嚴(yán)友誼 宋雙文 陳劍 李志

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

與傳統(tǒng)離心噴嘴等燃油霧化裝置相比，采用甩油盤結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)霧化設(shè)備因其供油壓力低、對(duì)燃油品質(zhì)要求低、加工方便、高轉(zhuǎn)速下燃油霧滴粒徑小且霧化質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)在低壓比、小流量航空發(fā)動(dòng)機(jī)、起動(dòng)機(jī)及彈用發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

甩油盤的主要工作原理是依靠轉(zhuǎn)子件的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)甩油盤轉(zhuǎn)動(dòng)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大離心力使噴口通道內(nèi)的燃油擠壓油道內(nèi)壁面，形成沿通道環(huán)面分布的極薄油膜。這種片狀連續(xù)油膜在靠近噴孔出口時(shí)由于慣性力及表面張力作用破裂，呈串狀液滴沿噴口噴出（該過程稱為主破裂過程）。此后液滴與燃燒室進(jìn)口氣流進(jìn)行摻混，在空氣摩擦力及自身慣性力作用下破裂（該過程稱為次級(jí)破裂）成為具有足夠小尺度滿足燃燒所需的液體微團(tuán)[3]。

由于液滴的主破裂過程對(duì)霧化性能有重要影響，同時(shí)該過程發(fā)生在噴油孔出口附近。因此從20世紀(jì)80年代至今就有許多學(xué)者研究噴孔結(jié)構(gòu)特性對(duì)甩油盤性能的影響。如：1981年，日本學(xué)者M(jìn)orishita較早利用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）研究了甩油盤直徑、孔數(shù)、孔徑、流量和轉(zhuǎn)速對(duì)霧化性能的影響，獲得了大量圓形噴口甩油盤試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]。2002年，Werner J.A.Dahm、Prashant R.Patel等人通過激光攝像技術(shù)（可視化技術(shù)）研究了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速下水在不同噴孔甩油盤中的破裂形態(tài)，提出了臨界與超臨界破裂概念[4]。2009年，韓國(guó)學(xué)者Seong Man Choi1等人通過PDPA測(cè)量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不同直徑圓形噴口甩油盤的霧滴平均直徑得出噴口直徑增大有利于液滴霧化的結(jié)論[5]。Carmen Sescu與Bogdan R.Kucinschi等人通過試驗(yàn)[6]及數(shù)值模擬[7]研究了不同轉(zhuǎn)速下油膜破裂過程。本文利用PDPA技術(shù)對(duì)3種噴口形狀和2種孔深共計(jì)6種組合形式的離心甩油盤（見表1和圖1）進(jìn)行霧化性能對(duì)比試驗(yàn)，為進(jìn)一步了解甩油盤的霧化機(jī)理和工作特性提供了必要的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.試驗(yàn)相關(guān)情況簡(jiǎn)介

1.1 甩油盤試驗(yàn)件介紹

甩油盤噴口形狀及尺寸見表1（孔深H見圖1）。

表1 甩油盤噴口形狀及特征尺寸

1.2 試驗(yàn)設(shè)備介紹

整臺(tái)試驗(yàn)器由下列主要系統(tǒng)組成: 相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、臺(tái)架系統(tǒng)、抽風(fēng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、操縱臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。甩油盤由電主軸驅(qū)動(dòng)，其工作轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。抽風(fēng)系統(tǒng)能及時(shí)抽走試驗(yàn)箱體內(nèi)的油霧，避免浮余細(xì)小油霧對(duì)測(cè)試精度的影響，保證試驗(yàn)時(shí)無(wú)油霧翻滾、油霧回流和油霧外溢現(xiàn)象。試驗(yàn)箱體兩側(cè)安裝玻璃觀察窗便于PDPA儀的測(cè)量。美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的PDPA儀由激光器、光纖藕合器、發(fā)射探頭、接收探頭、光電轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、三維移動(dòng)坐標(biāo)架及光纜等組成，可對(duì)甩油盤的霧化粒度、霧化錐角、霧滴運(yùn)動(dòng)速度等進(jìn)行測(cè)量。

2.試驗(yàn)條件及內(nèi)容

試驗(yàn)使用RP-3航空煤油，其密度為0.7890g/cm3，試驗(yàn)油溫為（15～17）℃，環(huán)境溫度為（11～13）℃。試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 甩油盤試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中激光測(cè)量位置如圖1所示，激光焦點(diǎn)原點(diǎn)在甩油盤出油孔平面上，距出油孔30mm處。計(jì)算機(jī)控制PDPA激光發(fā)射和接收探頭坐標(biāo)架于X軸正負(fù)方向移動(dòng)，選擇合適的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量此點(diǎn)的霧滴平均直徑（SMD）。噴霧錐角的邊界點(diǎn)由PDPA儀測(cè)試的數(shù)據(jù)率來判定，由此計(jì)算出錐角α。

圖1 甩油盤霧化測(cè)量位置示意圖

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 霧化錐角

圖2～圖4分別為圓形、菱形及方形噴油孔在不同孔深下的霧化錐角α對(duì)比。

圖2 不同孔深的圓形噴孔霧化錐角曲線對(duì)比

圖3 不同孔深的菱形噴孔霧化錐角曲線對(duì)比

圖4 不同孔深的方形噴孔霧化錐角曲線對(duì)比

由圖2～圖4知，甩油盤的霧化錐角隨轉(zhuǎn)速增大而逐漸變小。這是由于甩油盤轉(zhuǎn)速的增加，使其產(chǎn)生的當(dāng)量供油壓力增大，燃油液滴沿噴口方向的線性速度增大，從而導(dǎo)致其錐角減少。類似于單油路離心噴嘴，隨著供油壓力的增大，噴霧錐角減小。

由圖2～圖3知，菱形、圓形噴口在不同孔深下的錐角變化曲線幾乎一致。而方形噴口在不同孔深下的錐角變化曲線隨轉(zhuǎn)速的增加基本一致，因此孔深對(duì)霧化錐角基本無(wú)影響。

轉(zhuǎn)速區(qū)間上不同形狀噴口霧化錐角的峰值由大到小依次為：圓形＞菱形＞方形。通過對(duì)以往不同直徑圓形噴口甩油盤的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)直徑小的圓形噴口比直徑大的圓形噴口有更大的錐角峰值。因此初步推斷霧化錐角峰值大小與噴口的名義直徑（噴口截面周長(zhǎng)除以圓周率）有關(guān)，而與噴口形狀關(guān)系不大。即噴口直徑越小，則噴霧錐角的峰值越大。

3.2 霧化粒度SMD

圖5～圖6為孔深不同的噴口SMD曲線對(duì)比；圖7～圖8為形狀不同的噴口SMD曲線對(duì)比。

圖5 不同孔深的圓形噴孔SMD曲線對(duì)比

圖6 不同孔深的方形、菱形噴孔SMD曲線對(duì)比

圖7 圓形、菱形和方形噴孔在孔深1.5時(shí)的SMD曲線對(duì)比

圖8 圓形、菱形和方形噴孔在孔深2.5時(shí)SMD曲線對(duì)比

由圖5～圖8知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，甩油盤的SMD迅速減小。

由圖5～圖6知，不同孔深的甩油盤SMD變化規(guī)律基本一致，相同轉(zhuǎn)速下SMD變化不大。這是由于燃油入口長(zhǎng)度（即燃油由任意流動(dòng)的液體進(jìn)入噴口在離心力與張力作用下變成薄油膜所需要的最小通道長(zhǎng)度）與孔深相比很小，改變孔深不影響油膜在通道內(nèi)壁面的形成。因此對(duì)霧化粒度無(wú)影響。

由圖7和圖8知，方形噴口甩油盤在低轉(zhuǎn)速時(shí)比圓形噴口的SMD好，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)比圓形噴口SMD差。這是由于燃油霧化質(zhì)量的好壞與曲率半徑大小有關(guān)，一般說來曲率半徑越大，霧化效果越好。方形直邊的曲率半徑接近無(wú)窮，燃油從上面流過時(shí)分布均勻，形成的油膜薄且厚度相同，同時(shí)離開噴口后的油膜帶短且寬，利于此后油膜在空氣中的破裂。而方形直角處曲率半徑很小，燃油從上面流過時(shí)分布不均勻，形成的油膜層厚且厚度差異大，同時(shí)離開噴口后成線條狀從角上流出，不利于油膜在空氣中的破裂。當(dāng)方孔與圓孔甩油盤同處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，方孔中燃油大部分分布在直邊，因此整體的霧化效果比圓孔好，但隨著轉(zhuǎn)速的增大，燃油分子受到的慣性力增加，使得直邊上的燃油克服流動(dòng)阻力向角上集中，角上的燃油增多，直邊上的燃油減少。因此高轉(zhuǎn)速時(shí)，方孔甩油盤整體霧化效果比圓孔甩油盤差。

4.結(jié)論

通過對(duì)不同孔深的圓形、菱形及方形噴口甩油盤霧化性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可得如下結(jié)論：

（1）孔深對(duì)甩油盤霧化錐角及SMD基本無(wú)影響。

（2）在低轉(zhuǎn)速下，方形噴口甩油盤可以得到較好的SMD；在高轉(zhuǎn)速下，圓形噴口甩油盤可以得到較好的SMD。

（3）名義直徑小的噴油孔，在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間上的霧化錐角峰值大，同時(shí)錐角變化范圍大。