航空發動機大流量清洗噴嘴的測試分析

李丹 許志鵬 沈偉

摘 要：大流量清洗噴嘴是大型航空發動機清洗系統的核心部件，由于技術條件要求苛刻，需要在實際裝配之前對清洗噴嘴的霧化特性進行測試。為此以PDI測試系統為基礎，對大流量噴嘴的霧化特性進行了測試分析。結果表明：采用的測試技術方案合理，噴嘴特性滿足發動機清洗的要求。

關鍵詞：清洗 噴嘴 霧化 測試 PDI

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0067-04

腐蝕、積垢是長時間工作航空發動機性能和可靠性下降的主要原因，大量工程經驗表明對發動機空氣流道進行清洗是減緩性能衰退的有效手段，清洗對于工作在鹽霧、沙塵環境中的發動機保持性能尤其有效。在發動機清洗裝置的研制過程中，清洗噴嘴的設計和制造非常關鍵。國內外的工程實踐和研究分析表明[1-5]：噴嘴形成的清洗液滴粒度越大、顆粒速度越大清洗效果越好，但液滴過大和過快會造成葉片表面損傷。清洗液的噴射形式、噴霧錐角以及液滴的粒度需根據具體的發動機而定。

該文涉及的清洗噴嘴為某型航空燃氣輪機的清洗系統的核心部件，經過前期方案論證和發動機、飛機現場分析，提出了通過飛機進氣道進行清洗的方案。在該方案中清洗支架安裝在進氣道唇口，清洗噴嘴安裝支架上。由于清洗液通過噴嘴霧化后需飛行3～4 m方能進入發動機，并滿足覆蓋程度和顆粒度的要求，因此噴嘴的設計、選型和參數選擇對于清洗系統的研制尤其重要。考慮清洗過程操作的便捷性，選擇發動機冷轉狀態下進行預防性的清洗，因核心機轉速較低，清洗液也采用較大的粒度，但其粒徑以不超過3 mm為宜（一般要求超過2 mm的清洗液滴不宜過多），速度與流場速度接近和略大為宜。清洗液液滴飛行距離較遠，噴霧形成的錐角較小，通過前期理論計算霧化錐角在15～25 °之間。為了保障裝機的安全和清洗效果，噴嘴生產后的測試和性能調整是必須環節。

該文以PDI（激光多譜勒）測試技術為基礎，對選型后的噴嘴進行了粒度、流量、錐角等霧化特性的測量。測試結果為后續清洗系統的設計和進一步的聯機實驗提供了基礎數據。

1 測試系統構成

該文進行清洗噴嘴和防護噴嘴試驗的試驗系統由噴嘴壓力供氣、供水系統和測試系統組成，其原理如圖1所示。圖中噴嘴壓力供氣、供水系統提供噴嘴正常工作所需要的高壓空氣（可選擇）和水，測試系統實物圖如圖2所示（由于本文涉及的試驗不涉及到噴嘴的供氣，因此只給出了供水系統）。測試系統包括管路中的流量測試系統（主要為水流量計）、光學測角和液滴粒度、速度測試系統（為激光多譜勒測試系統）。顆粒測試儀器采用美國Artium公司提供的顆粒/速度測試儀（PDI），如圖3所示。Artium PDI系統具有如下特點：采用顆粒的激光多譜勒效應進行高速非接觸式測量，其優點包括：在每一個測量點都可以對系統進行自動設置和操作，并具有強健簡潔的光路系統設計；沒有復雜難用的光纖光路；能基于不同的噴流環境對采樣體進行自動優化選擇；可以通過對坐標架實現自動控制從而達到對噴流流場的整體測量；遠程多用戶數據操作和系統控制；內置MATLABTM數據交換軟件包。

根據清洗方案設計的初步要求，需要對三型大流量噴嘴進行測試，分別編為1、2、3號。被測試的大流量噴嘴實物如圖3所示，噴嘴為特制帶有內部旋流葉片的離心霧化噴嘴，其流量在60 L/min左右，大大超過了一般需要進行PDI測試的噴嘴。

對于前期設計、制造的噴嘴，初步的測試表明：在較大的流量條件下，按照典型噴霧測試條件（激光焦點距離噴嘴20 cm）測試很難得到穩定的結果。分析原因，并不是噴嘴設計和制造的問題，主要是由于采用的噴嘴流量大、錐角小，在距離噴嘴20 cm的距離上霧錐尚未展開，水的霧化尚不充分，測試條件不穩定。同時考慮清洗目標和噴嘴距離較大，為此對測試條件進行了必要的改動，以叉車提升噴霧測試平臺，將測試焦距和噴嘴的距離增加到50 cm，并采用了最長的激光測試焦距和捕捉窗口。以此為基礎測試和調整了噴頭工藝參數，獲得了較為穩定一致的測試結果。

2 測試步驟

2.1 流量的測量

（1）將噴嘴固定在測量流量的儀器上；

（2）打開水源和氣源開關，按測試所需的水壓條件進行供水；

（3）待噴嘴處于穩定的工作狀態后，開啟測控系統的流量采集模塊，系統通過供水管道上的流量計實時記錄噴嘴的流量；

（4）調節壓力直到獲得所有的流量數據。

2.2 噴嘴顆粒速度和粒度的測量

（1）將噴嘴固定在臺架上，使得噴口方向垂直向下。調節臺架和顆粒/速度測試儀的高度，使得PDI處于最佳測量位置。連接好水管，并檢驗水管的氣密性，防止漏水。

（2）接通信息處理系統電源，開機并打開數據采集記錄軟件。

（3）設置采集工況號，采集數和采集時間間隔。

（4）打開氣源開關，根據需要測量的壓力條件調節空氣減壓閥和液壓閥門。

（5）由于調節速度過快或者振動等原因，壓力剛開始會有些不太穩定，待壓力表顯示穩定之后，運行采集軟件，并保存采集結果。

（6）重復步驟（3），按步驟（4）進行調節，接著按步驟（5）執行，直到所有的工況都采集完畢。

（7）關閉PDI開關，將鏡頭取下，放進保存箱。

（8）關閉氣閥和水閥，恢復系統正常。

3 測試結果

利用調整后的測試平臺對三型噴嘴的霧化效果進行測試，下面列出噴嘴在5、7、10 bar背壓條件下粒度分布的典型測試結果，如圖4～7所示。

考慮測試的噴嘴主要用于清洗，因此以體積中位直徑為參考直徑評估液滴顆粒的分布情況，表1同時給處了各型噴嘴的測試結果。由各個噴嘴測試結果可見：液滴顆粒度分布較為合理，未加權平均的液滴顆粒直徑集中在0.5 mm左右，大于2 mm的顆粒極少，滿足設計要求，既利于清洗，又不會給葉片表面造成影響，同時噴嘴清洗霧化參數均具有很大的調整余地，為后續工作參數的選擇和進一步的選型優化奠定了基礎。

將測試結果與前期計算結果進行對比，表明：噴嘴在7～10 bar背壓條件下顆粒的平均速度和發動機冷轉狀態進氣道中的氣流速度基本一致，利于液滴遠距離清洗。

4 結論

（1）以PDI為基礎的測試系統方案合理，滿足測試大流量噴嘴的技術要求。

（2）所采用的噴嘴特性滿足發動機清洗的要求，為后續清洗系統實驗和產品研制奠定了基礎。

參考文獻

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