低溫環境下RP-3航空煤油霧化特性試驗研究

付淑青，馬洪安，吳宗霖，楊 聰，張寶誠

（沈陽航空航天大學航空發動機學院，沈陽 110136）

0 引言

在航空航天領域，燃油霧化特性對航空發動機燃燒室的性能影響重大，其主要包括流量特性、錐角特性、霧化粒度特性等，研究燃油霧化特性對燃燒室內燃燒完全度、效率、點火性能、出口溫度場以及污染物排放等具有重要意義[1-3]。

國內外研究人員從不同角度對航空煤油的基礎物性、著火特性、燃燒特性、霧化特性等進行了研究，但大部分集中于對燃料基礎燃燒特性（著火延遲時間、層流燃燒速度、火焰穩定性等）的分析與研究；較少部分研究了不同工況下航空煤油霧化特性。Gebel等[4]利用激光誘導的爆轟波引起Jet-A 1 航空煤油液滴顆粒破碎，得到其破碎機制；Ghose 等[5-6]研究了航空煤油與乙醇的混合燃料圓柱形霧化燃燒特性，并得到航空煤油噴霧燃燒的輻射換熱性能和結焦性能；Song 等[7]利用高速攝像機拍攝出跨臨界航空煤油噴霧；Yang 等[8-9]分別采用試驗和數值模擬方法研究了航空煤油與生物燃料混合燃料的霧化燃燒特性；Qi等[10]應用CLSVOF 模型研究了航空煤油在超聲速來流中的噴射角問題，得到噴霧貫穿長度、激波角度和霧化粒度等霧化特性；Potdar 等[11]研究了航空煤油噴霧火焰的抬升穩定機制，得到不同供油壓力、霧化粒度分布和速度分布對噴霧燃燒穩定性的影響；Bao等[12]研究了航空煤油霧化對超聲速沖壓發動機的影響因素；Jones等[13]應用LES模型模擬了航空煤油與丙酮混合燃料的蒸發噴霧；Garcia 等[14]研究了航空煤油噴霧火焰的自激勵振蕩現象；高偉等[15]和梁獲勝等[16]分別研究了超臨界航空煤油霧化特性；劉濤[17]使用定容彈研究了溫度對航空煤油霧化特性的影響；宋瀾波[18]使用定容彈研究了不同壓力、溫度下，不同摻混比的乙醇-航空煤油/生物柴油的霧化特性；馬洪安等[19]對比了某型航空發動機3 個噴嘴的霧化特性；劉凱等[20]和翟維闊等[21]使用多普勒相位粒子激光儀（Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA）對某重型燃氣輪機雙燃料噴嘴組霧化特性進行測試。

從國內外的研究現狀來看，對RP-3航空煤油等化石燃料的研究取得了很多成果，但到目前為止，中國對航空煤油的著火特性、燃燒特性以及替代燃料的研究較多，而對燃料的霧化特性有關研究較少，尤其針對燃油溫度等對霧化特性的影響研究很少。HB 5652.1[22]中給出中國地面大氣溫度最低記錄值為-53 ℃，GJB 241[23]按極限條件對航空發動機低溫起動作了明確規定：發動機在環境溫度為-54 ℃下保溫10 h，在進氣和燃油、滑油溫度均為-54 ℃下起動發動機并加速到中間狀態。在惡劣條件下，例如冷起動和高空再點火時，溫度為-40～10 ℃[24]，燃料的霧化性能對于點火過程至關重要。

本文采用RP-3 航空煤油為試驗燃料，在噴嘴綜合試驗臺上完成霧化試驗。

1 試驗方法

噴嘴激光多普勒綜合試驗器如圖1 所示。試驗系統由噴霧臺、供油系統、光學測量系統、攝影儀、數據收集系統、控制臺等構成。試驗采用相位多普勒激光粒子分析法分析霧化粒度，應用TSI 公司的相位多普勒粒子分析儀/激光多普勒測速儀系統如圖2所示。該系統主要包括功率為5 W 的激光器、分光器、發射探頭、接收探頭、光電轉換器和數據處理器等。

圖1 噴嘴激光多普勒綜合試驗器

圖2 多普勒粒子分析儀系統

在試驗時，燃油從油罐供給，經油濾、流量計和壓力表到達噴嘴，在噴霧臺內霧化，由PDPA 裝置采集霧化粒度，同時采用攝影儀拍攝噴霧狀態，由噴霧臺下方的油箱收集噴出的燃油，經由回油泵送回油罐。在低溫時燃油由低溫彈供給，經壓力表和油濾到達噴嘴，燃油溫度為低溫彈內燃油溫度。

2 霧化錐角特性

霧化錐角主要與火焰筒的形狀、尺寸相匹配，其大小將直接影響燃料與空氣混合時的當量比，從而影響燃燒效率和火焰筒的使用壽命。霧化錐角過大時，燃料濺射到火焰筒壁面，導致火焰筒積碳，使火焰筒過熱損壞[25]；霧化錐角過小時，中心富油，燃燒不充分，影響燃燒性能和火焰形狀等。

本試驗中RP-3航空煤油的霧化錐角通過試驗時捕獲的噴霧圖像測量得到。利用Matlab/GUI 圖像處理功能編制程序對霧化錐角圖片進行測量與分析，對噴霧圖像進行降噪濾波、二值化等預處理，并提取其邊緣圖像。在測量時，標定距離噴口17 mm處霧錐外邊界與噴口連線的夾角為霧化錐角，取樣本平均值作為實際霧化錐角。

對于給定的流動條件，通過攝影儀捕獲30～50組圖像，然后對圖片進行處理，得到邊緣檢測后的圖像，霧化錐角隨噴口處壓力變化如圖3所示。

圖3 霧化錐角隨噴口處壓力

從圖中可見，在不同溫度下，霧化錐角隨噴口處壓力升高而增大；除噴口處壓力為200 kPa、溫度為-15 ℃時的霧化錐角稍大，在其他壓力、溫度降低時霧化錐角均減小；除壓力為200 kPa時，其他工況隨著壓力升高，霧化錐角差距逐漸縮小，當壓力升高到600 kPa 時，-35℃和25℃的霧化錐角相差很小，不超過1°。

3 霧化粒度特性

燃油霧化后的液滴平均直徑目前大多采用索太爾平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）或質量中間直徑（Mass Mean Diameter，MMD）來描述[26]。霧化粒度的大小主要影響燃油表面與空氣接觸的情況，從而影響蒸發速度和燃燒速度。當霧化粒度過大時，燃油與空氣接觸不充分，燃燒不完全，影響能量轉化效率；霧化粒度過小時，點火困難。本試驗采用索特爾平均直徑SMD作為RP-3航空煤油霧化粒度的衡量標準。

測量噴嘴下方垂直距離7、17 mm 處，水平方向間隔相同的15～20 個測量點的油滴平均速度，為方便對比取平均值。不同溫度下SMD 隨壓力的變化如圖4所示。

圖4 不同溫度、截面下SMD隨壓力變化

從圖中可見，在所有工況下，SMD 均隨壓力升高而減小；除z=7 mm、ΔP=700 kPa 的試驗工況，其他工況下壓力一定時，隨著溫度降低SMD 均升高，可能是由于溫度降低導致燃料黏度增大，從而影響燃料霧化；在z=17 mm、壓力為300 kPa 時，不同溫度間SMD相差最大，相比于25℃，-35℃時SMD 增加了25.77%。隨著壓力升高，不同溫度間SMD 相差變小，即隨著壓力升高，溫度對SMD 的影響逐漸減小，在z=17 mm、壓力為700 kPa 時，相比于25℃，-35℃時SMD 增加了8.36%。在z=7 mm 時，這一規律相對不明顯，可能是因為距離噴口很近時，霧滴運動隨機性較大。

4 油滴平均速度特性

油滴平均速度的大小主要影響油膜破碎特性，從而影響霧化射程等，進而影響點火性能。平均速度過小時，霧化射程短，空氣不能被充分利用；平均速度過大時，霧化射程長，部分燃油不易完全燃燒。

在測量距離噴口7 和17 mm 處、水平間隔相同距離的15～20 個測量點的油滴平均速度時，為減小試驗誤差，取其中12 個測量點統計，如圖5所示。RP-3航空煤油由單路單噴口噴嘴噴出時，在不同溫度下，油滴平均速度與水平位置的關系如圖6 所示（橫坐標數值越大，距離霧錐中心越遠）。

圖5 油滴平均速度測量點

圖6 不同溫度、壓力、截面下油滴平均速度隨水平位置變化

從圖中可見，在水平方向上，距離霧錐中心越遠，油滴平均速度越小；在霧錐中心附近和距離霧錐中心足夠遠處，油滴平均速度趨于穩定（稱之為該水平面上的最大平均速度和最小平均速度）；各工況下的最大速度和最小速度均隨溫度的降低而升高；當溫度為-35 ℃時，速度變化較小，平均變化量為0.53 m/s；當溫度為25 ℃時，速度變化較大，平均變化量為0.92 m/s。不同溫度、2個截面下的最大平均速度隨壓力變化如圖7所示。

圖7 不同溫度、不同截面下平均速度隨壓力變化

從圖中可見，在所有工況下，平均速度隨壓力升高而升高；在壓力一定時，油滴平均速度均隨溫度降低而升高，可能是由于溫度降低導致黏度增大，從而導致油膜邊界層變厚，同時邊界層內油膜速度降低，為保持流量不變和動量守恒，油膜內平均速度升高。

5 結論

（1）溫度降低時，霧化錐角減小，隨壓力升高，不同溫度下霧化錐角的差距縮小，當壓力升高到600 kPa時，-35℃和25℃的霧化錐角相差很小，不超過1°；

（2）溫度降低時，油滴SMD 增大，且在壓力較低時更明顯，當壓力升至700 kPa 時，不同溫度下SMD相差較小，在z=17 mm、壓力為700 kPa 時，相比于25℃，-35℃時SMD增加了8.36%；

（3）溫度降低時，油滴平均速度升高，這一現象可能與油膜邊界層的變化有關。相較于25、-15℃2 種溫度，當溫度為-35 ℃時，同一水平面上的油滴平均速度變化較小，平均變化量分別為0.92 m/s和0.53 m/s。