毛楊軍
摘要:航空發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(jié)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(guī)定測得通過待測部件的質量流量比同等環(huán)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(jié)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(tǒng)節(jié)流件,音速噴嘴和層流元件屬于新型節(jié)流件。
3.1.1 傳統(tǒng)節(jié)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(jié)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(xù)性原理,可得流經孔板的氣體質量流量為:
C-節(jié)流件流出系數;
ε-節(jié)流件可膨脹系數;
d-節(jié)流孔徑;
β-d與上游管道內徑比;
Δp-上下游壓差,Δp=p1-p2;
ρ-節(jié)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(jié)流件
音速噴嘴是一種新型的節(jié)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(fā)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(tài),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(jié)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(tǒng)節(jié)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(jié)流件對比
各節(jié)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(jié)流件選擇和測試系統(tǒng)設計
4.1 節(jié)流件的選擇
航空發(fā)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(tài),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(yōu)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(fā)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(tǒng),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(tǒng)四個不同規(guī)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(fā)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(fā)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(tǒng)與新型節(jié)流件的流量測試方法,發(fā)現音速噴嘴在精度、操作性、流量范圍和尺寸等方面獨具優(yōu)勢,最終設計了適用于航空發(fā)動機小孔流道堵塞程度測試的音速噴嘴流量測量系統(tǒng),為其它類型流道堵塞檢測提供技術參考。
參考文獻:
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