5 MPa的82.7μm減小到1.1 MPa的61.5μm。因此這一結(jié)果可以表明此噴嘴在低壓供油階段，SMD值隨壓力的增高而減小，壓力增加可以明顯降低噴嘴霧化的SMD值，霧化粒子的顆粒度在實驗所取的壓力階段總體呈減小的趨勢，但是總體霧化粒子還是處于較粗的水平，因此在發(fā)動機點火過程中會需要增加一定的點火能量。

3 結(jié)論

（1）實驗過程中噴嘴流量和噴霧霧化錐角滿足了發(fā)動機燃燒室啟動階段點火時的要求。隨著啟動階段供油壓力的升高，噴嘴流量不斷地增加，噴霧粒子分布基本均勻。

（2）實驗過程中噴霧粒子速度平均速度較慢，有必要設(shè)計合理的空氣旋流器，增加粒子的運動速度，既可以避免在燃燒室壁面上積碳的形成。

（3）實驗過程中霧化顆粒度處于較粗水平，在此噴嘴發(fā)動機的啟動階段，發(fā)動機點火時需要較大的點火能量。

參考文獻

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

[2] 徐旭常，周力行.燃燒技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2008.

[3] 陳俊.某型航空發(fā)動機燃油噴嘴霧化質(zhì)量試驗研究及其火焰筒頭部仿真[D].沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2007.

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[7] 陳琴珠，閆東恒，于瀟行，等.低壓大流量噴嘴霧化性能實驗[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）：36-39.