航空發(fā)動機大流量清洗噴嘴的測試分析

李丹 許志鵬 沈偉

摘 要：大流量清洗噴嘴是大型航空發(fā)動機清洗系統(tǒng)的核心部件，由于技術(shù)條件要求苛刻，需要在實際裝配之前對清洗噴嘴的霧化特性進行測試。為此以PDI測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對大流量噴嘴的霧化特性進行了測試分析。結(jié)果表明：采用的測試技術(shù)方案合理，噴嘴特性滿足發(fā)動機清洗的要求。

關(guān)鍵詞：清洗 噴嘴 霧化 測試 PDI

中圖分類號：V23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0067-04

腐蝕、積垢是長時間工作航空發(fā)動機性能和可靠性下降的主要原因，大量工程經(jīng)驗表明對發(fā)動機空氣流道進行清洗是減緩性能衰退的有效手段，清洗對于工作在鹽霧、沙塵環(huán)境中的發(fā)動機保持性能尤其有效。在發(fā)動機清洗裝置的研制過程中，清洗噴嘴的設(shè)計和制造非常關(guān)鍵。國內(nèi)外的工程實踐和研究分析表明[1-5]：噴嘴形成的清洗液滴粒度越大、顆粒速度越大清洗效果越好，但液滴過大和過快會造成葉片表面損傷。清洗液的噴射形式、噴霧錐角以及液滴的粒度需根據(jù)具體的發(fā)動機而定。

該文涉及的清洗噴嘴為某型航空燃氣輪機的清洗系統(tǒng)的核心部件，經(jīng)過前期方案論證和發(fā)動機、飛機現(xiàn)場分析，提出了通過飛機進氣道進行清洗的方案。在該方案中清洗支架安裝在進氣道唇口，清洗噴嘴安裝支架上。由于清洗液通過噴嘴霧化后需飛行3～4 m方能進入發(fā)動機，并滿足覆蓋程度和顆粒度的要求，因此噴嘴的設(shè)計、選型和參數(shù)選擇對于清洗系統(tǒng)的研制尤其重要?？紤]清洗過程操作的便捷性，選擇發(fā)動機冷轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行預(yù)防性的清洗，因核心機轉(zhuǎn)速較低，清洗液也采用較大的粒度，但其粒徑以不超過3 mm為宜（一般要求超過2 mm的清洗液滴不宜過多），速度與流場速度接近和略大為宜。清洗液液滴飛行距離較遠，噴霧形成的錐角較小，通過前期理論計算霧化錐角在15～25 °之間。為了保障裝機的安全和清洗效果，噴嘴生產(chǎn)后的測試和性能調(diào)整是必須環(huán)節(jié)。

該文以PDI（激光多譜勒）測試技術(shù)為基礎(chǔ)，對選型后的噴嘴進行了粒度、流量、錐角等霧化特性的測量。測試結(jié)果為后續(xù)清洗系統(tǒng)的設(shè)計和進一步的聯(lián)機實驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 測試系統(tǒng)構(gòu)成

該文進行清洗噴嘴和防護噴嘴試驗的試驗系統(tǒng)由噴嘴壓力供氣、供水系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成，其原理如圖1所示。圖中噴嘴壓力供氣、供水系統(tǒng)提供噴嘴正常工作所需要的高壓空氣（可選擇）和水，測試系統(tǒng)實物圖如圖2所示（由于本文涉及的試驗不涉及到噴嘴的供氣，因此只給出了供水系統(tǒng)）。測試系統(tǒng)包括管路中的流量測試系統(tǒng)（主要為水流量計）、光學(xué)測角和液滴粒度、速度測試系統(tǒng)（為激光多譜勒測試系統(tǒng)）。顆粒測試儀器采用美國Artium公司提供的顆粒/速度測試儀（PDI），如圖3所示。Artium PDI系統(tǒng)具有如下特點：采用顆粒的激光多譜勒效應(yīng)進行高速非接觸式測量，其優(yōu)點包括：在每一個測量點都可以對系統(tǒng)進行自動設(shè)置和操作，并具有強健簡潔的光路系統(tǒng)設(shè)計；沒有復(fù)雜難用的光纖光路；能基于不同的噴流環(huán)境對采樣體進行自動優(yōu)化選擇；可以通過對坐標(biāo)架實現(xiàn)自動控制從而達到對噴流流場的整體測量；遠程多用戶數(shù)據(jù)操作和系統(tǒng)控制；內(nèi)置MATLABTM數(shù)據(jù)交換軟件包。

根據(jù)清洗方案設(shè)計的初步要求，需要對三型大流量噴嘴進行測試，分別編為1、2、3號。被測試的大流量噴嘴實物如圖3所示，噴嘴為特制帶有內(nèi)部旋流葉片的離心霧化噴嘴，其流量在60 L/min左右，大大超過了一般需要進行PDI測試的噴嘴。

對于前期設(shè)計、制造的噴嘴，初步的測試表明：在較大的流量條件下，按照典型噴霧測試條件（激光焦點距離噴嘴20 cm）測試很難得到穩(wěn)定的結(jié)果。分析原因，并不是噴嘴設(shè)計和制造的問題，主要是由于采用的噴嘴流量大、錐角小，在距離噴嘴20 cm的距離上霧錐尚未展開，水的霧化尚不充分，測試條件不穩(wěn)定。同時考慮清洗目標(biāo)和噴嘴距離較大，為此對測試條件進行了必要的改動，以叉車提升噴霧測試平臺，將測試焦距和噴嘴的距離增加到50 cm，并采用了最長的激光測試焦距和捕捉窗口。以此為基礎(chǔ)測試和調(diào)整了噴頭工藝參數(shù)，獲得了較為穩(wěn)定一致的測試結(jié)果。

2 測試步驟

2.1 流量的測量

（1）將噴嘴固定在測量流量的儀器上；

（2）打開水源和氣源開關(guān)，按測試所需的水壓條件進行供水；

（3）待噴嘴處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)后，開啟測控系統(tǒng)的流量采集模塊，系統(tǒng)通過供水管道上的流量計實時記錄噴嘴的流量；

（4）調(diào)節(jié)壓力直到獲得所有的流量數(shù)據(jù)。

2.2 噴嘴顆粒速度和粒度的測量

（1）將噴嘴固定在臺架上，使得噴口方向垂直向下。調(diào)節(jié)臺架和顆粒/速度測試儀的高度，使得PDI處于最佳測量位置。連接好水管，并檢驗水管的氣密性，防止漏水。

（2）接通信息處理系統(tǒng)電源，開機并打開數(shù)據(jù)采集記錄軟件。

（3）設(shè)置采集工況號，采集數(shù)和采集時間間隔。

（4）打開氣源開關(guān)，根據(jù)需要測量的壓力條件調(diào)節(jié)空氣減壓閥和液壓閥門。

（5）由于調(diào)節(jié)速度過快或者振動等原因，壓力剛開始會有些不太穩(wěn)定，待壓力表顯示穩(wěn)定之后，運行采集軟件，并保存采集結(jié)果。

（6）重復(fù)步驟（3），按步驟（4）進行調(diào)節(jié)，接著按步驟（5）執(zhí)行，直到所有的工況都采集完畢。

（7）關(guān)閉PDI開關(guān)，將鏡頭取下，放進保存箱。

（8）關(guān)閉氣閥和水閥，恢復(fù)系統(tǒng)正常。

3 測試結(jié)果

利用調(diào)整后的測試平臺對三型噴嘴的霧化效果進行測試，下面列出噴嘴在5、7、10 bar背壓條件下粒度分布的典型測試結(jié)果，如圖4～7所示。

考慮測試的噴嘴主要用于清洗，因此以體積中位直徑為參考直徑評估液滴顆粒的分布情況，表1同時給處了各型噴嘴的測試結(jié)果。由各個噴嘴測試結(jié)果可見：液滴顆粒度分布較為合理，未加權(quán)平均的液滴顆粒直徑集中在0.5 mm左右，大于2 mm的顆粒極少，滿足設(shè)計要求，既利于清洗，又不會給葉片表面造成影響，同時噴嘴清洗霧化參數(shù)均具有很大的調(diào)整余地，為后續(xù)工作參數(shù)的選擇和進一步的選型優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

將測試結(jié)果與前期計算結(jié)果進行對比，表明：噴嘴在7～10 bar背壓條件下顆粒的平均速度和發(fā)動機冷轉(zhuǎn)狀態(tài)進氣道中的氣流速度基本一致，利于液滴遠距離清洗。

4 結(jié)論

（1）以PDI為基礎(chǔ)的測試系統(tǒng)方案合理，滿足測試大流量噴嘴的技術(shù)要求。

（2）所采用的噴嘴特性滿足發(fā)動機清洗的要求，為后續(xù)清洗系統(tǒng)實驗和產(chǎn)品研制奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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