雙油路離心噴嘴霧化錐角的試驗(yàn)研究

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(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

0 引言

雙路離心噴嘴由于能實(shí)現(xiàn)較寬的燃油流量工作范圍和較小的霧化粒徑，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1]，當(dāng)供油量較小時(shí)，僅采用副油路供油，隨著供油量增大，主副油路同時(shí)開啟，在短距離內(nèi)主副液膜相互融合最終在下游破碎成油霧。

霧化錐角是決定燃燒室內(nèi)燃油空間分布的重要因素，若霧化錐角過大，液滴會(huì)打至頭部壁面造成燒蝕現(xiàn)象；反之，旋流器下游過于富油，易導(dǎo)致冒煙和積碳。因此針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的燃燒室，應(yīng)選取不同錐角的噴嘴，從而組織好油霧的空間分布[2]。

針對(duì)雙路離心噴嘴，Sivakumar等[3]對(duì)其做了開創(chuàng)性的工作，利用高速攝影儀觀測(cè)了內(nèi)外液膜的聚合和分離過程，發(fā)現(xiàn)增大主副路液膜的動(dòng)量比時(shí)液膜聚合點(diǎn)外移，反之內(nèi)移；Kim等[4]的大量試驗(yàn)結(jié)果表明，雙路錐角均處于2路單獨(dú)噴射錐角之間，并隨著內(nèi)外路液膜的動(dòng)量比變化，錐角呈相反的變化規(guī)律，同時(shí)通過角動(dòng)量守恒原理對(duì)錐角進(jìn)行預(yù)測(cè)，且與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；徐順等[5]研究了旋流槽進(jìn)口的旋轉(zhuǎn)方向?qū)婌F錐角的影響，發(fā)現(xiàn)采用同向關(guān)系式預(yù)測(cè)錐角結(jié)果偏差較小。

現(xiàn)由于組織霧化的需要，通常將副油路噴口設(shè)計(jì)為擴(kuò)口式，主油路噴口保持為平口式，對(duì)該種結(jié)構(gòu)的雙路離心噴嘴霧化錐角的研究目前還很少。在此，以該型雙路離心噴嘴為基礎(chǔ)，通過高速攝影儀采集噴霧圖像，研究各路單獨(dú)噴射時(shí)錐角的變化規(guī)律，以及不同主副油路供油壓力對(duì)噴霧錐角的影響規(guī)律，為此類型噴嘴的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖1a為該離心噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖，圖1b為副油路流路示意圖，圖1c為主油路流路示意圖。該噴嘴由2個(gè)切向槽式單路離心噴嘴同軸同旋向安裝，燃油分別從主副油路的切向口進(jìn)入，在旋流室內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，然后離開噴口。由圖1a可知，一部分工質(zhì)流入通道①，通過2個(gè)旋流槽流入副油路，于通道③旋轉(zhuǎn)流出噴嘴，噴口為擴(kuò)口式，喉道直徑dt=0.3 mm，噴口直徑do=0.7 mm。另一部分工質(zhì)流入通道②，通過4個(gè)斜切槽流入主油路，于通道④旋轉(zhuǎn)流出噴嘴，噴口為平口式，內(nèi)徑din=0.76 mm，外徑dout=1.6 mm。

圖1 雙路離心噴嘴結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由供油系統(tǒng)、霧化試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)和燃油回收系統(tǒng)組成，如圖2所示。供油系統(tǒng)包括油箱、2路油泵、油濾和管路控制閥門，通過調(diào)節(jié)出油閥和回油閥實(shí)現(xiàn)供油壓力的調(diào)整。測(cè)量系統(tǒng)包括壓力傳感器和高速攝影儀。壓力傳感器采用麥克傳感器公司的壓阻式壓力變送器，用于測(cè)量2路噴嘴進(jìn)口前壓力，量程為0～4.0 MPa，精度為0.1 MPa；高速攝影儀為美國(guó)IDT公司Y5型號(hào)高速攝影，具體技術(shù)參數(shù)為2 336 px×1 728 px，用于拍攝瞬時(shí)噴霧圖像。燃油回收系統(tǒng)包括離心風(fēng)機(jī)和油水分離器，作用是將油霧重新收集。

試驗(yàn)在常溫常壓中進(jìn)行，使用RP-3航空煤油作為工質(zhì)，采用高速攝影儀采集噴霧圖像，拍攝速率設(shè)為5 kHz，曝光時(shí)間5 μs，實(shí)際拍攝像素為800 px×400 px，拍攝的瞬時(shí)噴霧圖像及錐角處理方法如圖3所示，錐角為噴口與下游30 mm噴霧邊界的連線，圖3所示夾角為半錐角α/2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 霧化錐角拍攝及測(cè)量示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 主副油路單獨(dú)工作試驗(yàn)結(jié)果

主副油路單獨(dú)噴射時(shí)霧化錐角隨壓差變化規(guī)律曲線如圖4所示。

圖4 單路離心噴嘴錐角變化趨勢(shì)

由圖4a可知，噴嘴主油路單獨(dú)工作時(shí)，隨著壓差從0.3 MPa增大至2.5 MPa時(shí)，主油路錐角逐漸增加到95.2°后趨于穩(wěn)定，供油壓力在0.5 MPa霧錐已充分張開角度為85.2°，壓差大于1.0 MPa后穩(wěn)定在95.2°保持不變。

基于 Lee[6]關(guān)于平口式離心噴嘴流動(dòng)的研究，在壓差較小時(shí)，液體粘性力占主導(dǎo)地位，出口旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較弱，空氣渦不存在或處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因而錐角較小。而增大壓差時(shí)，出口旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度增強(qiáng)，增大到一定程度時(shí)保持不變，同時(shí)空氣渦也處于穩(wěn)定狀態(tài)，錐角將保持不變。

由圖4b可知，副油路噴嘴單獨(dú)工作時(shí)，隨著壓差從0.3 MPa增大至4.0 MPa，錐角呈逐漸減小趨勢(shì)，壓差處于0.3～2 MPa時(shí)錐角下降迅速，從85.1°減小到62.0°，后期下降速度變緩，并于2 MPa后流動(dòng)穩(wěn)定，錐角保持在62.0°左右。

收擴(kuò)口式噴嘴近噴口處的流動(dòng)情況如圖5所示。根據(jù)Kamplade[7]試驗(yàn)結(jié)果，壓差較小時(shí)，工質(zhì)貼著擴(kuò)口壁面流出噴口，因而錐角較大。隨著壓差的增大，工質(zhì)不再繞噴口內(nèi)壁面旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、分離流動(dòng)出現(xiàn)，空氣回流填充噴口壁面區(qū)域，從而導(dǎo)致錐角減小。壓差進(jìn)一步增大時(shí)，分離點(diǎn)不再前移，流動(dòng)保持穩(wěn)定、錐角變化很小。

圖5 副油路噴口處流動(dòng)示意

2.2 主副油路同時(shí)工作試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

主副油路壓差均為2.0 MPa時(shí)，雙油路離心噴嘴單獨(dú)噴射和雙路噴射的霧化圖像如圖6所示。由圖6可知，主油路單路錐角為95.2°，副油路單路錐角為65.1°，雙路錐角為83.6°。

圖6 不同噴射狀態(tài)噴霧圖像

雙油路錐角變化趨勢(shì)如圖7所示。圖7a為固定主油路壓差Po時(shí)，霧化錐角隨副油路壓差Pi變化曲線，同時(shí)標(biāo)示出了僅副油路單獨(dú)工作曲線(即Po=0)。曲線整體趨勢(shì)均為隨Pi增加，雙路錐角減小，減小速度具有先急后緩的特點(diǎn)。保持Po在0.6 MPa，調(diào)整Pi從0.5 MPa增至2.5 MPa時(shí)，錐角由82.6 °下降至65.3 °，曲線整體略高于僅副油路工作狀態(tài)。而增大Po從0.6 MPa至1.5 MPa時(shí)，錐角曲線整體上移，峰值由82.6°增至93°，谷值由65.3°增至73.5°。

圖7 雙油路錐角變化趨勢(shì)

類似的，圖7b為固定副油路壓差Pi，霧化錐角隨主油路壓差Po變化曲線，同時(shí)標(biāo)示出了僅主油路單獨(dú)工作曲線(即Pi=0)。保持Pi在1 MPa，調(diào)整Po從0.6 MPa增至1.5 MPa時(shí)，錐角由81.8°增至90.1°，增長(zhǎng)速率逐漸減緩。而Pi從1 MPa增至3 MPa時(shí)，錐角增長(zhǎng)趨勢(shì)不變，同時(shí)曲線整體下移，峰值由90.1°減至70.5°，谷值由81.8°減至64.5°。結(jié)合主油路單獨(dú)工作曲線對(duì)比，減小Pi時(shí)，雙路錐角增長(zhǎng)速率較快，且主副油路動(dòng)量比越大時(shí)，角度愈接近主油路單獨(dú)噴射時(shí)。

2.2.2 結(jié)果分析

液膜匯合情況如圖8所示。雙路液膜混合后的錐角處于二者單獨(dú)噴射之間，這是由于2股高速液膜同時(shí)噴出，根據(jù)伯努利方程可知，高速液膜剪切流動(dòng)時(shí)中心存在低壓區(qū)，即圖8中的Ⅱ區(qū)域，離開噴口后在壓差的驅(qū)使下，外路液膜向內(nèi)收縮、內(nèi)路液膜向外擴(kuò)張從而匯合成同一股旋轉(zhuǎn)射流。而核心區(qū)內(nèi)吸附能力與液膜合速度平方V2成正比，而匯合點(diǎn)位置取決于主副油路的動(dòng)量比。

圖8 液膜匯合示意

固定Po為某值，增大Pi時(shí)，噴霧受內(nèi)路射流影響逐漸增大，錐角愈接近副油路單獨(dú)噴射狀態(tài)。這是由于隨著副油路的流量與速度增加，射流間的低壓核心區(qū)向副油路液膜處靠近，動(dòng)量較小的主油路射流被拉至內(nèi)側(cè)，當(dāng)主副油路動(dòng)量比較小時(shí)，液膜匯合位置相對(duì)固定，流動(dòng)也趨于穩(wěn)定，錐角變化不明顯。而增大Po時(shí)，錐角曲線整體上移，這是由于主油路液膜動(dòng)量逐漸占混合液膜中主導(dǎo)地位，峰值愈靠近主油路單獨(dú)噴射狀態(tài)。

隨著壓差增加，不僅工質(zhì)出口流量及速度快速增加，副油路錐角也在變化，故相較于前人平口式雙油路噴嘴錐角試驗(yàn)結(jié)果[5,8]，錐角變化幅度更為明顯；不同于前人結(jié)果，當(dāng)主副油路動(dòng)量比較小時(shí)，錐角仍有所變化。

在此基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典理論公式計(jì)算理論錐角值，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。試驗(yàn)中采用的噴嘴切向槽入口均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)即同向旋轉(zhuǎn)，Ramenzani[9]和Vasquez[10]等研究同向旋轉(zhuǎn)射流的液膜作用過程，認(rèn)為內(nèi)外液膜的摻混過程可以簡(jiǎn)化為非彈性碰撞過程，過程前后的射流速度遵循動(dòng)量守恒，假設(shè)液體為無粘液體并忽略體積力的作用，可得錐角α關(guān)系式為

(1)

q為出口流量；u為出口軸向速度。下標(biāo)i表示內(nèi)路，下標(biāo)o表示外路。

單路離心噴嘴噴口處的軸向速度u為

(2)

dn為噴口直徑；ρ為液體密度；t為噴口出口截面液膜厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[11]總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算出口液膜厚度t為

(3)

μ為液體粘性；ΔP為進(jìn)出口壓差。聯(lián)合式(1)～式(3)，即可求出同向旋轉(zhuǎn)液膜混合后的理論霧化錐角值。

當(dāng)主油路壓差為1 MPa時(shí)，隨副油路壓差變化的錐角理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，理論結(jié)果均高于試驗(yàn)結(jié)果，副油路壓差越大時(shí)試驗(yàn)錐角下降很快，而理論關(guān)系式結(jié)果隨壓差降低緩慢。

圖9 理論與試驗(yàn)錐角結(jié)果對(duì)比

較大的誤差表征著理論計(jì)算公式高估了主副油路的動(dòng)量比，主要是由于以下原因造成的：由于副油路采用擴(kuò)口式噴口結(jié)構(gòu)，出口存在較大的徑向速度，而Ramenzani的傳統(tǒng)理論關(guān)系式是基于二維方向的動(dòng)量守恒，未考慮徑向速度分量。

3 結(jié)束語

通過試驗(yàn)手段針對(duì)雙油路離心噴嘴的霧化錐角展開研究，包括供油壓差對(duì)僅副油路、主油路和主副油路同時(shí)工作時(shí)的影響規(guī)律，主要的結(jié)論有：

a.單獨(dú)工作時(shí)，主油路錐角大于副油路，壓差增大時(shí)，主油路錐角快速增加，流動(dòng)穩(wěn)定后穩(wěn)定在95.2°，而副油路錐角隨油壓增大逐漸減小至62.0°左右。

b.主副油路同時(shí)工作時(shí)，由于2股射流間低壓區(qū)的存在，雙路錐角處于單獨(dú)噴射錐角之間，2 MPa時(shí)雙路錐角為83.6°。

c.雙路錐角隨副油路壓差增加而減小，減小速率先急后緩；保持副油路不變，增加主油路壓差時(shí)，峰值和谷值均大幅增加，主/副油路動(dòng)量比極大時(shí)，愈接近主油路單獨(dú)噴射狀態(tài)。同時(shí)傳統(tǒng)預(yù)測(cè)關(guān)系式由于忽略了徑向速度分量導(dǎo)致數(shù)值較試驗(yàn)結(jié)果偏大。