氣體噴嘴的試驗(yàn)研究

馬 帥,張鵬飛,高 晶,張爾忠,許有旭,劉孝弟

(1．北京首都航天機(jī)械有限公司, 北京 100076；2.北京航天動(dòng)力研究所, 北京 100076)

噴嘴在航空航天、化工、冶金等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。研究者對(duì)于液體噴嘴的霧化投入了更多的關(guān)注，液體噴嘴的霧化效果和能力對(duì)于燃燒效率、除塵效果等具有十分重要的意義[1-4]。

液體噴嘴的研究重點(diǎn)主要是考慮液體黏性、表面張力、密度等性質(zhì)對(duì)于霧化性能的影響，同時(shí)考慮霧化后的需求。采取不同的噴嘴結(jié)構(gòu)及霧化方式滿足霧化液滴的大小、分布以及霧化能力[5-7]。

氣體本身具有良好的擴(kuò)散性能，因此，氣體噴嘴的研究重點(diǎn)，主要是考慮氣體的可壓縮性能。在設(shè)計(jì)氣體噴嘴時(shí)，噴嘴的流量成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。具體到氣體燃燒器的設(shè)計(jì)，還需要考慮氣體燃料與燃燒所需空氣的混合問題[4]。

水煤漿氣化爐燒嘴以純氧作為氧化劑，同時(shí)利用內(nèi)外兩個(gè)通道的氧氣對(duì)中間通道的水煤漿進(jìn)行稀釋、加速和霧化，從而實(shí)現(xiàn)水煤漿的穩(wěn)定燃燒以及保證燒嘴的整體性能[8-9]。

對(duì)于特定的氣體噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了噴嘴流量的特征參數(shù)，可作為設(shè)計(jì)類似氣體噴嘴及水煤漿氣化爐燒嘴的參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)描述

利用現(xiàn)有的試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)，最終形成氣體噴嘴的試驗(yàn)系統(tǒng)，流程見圖1。

圖1 氣體噴嘴試驗(yàn)系統(tǒng)流程

利用壓縮空氣系統(tǒng)為高壓儲(chǔ)罐供氣，保證試驗(yàn)過程中穩(wěn)定的供氣量和供氣壓力。利用兩級(jí)可調(diào)減壓閥，保證試驗(yàn)噴嘴的穩(wěn)定供氣壓力。高精度氣體流量計(jì)保證試驗(yàn)流量的準(zhǔn)確測量，截止閥用于保證更換噴嘴時(shí)的系統(tǒng)安全。噴嘴基座的設(shè)計(jì)保證所有試驗(yàn)噴嘴的快速切換和密封要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄噴嘴工作時(shí)的流量和對(duì)應(yīng)的供氣壓力。

2 噴嘴基座、試驗(yàn)噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)

試驗(yàn)用噴嘴安裝基座的設(shè)計(jì)，需考慮到各種試驗(yàn)噴嘴的更換及工作時(shí)壓力和流量的測量需求。試驗(yàn)用噴嘴的安裝結(jié)構(gòu)也與噴嘴基座相對(duì)應(yīng)，噴嘴的結(jié)構(gòu)形式有圓錐形收縮單孔噴嘴、雙套管形收縮噴嘴兩種(見圖2—圖5)。

圖2 圓錐形收縮單孔噴嘴

圖3 雙套管形收縮噴嘴

圖4 雙套管內(nèi)噴嘴(長度86 mm對(duì)應(yīng)于縮進(jìn)型組合)

圖5 雙套管試驗(yàn)安裝組合圖(縮進(jìn)8 mm對(duì)應(yīng)于圖4長度86 mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)有關(guān)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行流量試驗(yàn)，大氣壓力為101 400 Pa。

試驗(yàn)1為常見的圓錐形單孔噴嘴，噴嘴流量隨著噴嘴前供氣壓力的提高而提高，得到的壓力流量參數(shù)見表1。

表1 圓錐形收縮單孔噴嘴

試驗(yàn)2為雙套管形收縮噴嘴，噴口平齊，僅內(nèi)套管工作，夾套寬度為4 mm，外套管測壓，得到的壓力流量參數(shù)見表2。僅內(nèi)套管內(nèi)有氣體流動(dòng)時(shí),因引射作用，隨氣體流量增大，外套管內(nèi)負(fù)壓越明顯。

表2 雙套管形收縮噴嘴，僅內(nèi)套管工作

試驗(yàn)3為雙套管形收縮噴嘴，僅外套管工作，噴口平齊,夾套寬度為4 mm，內(nèi)套管測壓，得到的壓力流量參數(shù)見表3。試驗(yàn)3中的現(xiàn)象和試驗(yàn)2基本相同，但是噴嘴的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致引射作用更大。僅外套管工作時(shí)，內(nèi)套管被流動(dòng)氣體整體包裹；僅內(nèi)套管工作時(shí)，流動(dòng)氣體被排放到開放空間，對(duì)于外套管的引射作用就會(huì)減少。

表3 雙套管形收縮噴嘴，僅外套管工作

試驗(yàn)4為雙套管形收縮噴嘴，噴口平齊，夾套寬度為4 mm，當(dāng)內(nèi)套管壓力和外套管壓力相同時(shí)，得到的壓力流量參數(shù)見表4。內(nèi)套管和外套管相互之間的流動(dòng)雖有干涉，仍各自保持基本的流體流動(dòng)。

表4 雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)、外套管壓力相同

試驗(yàn)5為雙套管形收縮噴嘴，噴口平齊，夾套寬度為4 mm，當(dāng)內(nèi)套管壓力始終高于外套管壓力20%時(shí)，得到的壓力流量參數(shù)見表5。在噴口處，受到內(nèi)套管流動(dòng)的干涉，外套管的流量比試驗(yàn)4中略有下降。

表5 雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)套管壓力比外套管壓力高20%

試驗(yàn)6為雙套管形收縮噴嘴，噴口平齊，夾套寬度為4 mm，保持外套管壓力始終高于內(nèi)套管壓力20%時(shí)，得到的壓力流量參數(shù)見表6。在噴口處，受到外套管流動(dòng)的干涉，內(nèi)套管的流動(dòng)受到較大的影響，與試驗(yàn)3結(jié)果一致。也就是說，外套管的流動(dòng)對(duì)于內(nèi)套管的流動(dòng)影響，遠(yuǎn)大于內(nèi)套管的流動(dòng)對(duì)于外套管的流動(dòng)影響。

表6 雙套管形收縮噴嘴，外套管壓力比內(nèi)套管壓力高20%

試驗(yàn)7為雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)套管縮進(jìn)8 mm，夾套寬度為8 mm，內(nèi)管壓力和外套壓力相同時(shí)，得到的壓力流量參數(shù)見表7。由于內(nèi)套管縮進(jìn)增大了外套管的流通面積，與試驗(yàn)4相比，外套管內(nèi)流量有所增加，同時(shí)外套管的流動(dòng)對(duì)于內(nèi)套管的流動(dòng)干涉效應(yīng)更明顯。

表7 雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)管縮進(jìn)8 mm，內(nèi)套管壓力比外套管壓力相同

試驗(yàn)8為雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)套管縮進(jìn)8 mm，夾套寬度為8 mm，當(dāng)保持內(nèi)套管壓力始終高于外套管壓力20%時(shí)，得到的壓力流量參數(shù)見表8。外套管內(nèi)流量受到內(nèi)套管氣體擠壓而下降，同時(shí)，內(nèi)套管出口處的流通面積也會(huì)適當(dāng)增加，導(dǎo)致流量增加。

表8 雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)管縮進(jìn)8 mm，內(nèi)套管壓力比外套管壓力高20%

試驗(yàn)9為雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)管縮進(jìn)8 mm，夾套寬度為8 mm，當(dāng)保持外套管壓力始終高于內(nèi)套管壓力20%時(shí)，得到的壓力流量參數(shù)見表9。在較低供應(yīng)壓力時(shí)，由于外套管內(nèi)氣體的擠壓，內(nèi)套管氣體會(huì)出現(xiàn)斷流。整個(gè)噴嘴口始終由外套管的流動(dòng)占主導(dǎo)地位，在同樣供應(yīng)壓力下，外套管內(nèi)流量比試驗(yàn)7大。

表9 雙套管形收縮噴嘴，內(nèi)管縮進(jìn)8 mm，外套管壓力比內(nèi)套管壓力高20%

由上述試驗(yàn)可知：外套管的流動(dòng)對(duì)于內(nèi)套管的流動(dòng)影響，遠(yuǎn)大于內(nèi)套管流動(dòng)對(duì)外套管流動(dòng)的影響。當(dāng)進(jìn)行組合式氣體噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及確定實(shí)際運(yùn)行參數(shù)時(shí)，需予以重視，否則內(nèi)套管氣體將會(huì)斷流或回流，導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至發(fā)生運(yùn)行事故。

圖6 試驗(yàn)1結(jié)果

4 結(jié)語

針對(duì)幾種常見的氣體噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了供應(yīng)壓力和流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。尤其對(duì)于雙套管式組合噴嘴，研究了組合形式(內(nèi)管的縮進(jìn)與否)及供應(yīng)壓力對(duì)于各自噴嘴流量的影響關(guān)系。對(duì)于組合噴嘴(供應(yīng)不同種類的氣體)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注，避免供應(yīng)氣體流量的不足，造成某種氣體的斷流甚至回流，引起設(shè)備的損壞或生產(chǎn)事故的發(fā)生。

圖7 試驗(yàn)2-6結(jié)果

圖8 試驗(yàn)7-9結(jié)果

本文的試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)于設(shè)計(jì)組合式氣體噴嘴，有一定的參考意義。