離心甩油盤噴油孔形狀及深度對燃油霧化性能影響的試驗研究

嚴友誼 宋雙文 陳劍 李志

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

與傳統離心噴嘴等燃油霧化裝置相比，采用甩油盤結構的旋轉霧化設備因其供油壓力低、對燃油品質要求低、加工方便、高轉速下燃油霧滴粒徑小且霧化質量穩定的優點在低壓比、小流量航空發動機、起動機及彈用發動機上得到廣泛應用[1-2]。

甩油盤的主要工作原理是依靠轉子件的高速旋轉帶動甩油盤轉動，利用轉動產生的巨大離心力使噴口通道內的燃油擠壓油道內壁面，形成沿通道環面分布的極薄油膜。這種片狀連續油膜在靠近噴孔出口時由于慣性力及表面張力作用破裂，呈串狀液滴沿噴口噴出（該過程稱為主破裂過程）。此后液滴與燃燒室進口氣流進行摻混，在空氣摩擦力及自身慣性力作用下破裂（該過程稱為次級破裂）成為具有足夠小尺度滿足燃燒所需的液體微團[3]。

由于液滴的主破裂過程對霧化性能有重要影響，同時該過程發生在噴油孔出口附近。因此從20世紀80年代至今就有許多學者研究噴孔結構特性對甩油盤性能的影響。如：1981年，日本學者Morishita較早利用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）研究了甩油盤直徑、孔數、孔徑、流量和轉速對霧化性能的影響，獲得了大量圓形噴口甩油盤試驗數據[3]。2002年，Werner J.A.Dahm、Prashant R.Patel等人通過激光攝像技術（可視化技術）研究了高轉速與低轉速下水在不同噴孔甩油盤中的破裂形態，提出了臨界與超臨界破裂概念[4]。2009年，韓國學者Seong Man Choi1等人通過PDPA測量旋轉狀態下不同直徑圓形噴口甩油盤的霧滴平均直徑得出噴口直徑增大有利于液滴霧化的結論[5]。Carmen Sescu與Bogdan R.Kucinschi等人通過試驗[6]及數值模擬[7]研究了不同轉速下油膜破裂過程。本文利用PDPA技術對3種噴口形狀和2種孔深共計6種組合形式的離心甩油盤（見表1和圖1）進行霧化性能對比試驗，為進一步了解甩油盤的霧化機理和工作特性提供了必要的試驗驗證。

1.試驗相關情況簡介

1.1 甩油盤試驗件介紹

甩油盤噴口形狀及尺寸見表1（孔深H見圖1）。

表1 甩油盤噴口形狀及特征尺寸

1.2 試驗設備介紹

整臺試驗器由下列主要系統組成: 相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、臺架系統、抽風系統、燃油系統、滑油系統、空氣系統、操縱臺、測量系統和電氣系統等。甩油盤由電主軸驅動，其工作轉速連續可調。抽風系統能及時抽走試驗箱體內的油霧，避免浮余細小油霧對測試精度的影響，保證試驗時無油霧翻滾、油霧回流和油霧外溢現象。試驗箱體兩側安裝玻璃觀察窗便于PDPA儀的測量。美國TSI公司生產的PDPA儀由激光器、光纖藕合器、發射探頭、接收探頭、光電轉換器、信號處理器、三維移動坐標架及光纜等組成，可對甩油盤的霧化粒度、霧化錐角、霧滴運動速度等進行測量。

2.試驗條件及內容

試驗使用RP-3航空煤油，其密度為0.7890g/cm3，試驗油溫為（15～17）℃，環境溫度為（11～13）℃。試驗參數見表2。

表2 甩油盤試驗參數

試驗中激光測量位置如圖1所示，激光焦點原點在甩油盤出油孔平面上，距出油孔30mm處。計算機控制PDPA激光發射和接收探頭坐標架于X軸正負方向移動，選擇合適的測量點，測量此點的霧滴平均直徑（SMD）。噴霧錐角的邊界點由PDPA儀測試的數據率來判定，由此計算出錐角α。

圖1 甩油盤霧化測量位置示意圖

3.試驗結果及分析

3.1 霧化錐角

圖2～圖4分別為圓形、菱形及方形噴油孔在不同孔深下的霧化錐角α對比。

圖2 不同孔深的圓形噴孔霧化錐角曲線對比

圖3 不同孔深的菱形噴孔霧化錐角曲線對比

圖4 不同孔深的方形噴孔霧化錐角曲線對比

由圖2～圖4知，甩油盤的霧化錐角隨轉速增大而逐漸變小。這是由于甩油盤轉速的增加，使其產生的當量供油壓力增大，燃油液滴沿噴口方向的線性速度增大，從而導致其錐角減少。類似于單油路離心噴嘴，隨著供油壓力的增大，噴霧錐角減小。

由圖2～圖3知，菱形、圓形噴口在不同孔深下的錐角變化曲線幾乎一致。而方形噴口在不同孔深下的錐角變化曲線隨轉速的增加基本一致，因此孔深對霧化錐角基本無影響。

轉速區間上不同形狀噴口霧化錐角的峰值由大到小依次為：圓形＞菱形＞方形。通過對以往不同直徑圓形噴口甩油盤的試驗進行對比發現直徑小的圓形噴口比直徑大的圓形噴口有更大的錐角峰值。因此初步推斷霧化錐角峰值大小與噴口的名義直徑（噴口截面周長除以圓周率）有關，而與噴口形狀關系不大。即噴口直徑越小，則噴霧錐角的峰值越大。

3.2 霧化粒度SMD

圖5～圖6為孔深不同的噴口SMD曲線對比；圖7～圖8為形狀不同的噴口SMD曲線對比。

圖5 不同孔深的圓形噴孔SMD曲線對比

圖6 不同孔深的方形、菱形噴孔SMD曲線對比

圖7 圓形、菱形和方形噴孔在孔深1.5時的SMD曲線對比

圖8 圓形、菱形和方形噴孔在孔深2.5時SMD曲線對比

由圖5～圖8知，隨著轉速的增加，甩油盤的SMD迅速減小。

由圖5～圖6知，不同孔深的甩油盤SMD變化規律基本一致，相同轉速下SMD變化不大。這是由于燃油入口長度（即燃油由任意流動的液體進入噴口在離心力與張力作用下變成薄油膜所需要的最小通道長度）與孔深相比很小，改變孔深不影響油膜在通道內壁面的形成。因此對霧化粒度無影響。

由圖7和圖8知，方形噴口甩油盤在低轉速時比圓形噴口的SMD好，而在高轉速時比圓形噴口SMD差。這是由于燃油霧化質量的好壞與曲率半徑大小有關，一般說來曲率半徑越大，霧化效果越好。方形直邊的曲率半徑接近無窮，燃油從上面流過時分布均勻，形成的油膜薄且厚度相同，同時離開噴口后的油膜帶短且寬，利于此后油膜在空氣中的破裂。而方形直角處曲率半徑很小，燃油從上面流過時分布不均勻，形成的油膜層厚且厚度差異大，同時離開噴口后成線條狀從角上流出，不利于油膜在空氣中的破裂。當方孔與圓孔甩油盤同處于低轉速時，方孔中燃油大部分分布在直邊，因此整體的霧化效果比圓孔好，但隨著轉速的增大，燃油分子受到的慣性力增加，使得直邊上的燃油克服流動阻力向角上集中，角上的燃油增多，直邊上的燃油減少。因此高轉速時，方孔甩油盤整體霧化效果比圓孔甩油盤差。

4.結論

通過對不同孔深的圓形、菱形及方形噴口甩油盤霧化性能試驗數據進行對比分析可得如下結論：

（1）孔深對甩油盤霧化錐角及SMD基本無影響。

（2）在低轉速下，方形噴口甩油盤可以得到較好的SMD；在高轉速下，圓形噴口甩油盤可以得到較好的SMD。

（3）名義直徑小的噴油孔，在整個轉速區間上的霧化錐角峰值大，同時錐角變化范圍大。