離心噴嘴偏心和凸凹對雙旋流器空氣霧化特性的影響

張善軍，金 戈，賈春燕，馬宏宇，齊 兵

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著先進航空燃氣輪機的發展，燃燒室工作壓力[1]、空氣流量、燃油流量、溫升和出口溫度顯著提升，對燃燒效率、出口溫度場品質、污染物排放等燃燒室性能要求也更為嚴格[2-5]。因此要求在更大的流量范圍內保證燃油噴嘴霧化效果良好。

為滿足上述要求，現代先進航空燃氣輪機燃燒室普遍采用壓力/空氣組合式霧化噴嘴[6-8]。在低工況時，燃燒室進口空氣壓力和速度均較低，燃油主要依靠幾何特征數小的副油路壓力霧化噴嘴進行霧化；在高工況時，燃燒室進口空氣壓力和速度均顯著提高，燃油主要依靠空氣霧化噴嘴進行霧化，保證燃油在有限供油壓差下，實現較大的供油量和良好的霧化效果[9]。選擇不同的壓力霧化噴嘴與空氣霧化噴嘴組合，形成壓力/空氣組合式霧化噴嘴。這種噴嘴具備不同形式，張弛等對直射式反向雙旋流空氣霧化噴嘴的噴霧特性進行試驗[10]，重點研究了不同空氣壓降和氣液比對液霧索太爾平均直徑DSM和分布指數N 的影響，并推導了索太爾平均直徑的計算模型；郭新華等采用與張弛同樣的方法，對離心式同向雙旋流器空氣霧化噴嘴噴霧特性進行了試驗研究[11]，得到了該型噴嘴的霧化質量試驗結果；徐華勝等針對噴嘴供油特性對雙渦流器頭部氣動霧化效果的影響進行試驗[12]，重點研究壓力霧化噴嘴的1次霧化效果對雙渦流頭部氣動霧化效果的影響。在實際使用過程中，由于加工、裝配等環節的問題，會出現壓力霧化噴嘴相對空氣霧化噴嘴凸凹和偏心2種錯位情況。

本文針對離心噴嘴與葉片式反向雙旋流空氣霧化噴嘴組合式噴嘴，通過試驗研究離心噴嘴凸凹和偏心對組合噴嘴的霧場形態、索太爾平均直徑SMD和分布指數N 的影響。

1 離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴

本文研究的離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴結構如圖1所示。該噴嘴由同軸（X 軸）設置的離心噴嘴、主旋流器、文氏管、副旋流器和套筒組成。具體參數見表1。燃油在供油壓力的驅動下，經過離心噴嘴進行1次霧化，隨后在文氏管內表面上形成初始油膜，油膜離開文氏管后，內外兩側受到主、副旋流器分別形成的反向旋轉霧化空氣的剪切作用而繼續破碎，進行2次霧化。隨著霧化空氣速度的變化，該噴嘴的主導霧化方式由1次霧化向2次霧化轉變。

圖1 離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴結構

噴嘴凸凹指在其它部件固定的情況下，離心噴嘴沿X 軸移動，正向為凸，負向為凹；噴嘴偏心指在其它部件固定的情況下，離心噴嘴和主旋流器同時沿YZ 平面內的任意方向移動。

2 試驗系統

試驗系統主要由垂直霧化室、激光測量系統（PDPA）、高清照相機、3維位移系統、供油系統、供氣系統、數據采集系統等組成[13]，如圖2所示。

圖2 試驗系統

垂直霧化室由噴嘴固定支架、帶玻璃的霧化腔和抽風系統構成。噴嘴安裝在噴嘴固定支架上，燃油豎直向下噴出，通過控制支架上的作動筒，調節噴嘴的上下位置，滿足霧場測量截面的要求。

激光測量系統由激光器、發射器和接收器組成，發射器和接收器安裝在3維位移系統的支架上，通過軟件可以控制其移動方向及間距大小，調節測量位置。該系統運用散射光的相干原理，測定每個運動粒子經過相干區域的頻移和相移，獲得測量粒子的速度和直徑，再經過一定時間的測量后，通過計算機進行統計處理，可以得到液霧任一位置的粒徑、速度和其它表征噴嘴霧化性能的參數。

試驗在常溫常壓下進行，首先調整離心噴嘴錯位（偏心/凸凹），連接試驗系統，將供氣壓力調節到預設值，用渦街流量計測量供氣量，根據設定氣油比計算出所需供油量，調節供油壓力至適當大小，用質量流量計測量供油量。在套筒端面下游37mm處運用PDPA對噴霧場進行逐點測量，得到每個試驗狀態下各點的DSM，最終處理得到各測量線的DSM及R-R分布的特征尺寸值和分布指數N，并用高清照相機對液霧照相，記錄液霧場形態。

在試驗中，依據某航空燃氣輪機典型工況特性，選取供氣表壓5.3kPa，燃油流量4.4g/s，噴嘴偏心量LPX=0、1.28、2.1mm，噴嘴凸出量LTC=-2、0、1mm。

3 試驗結果分析

3.1 噴嘴偏心對霧化性能的影響

進行噴嘴偏心對霧化性能影響的試驗時，保持噴嘴突出量等于0mm不變，同時因噴嘴相對于文氏管軸對稱設置，僅選取噴嘴在+Y 向偏心。

由于存在共軛雙鍵，花色素吸收可見光從而呈現一定的顏色。因為花色素不穩定，所以在植物中常與葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖等結合形成花色苷[5]。花色苷根據連接糖基數量的多少可以分為單糖苷、二糖苷和三糖苷。

3.1.1 霧場形態變化

噴嘴偏心對霧場形態的影響如圖3所示。從圖3（a）中可見，當LPX=0mm，即離心噴嘴軸心相對文氏管軸心沒有發生偏移，此時霧場形態、燃油濃度的空間分布相對噴嘴對稱，并形成明顯對稱的雙渦式回流區；從圖3（b）、（c）中可見，當噴嘴偏心后，霧場形態發生顯著變化，雙渦式回流區形態基本消失，整個霧場向+X 方向偏移，燃油主要聚集在噴嘴下方，并且隨噴嘴偏心量的增加，霧場偏移和燃油聚集程度更加嚴重。

圖3 噴嘴偏心對霧場形態的影響

對于環形燃燒室，噴嘴偏心導致的燃油霧場偏移，這將顯著影響燃燒室出口溫度場品質，直接影響到渦輪葉片的工作壽命[14-15]。

3.1.2 霧化質量的影響

噴嘴偏心量與DSM的關系如圖4所示。從圖中可見，隨著噴嘴偏心量的增加，X、Y 向的DSM持續增大，表明偏心將導致霧化液滴粒徑變大，霧化效果變差，在試驗研究范圍內，DSM平均值從64μm增大到68 μm。另外，在噴嘴偏心量較小時，X 向DSM變化很小，當偏心量較大時，X 向DSM顯著變大，X 向DSM比Y向的小。噴嘴偏心量與N 的關系如圖5所示。從圖中可見，隨著噴嘴偏心量增加，Y 向的N 減小，X 向的N呈現先降低后增加的趨勢，由N=2.4下降到N=2.2左右，并趨于穩定，表明噴嘴偏心將導致液滴尺寸分布更加不均勻。同時，X 向的N 比Y 向的大。

圖4 噴嘴偏心量與DSM的關系

圖5 噴嘴偏心量與N 的關系

3.2 噴嘴凸凹對霧化效果的影響

進行噴嘴凸凹對霧化性能影響的試驗時，保持噴嘴偏心量等于0mm不變。

當噴嘴LTC=0mm時，霧場形態如圖3（a）所示，當LTC=-2、1mm時，霧場形態與圖3（a）相比變化不大。說明噴嘴凸凹對霧場形態影響很小，可以忽略。

3.2.2 霧化質量的影響

噴嘴凸出量與SMD的關系如圖6所示。從圖中可見，相對于噴嘴的基準位置（LTC=0），噴嘴內凹對SMD的影響很小，可以忽略不計；但是噴嘴外凸將使SMD顯著增大，平均值由66μm增大到70μm，使霧化質量惡化。另外，噴嘴外凸對X 向的SMD的影響明顯大于對Y 向的影響。

圖6 噴嘴凸出量與DSM的關系

噴嘴凸出量與N 的關系如圖7所示。從圖中可見，相對于噴嘴的基準位置LTC=0），噴嘴內凹使N 減小；相反噴嘴外凸使N增大，N 由LTC=-2時的2.05增大到LTC=1時的2.95，液霧尺寸分布更加均勻。另外，X向的N 大于Y 向的，尤其在LTC=0時二者相差最大。

圖7 噴嘴凸出量與分布指數N 的關系

4 結論

離心噴嘴偏心/凸凹會對反向雙旋流空氣霧化噴嘴霧化特性產生不同程度的影響：

（1）噴嘴偏心使典型的雙渦對稱式回流區形態幾乎消失，霧場不再以套筒為中心對稱，而是發生偏移，燃油分布主要聚集在噴嘴下方，霧場偏移量也隨著偏心量的增加而增大，噴嘴凸凹對霧場影響很小，可以忽略不計；

（2）隨著噴嘴偏心量的增加，表征霧化質量的索太爾平均直徑DSM增大、分布指數N 減小，這說明液霧粒徑尺寸變大，分布更加不均勻，霧化質量惡化；

（3）噴嘴內凹對液霧索太爾平均直徑DSM影響很小，使分布指數N 減小，導致液霧尺寸分布更加不均勻；

（4）噴嘴外凸使液霧索太爾平均直徑DSM和分布指數N 顯著增大，液霧尺寸也更大，分布更均勻。

相比離心噴嘴凸凹，偏心對離心式反向雙旋流空氣霧化噴嘴霧化特性的負面影響更大，特別是對霧場形態和回流區的影響將引起出口溫度場分布均勻度惡化，導致渦輪葉片壽命縮短，所以在實際使用中，一定要避免離心噴嘴偏心，同時盡量避免離心噴嘴凸凹。

[1]Chrigui M，Batarseh F Z，Sadiki A，et al.Numerical and experimental study of spray produced by an airblast atomizer under elevated pressure conditions[C]//ASME Turbo Expo 2008：Power for Land，Sea and Air.Berlin：2008：1-9.

[2]張寶誠.航空發動機燃燒室的現狀和發展[J].航空發動機，2013，39（6）：67-73.ZHANG Baocheng.Status and development of aeroengine combustors[J].Aeroengine，2013，39（6）：67-73.（in Chinese）

[3]尚守堂，程明，李鋒，等.低排放長壽命燃燒室關鍵技術分析[J].航空制造技術，2009（2）：32-37.SHANG Shoutang，CHENG Ming，LI Feng，et al.Analysis on key technologies of low emission and long life combustion chamber[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2009 （2）：32-37.（in Chinese）

[4]趙鵬，劉小克，秦起龍，等.流量放大噴嘴放大比例對航空發動機燃燒性能的影響[J].航空發動機，2010，36（3）：36-38.ZHAO Peng，LIU Xiaoke，QIN Qilong，et al.Effect of magni-scale for flux magnified injector on aeorengine combustion performance[J].Aeroengine，2010，36（3）：36-38.（in Chinese）

[5]Gessaman J，Goetz A.Industrial TRENT dry low emissions gas fuel control system[R].ASME 2001-GT-0024.

[6]Chin JS，Rizk N K，Razdan M K.Study on hybrid airblast atomization[R].AIAA-96-0406.

[7]劉偉，林宇震，劉高恩，等.低壓條件下復合式多級旋流杯燃燒室燃燒效率研究[J].航空動力學報，2004，19（5）：650-655.LIU Wei，LIN Yuzhen，LIU Gaoen，et al.Research of combustion efficiency of combustors using hybrid airblast atomizer under low pressure[J].Journal of Aerospace Power，2004，19（5）：650-655.（in Chinese）

[8]林宇震，林培華，許全宏，等.復合式收擴套筒空氣霧化噴嘴燃燒室點火研究[J].航空動力學報，2007，22（3）：342-346.LIN Yuzhen，LIN Peihua，XU Quanhong，et al.Research on ignition performance of a hybrid airblast atomizer combustor with convergent-divergent sleeve[J].Journal of Aerospace Power，2007，22（3）：342-346.（in Chinese）

[9]Rizk N K，Chin JS，Razdan M K.Influence of design configuration on hybrid atomizer performance[R].AIAA-96-2628.

[10]張弛，張榮偉，徐國強，等.直射式雙旋流空氣霧化噴嘴的霧化效果[J].航空動力學報，2006，21（5）：805-809.ZHANG Chi，ZHANG Rongwei，XU Guoqiang，et al.Experimental investigation on atomization of an airblast atomizer with plain orifice and dual-swirl cup[J].Journal of Aerospace Power，2006，21（5）：805-809.（in Chinese）

[11]郭新華，林宇震，張弛，等.離心式同向雙旋流器空氣霧化噴嘴霧化特性研究[J].航空動力學報，2009，24（10）：2249-2254.GUO Xinhua，LIN Yuzhen，ZHANG Chi，et al. Experimental investigation on atomization characteristic of an airblast atomizer with centrifugal nozzle and co-dual-swirl cup[J].Journal of Aerospace Power，2009，24（10）：2249-2254.（in Chinese）

[12]徐華勝，黃義勇，王秀蘭.噴嘴供油特性對雙渦流器頭部氣動霧化效果的影響研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2004，17（2）：14-17.XU Huasheng，HUANG Yiyong，WANG Xiulan.Study on the effect of fuel jet characteristics on airblast atomization performance for device with two stage swirler[J].Gas Turbine Experiment and Research，2004，17（2）：14-17.（in Chinese）

[13]胡文成，張寶華，竇義濤.組合旋流形式的旋流器噴嘴低旋流狀態下液相三維速度測量研究[C]//第十一屆發動機試驗與測試技術學術會議.沈陽：2012：217-225.HU Wencheng，ZHANG Baohua，DOU Yitao.Investigation on the three dimensional velocity measurement of an airblast atomizer with swirler under low swirl condition[C]//The 11th Academic Conference of Test and Measurement Technology of Engine,Shenyang：2012：217-225.（in Chinese）

[14]周兵，趙晨光，張寶誠，等.燃氣輪機空氣霧化噴嘴工作特性研究及火焰筒頭部數值模擬[J].航空發動機，2010，36（2）：55-58.ZHOU Bing，ZHAO Chenguang，ZHANG Baocheng，et al.Investigation of air atomizing injector characteristics for gas turbine and numerical simulation of flame tube dome[J].Aeroengine，2010，36（2）：55-58.（in Chinese）

[15]林宏軍，程明.噴嘴匹配方案及火焰筒開孔對燃燒室性能影響的試驗研究[J].航空發動機，2012，38（5）：13-17.LIN Hongjun，CHENG Ming.Effect of nozzle matching and flame tube holes on combustion performance [J].Aeroengine，2012，38（5）：13-17.（in Chinese）