某型喷嘴雾化特性实验研究

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摘 要：为了研究某型单路压力雾化喷嘴的雾化特性对发动机启动性能的影响，利用激光粒度仪测试了某型涡喷发动机的燃烧室喷油环喷嘴在低压阶段的喷雾雾化特性，得到了此喷嘴在低压阶段的压力流量关系、喷雾雾化锥角、雾化粒子的速度以及雾化颗粒度的关系。结果表明：采用的单路压力雾化喷嘴流量稳定，雾化角度稳定，雾化粒子分布均匀，但是雾化粒子速度较低，雾化颗粒度较大，需要加大发动机启动时的点火能量。
关键词：单路压力雾化喷嘴 低压 雾化特性 启动
中图分类号：V233.2+4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0060-04
喷嘴是航空发动机燃烧室的重要组成部件，燃料的雾化过程就是依靠喷嘴来完成[1]，喷嘴性能的好坏将对燃烧室的燃烧过程有着重要的影响，将直接影响发动机的点火速度、启动速度和稳定性、温度分布以及排气污染等各个方面的性能[2]。以往的工作多集中讨论研究发动机工作点的喷嘴雾化特性对发动机性能的影响，对于在发动机启动阶段喷嘴的雾化特性对发动机性能的影响研究很少[3-6]。
该文选取某型涡喷发动机燃油喷嘴作为研究对象，此喷嘴为单路压力雾化喷嘴，通过实验测试此喷嘴的在低压阶段的各项参数性能并分析其雾化特性，讨论喷嘴雾化特性对发动机启动阶段性能的影响以及为以后发动机的改进提供实验数据支撑。
1 喷嘴喷雾雾化特性分析实验
1.1 实验对象
实验采用某型涡喷发动机的燃烧室喷油环的其中一个喷嘴作为实验研究对象。此喷油环有12个喷嘴，每个喷嘴彼此均为规格相同的单路压力雾化喷嘴，喷油环为整体不可拆卸式结构，因此制作11个堵塞并封住其中11个喷嘴，留取距供油口最远的1个喷嘴作为实验研究对象（如图1所示），通过改变进油端供油压力，来测量喷嘴的流量、喷雾雾化锥角、粒子速度以及雾化颗粒度（SMD值）特性，并进行分析。
1.2 实验设备
该文研究工具采用了喷嘴喷雾综合实验系统，该系统采用计算机数据采集系统，核心部件为激光粒度仪利用激光多普勒技术，研究喷嘴喷雾工作特性，可以对喷嘴流量、喷雾雾化锥角、雾化粒子速度和雾化颗粒度等多个参数进行实验研究。喷嘴喷雾综合实验系统由实验台架、激光粒度仪、燃油供给系统、实验计量系统、控制台、计算机数据采集和数据处理显示系统，喷嘴喷雾实验测试系统的原理图可见图2所示。
实验所使用的激光粒度仪采用颗粒的激光多谱勒效应进行高速非接触式测量，其优点包括：在每一个测量点都可以对系统进行自动设置和操作，并具有强健简洁的光路系统设计；没有复杂难用的光纤光路；能基于不同的喷流环境对采样体进行自动优化选择；可以通过对坐标架实现自动控制从而达到对喷流流场的整体测量；远程多用户数据操作和系统控制；内置数据交换软件包。
1.3 实验工况的选择
该实验是要选取该发动机在启动阶段为研究工况，对燃油喷嘴在低压阶段进行基本特性的测量与研究分析，获取其低压阶段的喷雾特性，分析喷嘴对发动机启动性能的影响。因此对该燃油喷嘴设定若干个供油压力，以测量其流量，雾化锥角，雾化粒子速度和SMD值（D32）等参数的变化规律。实验选取0.5 MPa，0.6 MPa，0.7 MPa，0.8 MPa，0.9 MPa，1.0 MPa和1.1 MPa等几个压力点进行测量。因为该实验仅测试喷嘴的雾化特性，不涉及点火，而根据以往的经验采用水和煤油作为介质对喷嘴的雾化特性影响不大，基于安全性考虑，因此在实验过程中采用水作为工作介质[7]。
1.4 实验的主要内容
对该喷嘴在低压阶段下的基本数据进行分析，给出该型喷嘴低压阶段工作的基本特性。分析随着实验中供油压力的改变喷嘴流量随之变化的规律，拟合出该喷嘴的压力流量特性曲线，观察雾化锥角角度变化，测试雾化粒子的运动速度，并通过直方图和实验数据分析喷嘴雾化颗粒度（SMD值）的变化规律，为研究该型喷嘴雾化特性提供可靠准确的实验依据。
2 实验结果及分析
2.1 压力与流量关系分析
在实验过程中，随实验压力的改变测出喷嘴流量的具体数据，拟合出喷嘴的压力-喷嘴流量特性曲线如图3所示。
从图3可以看出随着实验压力的增大，喷嘴流量也随之增大，通过数据拟合出的曲线基本呈线性关系，上述结果表明在发动机启动阶段随着供油压力的增加，喷嘴流量的增加明显，可以满足发动机各个阶段对供油量的需求。
2.2 喷雾雾化锥角分析
通过实验观察，在实验所取的压力范围内喷雾雾化锥角变化不大，锥角角度始终保持在一定的角度范围内，如图4所示，由此可以看出随着实验压力的改变，此喷嘴的雾化形状保持相对稳定，变化不大，比较有利于燃烧室的稳定燃烧。
2.3 喷雾雾化粒子速度分析
表1列出了通过实验所测得的喷嘴雾化粒子的平均速度，分析数据可以看出喷雾粒子的平均速度比较低，粒子速度只有1～2 m/s，需要合理设计空气旋流器提高了雾化粒子的运动速度，避免在发动机启动过程中由于燃料粒子速度较慢而在燃烧室壁面上产生积碳。
2.4 喷雾化颗粒度分析
喷嘴的喷雾雾化粒度大小直接影响点火能量、燃烧效率、污染物排放和出口温度等各种技术指标。雾化颗粒度实验的工作内容主要是测量喷嘴在各压力工况下喷雾的SMD值，通过实测各压力下的SMD值可以分析该喷嘴的工作特点以及对发动机工作特性的影响。
通过图5雾化颗粒度分布直方图可以看出，各压力下直方图形状比较相似，随着压力的升高，直方图的最高点的位置逐渐向SMD直径小的方向移动，可以得出在实验所取压力范围内，压力的增加可以明显减小喷嘴雾化的颗粒度。由表2的具体数据可以看出，随着供油压力的不断增加，SMD值呈现出减小的趋势，由0.5 MPa的82.7μm减小到1.1 MPa的61.5μm。因此这一结果可以表明此喷嘴在低压供油阶段，SMD值随压力的增高而减小，压力增加可以明显降低喷嘴雾化的SMD值，雾化粒子的颗粒度在实验所取的压力阶段总体呈减小的趋势，但是总体雾化粒子还是处于较粗的水平，因此在发动机点火过程中会需要增加一定的点火能量。
3 结论
（1）实验过程中喷嘴流量和喷雾雾化锥角满足了发动机燃烧室启动阶段点火时的要求。随着启动阶段供油压力的升高，喷嘴流量不断地增加，喷雾粒子分布基本均匀。
（2）实验过程中喷雾粒子速度平均速度较慢，有必要设计合理的空气旋流器，增加粒子的运动速度，既可以避免在燃烧室壁面上积碳的形成。
（3）实验过程中雾化颗粒度处于较粗水平，在此喷嘴发动机的启动阶段，发动机点火时需要较大的点火能量。
参考文献
[1]侯凌云，侯晓春.喷嘴技术手册[M].2版.北京：中国石化出版社，2007.
[2]徐旭常，周力行.燃烧技术手册[M].北京：化学工业出版社， 2008.
[3]陈俊.某型航空发动机燃油喷嘴雾化质量试验研究及其火焰筒头部仿真[D].沈阳：沈阳航空工业学院，2007.
[4]武雷，钱志博，朱允进.离心式喷嘴雾化特性的数值模拟[J].火力与指挥控制，2010，35（7）：147-150.
[5]张红霞，王成军，孙婷.小流量压力雾化喷嘴性能试验研究[J]. 沈阳航空航天大学学报，2013，30（2）：18-21.
[6]陈斌，郭烈锦，张西民，等.喷嘴雾化特性实验研究[J].工程热物理学报，2001，22（2）：237-240.
[7]陈琴珠，闫东恒，于潇行，等.低压大流量喷嘴雾化性能实验[J].实验室研究与探索，2015，34（12）：36-39.