某型噴嘴霧化特性實驗研究

崔博 李健 于復磊 付國梁

摘 要：為了研究某型單路壓力霧化噴嘴的霧化特性對發動機啟動性能的影響，利用激光粒度儀測試了某型渦噴發動機的燃燒室噴油環噴嘴在低壓階段的噴霧霧化特性，得到了此噴嘴在低壓階段的壓力流量關系、噴霧霧化錐角、霧化粒子的速度以及霧化顆粒度的關系。結果表明：采用的單路壓力霧化噴嘴流量穩定，霧化角度穩定，霧化粒子分布均勻，但是霧化粒子速度較低，霧化顆粒度較大，需要加大發動機啟動時的點火能量。

關鍵詞：單路壓力霧化噴嘴 低壓 霧化特性 啟動

中圖分類號：V233.2+4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0060-04

噴嘴是航空發動機燃燒室的重要組成部件，燃料的霧化過程就是依靠噴嘴來完成[1]，噴嘴性能的好壞將對燃燒室的燃燒過程有著重要的影響，將直接影響發動機的點火速度、啟動速度和穩定性、溫度分布以及排氣污染等各個方面的性能[2]。以往的工作多集中討論研究發動機工作點的噴嘴霧化特性對發動機性能的影響，對于在發動機啟動階段噴嘴的霧化特性對發動機性能的影響研究很少[3-6]。

該文選取某型渦噴發動機燃油噴嘴作為研究對象，此噴嘴為單路壓力霧化噴嘴，通過實驗測試此噴嘴的在低壓階段的各項參數性能并分析其霧化特性，討論噴嘴霧化特性對發動機啟動階段性能的影響以及為以后發動機的改進提供實驗數據支撐。

1 噴嘴噴霧霧化特性分析實驗

1.1 實驗對象

實驗采用某型渦噴發動機的燃燒室噴油環的其中一個噴嘴作為實驗研究對象。此噴油環有12個噴嘴，每個噴嘴彼此均為規格相同的單路壓力霧化噴嘴，噴油環為整體不可拆卸式結構，因此制作11個堵塞并封住其中11個噴嘴，留取距供油口最遠的1個噴嘴作為實驗研究對象（如圖1所示），通過改變進油端供油壓力，來測量噴嘴的流量、噴霧霧化錐角、粒子速度以及霧化顆粒度（SMD值）特性，并進行分析。

1.2 實驗設備

該文研究工具采用了噴嘴噴霧綜合實驗系統，該系統采用計算機數據采集系統，核心部件為激光粒度儀利用激光多普勒技術，研究噴嘴噴霧工作特性，可以對噴嘴流量、噴霧霧化錐角、霧化粒子速度和霧化顆粒度等多個參數進行實驗研究。噴嘴噴霧綜合實驗系統由實驗臺架、激光粒度儀、燃油供給系統、實驗計量系統、控制臺、計算機數據采集和數據處理顯示系統，噴嘴噴霧實驗測試系統的原理圖可見圖2所示。

實驗所使用的激光粒度儀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；內置數據交換軟件包。

1.3 實驗工況的選擇

該實驗是要選取該發動機在啟動階段為研究工況，對燃油噴嘴在低壓階段進行基本特性的測量與研究分析，獲取其低壓階段的噴霧特性，分析噴嘴對發動機啟動性能的影響。因此對該燃油噴嘴設定若干個供油壓力，以測量其流量，霧化錐角，霧化粒子速度和SMD值（D32）等參數的變化規律。實驗選取0.5 MPa，0.6 MPa，0.7 MPa，0.8 MPa，0.9 MPa，1.0 MPa和1.1 MPa等幾個壓力點進行測量。因為該實驗僅測試噴嘴的霧化特性，不涉及點火，而根據以往的經驗采用水和煤油作為介質對噴嘴的霧化特性影響不大，基于安全性考慮，因此在實驗過程中采用水作為工作介質[7]。

1.4 實驗的主要內容

對該噴嘴在低壓階段下的基本數據進行分析，給出該型噴嘴低壓階段工作的基本特性。分析隨著實驗中供油壓力的改變噴嘴流量隨之變化的規律，擬合出該噴嘴的壓力流量特性曲線，觀察霧化錐角角度變化，測試霧化粒子的運動速度，并通過直方圖和實驗數據分析噴嘴霧化顆粒度（SMD值）的變化規律，為研究該型噴嘴霧化特性提供可靠準確的實驗依據。

2 實驗結果及分析

2.1 壓力與流量關系分析

在實驗過程中，隨實驗壓力的改變測出噴嘴流量的具體數據，擬合出噴嘴的壓力-噴嘴流量特性曲線如圖3所示。

從圖3可以看出隨著實驗壓力的增大，噴嘴流量也隨之增大，通過數據擬合出的曲線基本呈線性關系，上述結果表明在發動機啟動階段隨著供油壓力的增加，噴嘴流量的增加明顯，可以滿足發動機各個階段對供油量的需求。

2.2 噴霧霧化錐角分析

通過實驗觀察，在實驗所取的壓力范圍內噴霧霧化錐角變化不大，錐角角度始終保持在一定的角度范圍內，如圖4所示，由此可以看出隨著實驗壓力的改變，此噴嘴的霧化形狀保持相對穩定，變化不大，比較有利于燃燒室的穩定燃燒。

2.3 噴霧霧化粒子速度分析

表1列出了通過實驗所測得的噴嘴霧化粒子的平均速度，分析數據可以看出噴霧粒子的平均速度比較低，粒子速度只有1～2 m/s，需要合理設計空氣旋流器提高了霧化粒子的運動速度，避免在發動機啟動過程中由于燃料粒子速度較慢而在燃燒室壁面上產生積碳。

2.4 噴霧化顆粒度分析

噴嘴的噴霧霧化粒度大小直接影響點火能量、燃燒效率、污染物排放和出口溫度等各種技術指標。霧化顆粒度實驗的工作內容主要是測量噴嘴在各壓力工況下噴霧的SMD值，通過實測各壓力下的SMD值可以分析該噴嘴的工作特點以及對發動機工作特性的影響。

通過圖5霧化顆粒度分布直方圖可以看出，各壓力下直方圖形狀比較相似，隨著壓力的升高，直方圖的最高點的位置逐漸向SMD直徑小的方向移動，可以得出在實驗所取壓力范圍內，壓力的增加可以明顯減小噴嘴霧化的顆粒度。由表2的具體數據可以看出，隨著供油壓力的不斷增加，SMD值呈現出減小的趨勢，由0.5 MPa的82.7μm減小到1.1 MPa的61.5μm。因此這一結果可以表明此噴嘴在低壓供油階段，SMD值隨壓力的增高而減小，壓力增加可以明顯降低噴嘴霧化的SMD值，霧化粒子的顆粒度在實驗所取的壓力階段總體呈減小的趨勢，但是總體霧化粒子還是處于較粗的水平，因此在發動機點火過程中會需要增加一定的點火能量。

3 結論

（1）實驗過程中噴嘴流量和噴霧霧化錐角滿足了發動機燃燒室啟動階段點火時的要求。隨著啟動階段供油壓力的升高，噴嘴流量不斷地增加，噴霧粒子分布基本均勻。

（2）實驗過程中噴霧粒子速度平均速度較慢，有必要設計合理的空氣旋流器，增加粒子的運動速度，既可以避免在燃燒室壁面上積碳的形成。

（3）實驗過程中霧化顆粒度處于較粗水平，在此噴嘴發動機的啟動階段，發動機點火時需要較大的點火能量。

參考文獻

[1] 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術手冊[M].2版.北京：中國石化出版社，2007.

[2] 徐旭常，周力行.燃燒技術手冊[M].北京：化學工業出版社， 2008.

[3] 陳俊.某型航空發動機燃油噴嘴霧化質量試驗研究及其火焰筒頭部仿真[D].沈陽：沈陽航空工業學院，2007.

[4] 武雷，錢志博，朱允進.離心式噴嘴霧化特性的數值模擬[J].火力與指揮控制，2010，35（7）：147-150.

[5] 張紅霞，王成軍，孫婷.小流量壓力霧化噴嘴性能試驗研究[J]. 沈陽航空航天大學學報，2013，30（2）：18-21.

[6] 陳斌，郭烈錦，張西民，等.噴嘴霧化特性實驗研究[J].工程熱物理學報，2001，22（2）：237-240.

[7] 陳琴珠，閆東恒，于瀟行，等.低壓大流量噴嘴霧化性能實驗[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）：36-39.