趙 芳,李先鋒

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所；2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000)

0 引言

燃?xì)獍l(fā)生器是一種通過燃燒航空煤油/液氧、酒精/空氣、酒精/液氧等組合推進(jìn)劑來生成高溫燃?xì)獾难b置[1-4]，在航空航天、石油化工及武器系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，包括液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料渦輪泵驅(qū)動(dòng)工質(zhì)[5-6]、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)[1-2]、高能化學(xué)激光器壓力恢復(fù)系統(tǒng)引射系統(tǒng)[7-10]及船用燃?xì)廨啓C(jī)[11]等。

燃油噴嘴作為燃?xì)獍l(fā)生器關(guān)鍵部件之一，極大地影響燃?xì)獍l(fā)生器的燃燒穩(wěn)定性、燃燒均勻性等燃燒性能。良好的燃油霧化性能實(shí)現(xiàn)更小的燃油液滴直徑、更大的燃燒蒸發(fā)及燃燒速度，是實(shí)現(xiàn)高效燃燒的前提，同時(shí)能改善點(diǎn)火及火焰穩(wěn)定性，并且提供較好的出口溫度場分布。

目前，多種噴嘴形式(包括直流式噴嘴、離心式噴嘴等)已應(yīng)用到燃?xì)獍l(fā)生器上[12-13]，其中離心式噴嘴由于霧化性能好而被廣泛應(yīng)用，但由于理論分析模型尚不完備，目前對(duì)于離心式噴嘴霧化性能的研究仍主要依靠霧化試驗(yàn)，主要包括噴霧錐角、液滴尺寸大小與分布等特性參數(shù)的相關(guān)測(cè)量[14-15]。

離心式噴嘴中燃油在油壓作用下通過噴嘴內(nèi)的旋流孔或旋流槽，在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)液膜的形式噴出噴口，液膜在離心力作用下在噴口處形成空心錐，并與空氣相互作用產(chǎn)生微小的油珠。當(dāng)前關(guān)于離心式噴嘴研究主要聚焦在雙油路離心式噴嘴，雙油路即為單油路離心式噴嘴的改進(jìn)型，它的突出優(yōu)點(diǎn)在于油量調(diào)節(jié)范圍大，并可保證低工況下能獲得較好的霧化質(zhì)量，可以滿足燃?xì)獍l(fā)生器不同工況下燃燒穩(wěn)定、完全燃燒的要求[16]。

本文依據(jù)某型燃?xì)獍l(fā)生器的工作特點(diǎn)，在綜合分析各種噴嘴方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制了某型雙油路離心式噴嘴，并借助單反相機(jī)、馬爾文粒徑測(cè)量儀等開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，獲得了初步研究結(jié)果。

1 噴嘴設(shè)計(jì)

圖1 雙油路離心式噴嘴霧化示意圖

作為燃?xì)獍l(fā)生器的關(guān)鍵部件，噴嘴設(shè)計(jì)直接影響到燃?xì)獍l(fā)生器燃燒性能。根據(jù)某型燃?xì)獍l(fā)生器的工作模式，噴嘴設(shè)計(jì)采用雙油路離心噴嘴結(jié)構(gòu)方案，其主要工作原理在于：在較小的氣壓工況下主要依靠噴嘴的供油壓力霧化；在較大的氣壓下，燃油則在噴嘴供油壓力的作用下進(jìn)行一次霧化，在通過一、二級(jí)旋流器后進(jìn)行二次霧化，然后由兩級(jí)旋流器產(chǎn)生的氣流帶動(dòng)向前流動(dòng)，爾后在文氏管內(nèi)表面形成油膜，該油膜在文氏管出口處通過兩級(jí)旋流器形成的兩股氣流進(jìn)行剪切破碎，如圖1所示[17]。

本文主要依據(jù)基于動(dòng)量方程的離心式噴嘴理論開展噴嘴設(shè)計(jì)，而雙油路離心式噴嘴可通過主、副油路兩次單油路噴嘴設(shè)計(jì)完成，鑒于兩者幾何參數(shù)設(shè)計(jì)方法相同，在此僅給出副油路離心式噴嘴設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

(1)已知參數(shù)：燃油流量mf、噴霧錐角α(副、主油路分別取70°及100°)、供油壓力pf、燃油密度ρf。

圖2 噴嘴幾何特性曲線

(2)由噴霧錐角α，查曲線(圖2)，得到噴嘴幾何特性

(1)

式中,R為旋流半徑，rc為噴口半徑，∑f為切向槽總面積，各參數(shù)如圖3所示。

(3)由查詢得到的幾何特性Q，再查曲線(圖2)，得到理論流量系數(shù)μ，實(shí)際流量系數(shù)μ′=xμ,式中，x為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值0.815～0.880。

(5)計(jì)算旋流半徑R=yrc，式中，y為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值2～6。

(a)

(b)

(6)通過式(1)計(jì)算出切向槽總面積∑f。

(7)一般切向槽數(shù)目取4，取槽深度h、寬度b，通常保持h/b≥1，由此

圖4 雙路離心式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

(8)旋流室直徑H=2R+b。

以上即為副油路離心式噴嘴設(shè)計(jì)流程，最終設(shè)計(jì)的雙離心式噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，該噴嘴結(jié)構(gòu)組成主要包含殼體、主副噴口、主副油路通道及旋流芯等。其中，噴嘴殼體與進(jìn)油管焊接，與主噴口通過螺紋連接；主噴口形成主油路加速噴射通道，其周圍均布若干小孔用于吹除積碳；副噴口則用于使主油路產(chǎn)生切向速度，同時(shí)為副油路提供燃燒加速通道；旋流芯的功能則在于使副油路產(chǎn)生切向速度。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

因試驗(yàn)條件限制，噴嘴出口無背壓，即噴嘴霧化試驗(yàn)在常壓下進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由測(cè)試噴嘴、供應(yīng)系統(tǒng)、霧化試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)控系統(tǒng)及測(cè)量設(shè)備(主要包括單反相機(jī)、高精度電子秤及馬爾文粒徑測(cè)量儀)。

2.1 供應(yīng)及測(cè)控系統(tǒng)

考慮安全因素，試驗(yàn)采用水作為燃油的模擬工質(zhì)。供應(yīng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬液體和擠推氣體的平穩(wěn)供應(yīng)，主要包括四部分。(1)擠推氣路：管路上依次設(shè)置過濾器、手動(dòng)截止閥、減壓閥、手動(dòng)截止閥及氣動(dòng)快速閥等。(2)液體儲(chǔ)罐：罐頂設(shè)置加注接口與手動(dòng)進(jìn)液閥、擠推氣進(jìn)口、安全閥及手動(dòng)放氣閥等，罐底設(shè)置出液口。(3)液路：液路為一路供應(yīng)，依次設(shè)置放液閥、手動(dòng)截止閥、過濾器及氣動(dòng)快速閥等。(4)測(cè)控系統(tǒng)包括噴霧運(yùn)行時(shí)序控制、安全連鎖、參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。控制對(duì)象包括減壓閥、氣動(dòng)快速閥等閥門系統(tǒng)，各閥門配置開關(guān)到位信號(hào)反饋。試驗(yàn)過程中，測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量并記錄各測(cè)點(diǎn)的壓力。壓力傳感器采用麥克傳感器公司的壓阻式壓力變送器，全量程測(cè)量精度為0.5%，最大響應(yīng)頻率為30 kHz。

2.2 測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)中所用到的測(cè)量設(shè)備主要包括單反相機(jī)、高精度電子秤及馬爾文粒徑測(cè)量儀。其中，單反相機(jī)用于拍攝噴嘴噴霧場，經(jīng)過后處理后得到噴霧錐角，采用的相機(jī)型號(hào)為佳能EOS RP，拍攝位置距離噴霧試驗(yàn)臺(tái)3 m，拍攝鏡頭中心與噴嘴噴霧主流中心線垂直，為保證拍攝的清晰度，拍攝背景布置為深色；高精度電子秤用于稱取流量，取同工況下3組平均值。

圖5 馬爾文粒徑測(cè)量儀組成示意圖

馬爾文粒徑測(cè)量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，包含激光發(fā)生端、激光接收端、導(dǎo)軌等。其中，激光發(fā)生端包含有準(zhǔn)直激光源，用于在測(cè)量過程中照射噴霧；激光接收端可含有任意一種透鏡，可對(duì)噴霧散射至一系列檢測(cè)器上的任何光線進(jìn)行聚焦。此類檢測(cè)器可準(zhǔn)確測(cè)量噴霧液滴從寬角度范圍散射的光強(qiáng)度。導(dǎo)軌可確保激光發(fā)生端及接收端校準(zhǔn)，其長度可更改，以便適應(yīng)不同應(yīng)用，最長導(dǎo)軌為2.5 m。測(cè)量儀自帶Spraytec軟件，在噴霧測(cè)量期間分析散射數(shù)據(jù)，計(jì)算噴霧粒度分布。

馬爾文粒徑測(cè)量儀用于實(shí)時(shí)測(cè)量噴霧的粒度分布，采用激光衍射技術(shù)，可以提供穩(wěn)定、可重現(xiàn)的結(jié)果。馬爾文粒徑測(cè)量儀擁有0.1 μm～2000 μm的廣闊動(dòng)態(tài)范圍，采集頻率高達(dá)10 kHz，可以準(zhǔn)確測(cè)量高速的噴霧樣品；此外，馬爾文粒徑測(cè)量儀具備數(shù)據(jù)回放功能，可實(shí)現(xiàn)每一個(gè)噴霧過程的逐幀分析，以便了解噴霧的動(dòng)態(tài)特征，存在的不足在于不能反映粒徑的空間分布。

3 霧化試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 流量系數(shù)

流量系數(shù)指的是噴嘴實(shí)際流量與理論流量的比值，實(shí)際流量通過試驗(yàn)獲取，而理論流量則是結(jié)合連續(xù)方程與伯努利方程得到，液體的理論流量對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為

(2)

圖6給出了噴嘴的流量隨噴注壓降的變化趨勢(shì)，由圖可知，噴嘴流量與噴注壓降基本呈指數(shù)型函數(shù)變化，這與式(2)吻合。噴嘴的流量系數(shù)隨噴注壓降的變化曲線如圖7所示，可知，在測(cè)試噴注壓降范圍內(nèi)基本保持在0.22左右，但由于噴嘴加工及流量的測(cè)量等誤差造成流量系數(shù)小幅度變化。總體趨勢(shì)說明該噴嘴的流量系數(shù)受噴注壓降影響較小。通過回歸分析得到了噴嘴流量與噴注壓降擬合關(guān)系式以及誤差分析的結(jié)果，分析得到該型噴嘴流量與噴注壓降的0.5次方成正比(R2為擬合的相關(guān)參數(shù)，其值為0.995，該值越接近1表示擬合效果越好)。這與式(2)的理論結(jié)果保持基本一致。

圖6 噴嘴流量隨噴注壓降的變化曲線

圖7 噴嘴流量系數(shù)隨噴注壓降的變化曲線

3.2 噴霧錐角

圖8、圖9是單反相反拍攝的噴霧錐角。噴霧錐角是衡量噴嘴霧化性能的關(guān)鍵指標(biāo)，較大的噴霧錐角一方面有利于氣液混合，促進(jìn)液體的一、二次霧化，另一方面可以得到粒徑更小、分布更均勻的霧化顆粒，利于燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室的貧油熄火特性。但噴霧錐角過大同樣帶來不利影響，包括燃油容易噴射到火焰筒壁面，產(chǎn)生積碳，從而不利于燃燒室的壽命，因此，合適的霧化錐角對(duì)組織燃燒非常重要。

圖8 噴嘴典型的噴霧場照片

圖9 噴嘴非正常的噴霧場照片

采用單反相機(jī)拍攝噴嘴噴霧場，經(jīng)過后期處理，得到噴嘴噴霧錐角，其中在噴注壓降為2.5 MPa工況下對(duì)應(yīng)的正常噴霧場如圖8所示，噴霧分兩層，界限明顯，對(duì)應(yīng)的錐角分別為105.5°、70.9°，與設(shè)計(jì)值(2.5 MPa噴注壓降下對(duì)應(yīng)內(nèi)外兩層錐角的設(shè)計(jì)值分別為104°、70°)保持一致。

然而，由于加工精度等原因，個(gè)別噴嘴出現(xiàn)分股、分層界限不明顯及內(nèi)外噴霧不同軸等問題，如圖9所示，該噴嘴出現(xiàn)分股及分層不明顯現(xiàn)象，其中造成分股的原因在于加工不夠精細(xì)，噴嘴內(nèi)表面存在毛刺；而引起分層不明顯的原因則在于焊接時(shí)候溫度控制不當(dāng)，因過度熱變形使得內(nèi)外噴口出口間隙太小。

3.3 噴嘴液滴平均直徑

噴嘴液滴平均直徑，對(duì)于燃?xì)獍l(fā)生器而言，通常關(guān)注的是索太爾平均直徑(SMD)，其物理意義在于：假設(shè)一群液滴的大小相同，且液滴的表面積和體積均與真實(shí)液滴相等，但假設(shè)的液滴數(shù)目與真實(shí)液滴的數(shù)目不等，這群假設(shè)的液滴直徑即為索太爾平均直徑。該參數(shù)同時(shí)考慮了總體積和總表面積的等效性，液霧總體積反映了液霧的總質(zhì)量，從而反映了燃燒的發(fā)熱量；液霧的總表面積則反映了液霧蒸發(fā)的快慢。

圖10 不同截面SMD值隨噴注壓降變化

作為衡量噴嘴霧化性能的核心指標(biāo)，SMD值越小，噴嘴的霧化性能越好。噴嘴不同出口截面上(測(cè)量高度即為噴嘴出口至激光軸中心之間的距離)各噴注壓降下的SMD值如圖10所示，可知，SMD值隨噴注壓降的增大而減小，這是因?yàn)閲娮斐隹谝耗ず穸入S噴注壓降的增加逐漸減小。在文獻(xiàn)[18]的基礎(chǔ)上，得到SMD∝h0.4，h為液膜厚度，故SMD會(huì)逐漸減小。但這種影響在開始時(shí)比較明顯，待噴注壓降達(dá)到1.5 MPa后，隨著噴注壓降的增大，SMD值的減小趨于平緩。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，SMD值隨著與噴嘴出口軸向距離的增加而逐漸減小，究其原因在于：在周圍空氣的作用下，離心式噴嘴產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)錐形液膜其表面波不斷增長并破碎成液絲，在氣動(dòng)力的作用下，液絲進(jìn)一步破碎成大液滴；大液滴在空氣中運(yùn)動(dòng)會(huì)進(jìn)行二次霧化，最終生成小的液滴。但當(dāng)離噴嘴出口達(dá)一定值時(shí)，即待到充分霧化后，SMD值趨于同數(shù)量級(jí)，相差甚小，如圖10所示，隨著噴注壓降的增大，各截面的SMD值表現(xiàn)的趨勢(shì)及大小保持一致。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的噴嘴流量滿足指標(biāo)，噴霧場分層明顯，內(nèi)外錐角與設(shè)計(jì)目標(biāo)保持一致；噴嘴的流量系數(shù)在不同噴注壓降下基本維持恒定；噴注壓降增大的使SMD值減小，減小的趨勢(shì)在開始時(shí)比較明顯，但當(dāng)噴注壓降上升到1.5 MPa時(shí)，趨勢(shì)趨于平緩；待噴嘴充分霧化后，隨著與噴嘴出口的距離的增加，SMD值基本維持不變。