离心喷嘴偏心和凸凹对双旋流器空气雾化特性的影响

张善军，金 戈，贾春燕，马宏宇，齐 兵

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

随着先进航空燃气轮机的发展，燃烧室工作压力[1]、空气流量、燃油流量、温升和出口温度显著提升，对燃烧效率、出口温度场品质、污染物排放等燃烧室性能要求也更为严格[2-5]。因此要求在更大的流量范围内保证燃油喷嘴雾化效果良好。

为满足上述要求，现代先进航空燃气轮机燃烧室普遍采用压力/空气组合式雾化喷嘴[6-8]。在低工况时，燃烧室进口空气压力和速度均较低，燃油主要依靠几何特征数小的副油路压力雾化喷嘴进行雾化；在高工况时，燃烧室进口空气压力和速度均显著提高，燃油主要依靠空气雾化喷嘴进行雾化，保证燃油在有限供油压差下，实现较大的供油量和良好的雾化效果[9]。选择不同的压力雾化喷嘴与空气雾化喷嘴组合，形成压力/空气组合式雾化喷嘴。这种喷嘴具备不同形式，张弛等对直射式反向双旋流空气雾化喷嘴的喷雾特性进行试验[10]，重点研究了不同空气压降和气液比对液雾索太尔平均直径DSM和分布指数N 的影响，并推导了索太尔平均直径的计算模型；郭新华等采用与张弛同样的方法，对离心式同向双旋流器空气雾化喷嘴喷雾特性进行了试验研究[11]，得到了该型喷嘴的雾化质量试验结果；徐华胜等针对喷嘴供油特性对双涡流器头部气动雾化效果的影响进行试验[12]，重点研究压力雾化喷嘴的1次雾化效果对双涡流头部气动雾化效果的影响。在实际使用过程中，由于加工、装配等环节的问题，会出现压力雾化喷嘴相对空气雾化喷嘴凸凹和偏心2种错位情况。

本文针对离心喷嘴与叶片式反向双旋流空气雾化喷嘴组合式喷嘴，通过试验研究离心喷嘴凸凹和偏心对组合喷嘴的雾场形态、索太尔平均直径SMD和分布指数N 的影响。

1 离心式反向双旋流空气雾化喷嘴

本文研究的离心式反向双旋流空气雾化喷嘴结构如图1所示。该喷嘴由同轴（X 轴）设置的离心喷嘴、主旋流器、文氏管、副旋流器和套筒组成。具体参数见表1。燃油在供油压力的驱动下，经过离心喷嘴进行1次雾化，随后在文氏管内表面上形成初始油膜，油膜离开文氏管后，内外两侧受到主、副旋流器分别形成的反向旋转雾化空气的剪切作用而继续破碎，进行2次雾化。随着雾化空气速度的变化，该喷嘴的主导雾化方式由1次雾化向2次雾化转变。

图1 离心式反向双旋流空气雾化喷嘴结构

喷嘴凸凹指在其它部件固定的情况下，离心喷嘴沿X 轴移动，正向为凸，负向为凹；喷嘴偏心指在其它部件固定的情况下，离心喷嘴和主旋流器同时沿YZ 平面内的任意方向移动。

2 试验系统

试验系统主要由垂直雾化室、激光测量系统（PDPA）、高清照相机、3维位移系统、供油系统、供气系统、数据采集系统等组成[13]，如图2所示。

图2 试验系统

垂直雾化室由喷嘴固定支架、带玻璃的雾化腔和抽风系统构成。喷嘴安装在喷嘴固定支架上，燃油竖直向下喷出，通过控制支架上的作动筒，调节喷嘴的上下位置，满足雾场测量截面的要求。

激光测量系统由激光器、发射器和接收器组成，发射器和接收器安装在3维位移系统的支架上，通过软件可以控制其移动方向及间距大小，调节测量位置。该系统运用散射光的相干原理，测定每个运动粒子经过相干区域的频移和相移，获得测量粒子的速度和直径，再经过一定时间的测量后，通过计算机进行统计处理，可以得到液雾任一位置的粒径、速度和其它表征喷嘴雾化性能的参数。

试验在常温常压下进行，首先调整离心喷嘴错位（偏心/凸凹），连接试验系统，将供气压力调节到预设值，用涡街流量计测量供气量，根据设定气油比计算出所需供油量，调节供油压力至适当大小，用质量流量计测量供油量。在套筒端面下游37mm处运用PDPA对喷雾场进行逐点测量，得到每个试验状态下各点的DSM，最终处理得到各测量线的DSM及R-R分布的特征尺寸值和分布指数N，并用高清照相机对液雾照相，记录液雾场形态。

在试验中，依据某航空燃气轮机典型工况特性，选取供气表压5.3kPa，燃油流量4.4g/s，喷嘴偏心量LPX=0、1.28、2.1mm，喷嘴凸出量LTC=-2、0、1mm。

3 试验结果分析

3.1 喷嘴偏心对雾化性能的影响

进行喷嘴偏心对雾化性能影响的试验时，保持喷嘴突出量等于0mm不变，同时因喷嘴相对于文氏管轴对称设置，仅选取喷嘴在+Y 向偏心。

由于存在共轭双键，花色素吸收可见光从而呈现一定的颜色。因为花色素不稳定，所以在植物中常与葡萄糖、鼠李糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖等结合形成花色苷[5]。花色苷根据连接糖基数量的多少可以分为单糖苷、二糖苷和三糖苷。

3.1.1 雾场形态变化

喷嘴偏心对雾场形态的影响如图3所示。从图3（a）中可见，当LPX=0mm，即离心喷嘴轴心相对文氏管轴心没有发生偏移，此时雾场形态、燃油浓度的空间分布相对喷嘴对称，并形成明显对称的双涡式回流区；从图3（b）、（c）中可见，当喷嘴偏心后，雾场形态发生显著变化，双涡式回流区形态基本消失，整个雾场向+X 方向偏移，燃油主要聚集在喷嘴下方，并且随喷嘴偏心量的增加，雾场偏移和燃油聚集程度更加严重。

图3 喷嘴偏心对雾场形态的影响

对于环形燃烧室，喷嘴偏心导致的燃油雾场偏移，这将显著影响燃烧室出口温度场品质，直接影响到涡轮叶片的工作寿命[14-15]。

3.1.2 雾化质量的影响

喷嘴偏心量与DSM的关系如图4所示。从图中可见，随着喷嘴偏心量的增加，X、Y 向的DSM持续增大，表明偏心将导致雾化液滴粒径变大，雾化效果变差，在试验研究范围内，DSM平均值从64μm增大到68 μm。另外，在喷嘴偏心量较小时，X 向DSM变化很小，当偏心量较大时，X 向DSM显著变大，X 向DSM比Y向的小。喷嘴偏心量与N 的关系如图5所示。从图中可见，随着喷嘴偏心量增加，Y 向的N 减小，X 向的N呈现先降低后增加的趋势，由N=2.4下降到N=2.2左右，并趋于稳定，表明喷嘴偏心将导致液滴尺寸分布更加不均匀。同时，X 向的N 比Y 向的大。

图4 喷嘴偏心量与DSM的关系

图5 喷嘴偏心量与N 的关系

3.2 喷嘴凸凹对雾化效果的影响

进行喷嘴凸凹对雾化性能影响的试验时，保持喷嘴偏心量等于0mm不变。

当喷嘴LTC=0mm时，雾场形态如图3（a）所示，当LTC=-2、1mm时，雾场形态与图3（a）相比变化不大。说明喷嘴凸凹对雾场形态影响很小，可以忽略。

3.2.2 雾化质量的影响

喷嘴凸出量与SMD的关系如图6所示。从图中可见，相对于喷嘴的基准位置（LTC=0），喷嘴内凹对SMD的影响很小，可以忽略不计；但是喷嘴外凸将使SMD显著增大，平均值由66μm增大到70μm，使雾化质量恶化。另外，喷嘴外凸对X 向的SMD的影响明显大于对Y 向的影响。

图6 喷嘴凸出量与DSM的关系

喷嘴凸出量与N 的关系如图7所示。从图中可见，相对于喷嘴的基准位置LTC=0），喷嘴内凹使N 减小；相反喷嘴外凸使N增大，N 由LTC=-2时的2.05增大到LTC=1时的2.95，液雾尺寸分布更加均匀。另外，X向的N 大于Y 向的，尤其在LTC=0时二者相差最大。

图7 喷嘴凸出量与分布指数N 的关系

4 结论

离心喷嘴偏心/凸凹会对反向双旋流空气雾化喷嘴雾化特性产生不同程度的影响：

（1）喷嘴偏心使典型的双涡对称式回流区形态几乎消失，雾场不再以套筒为中心对称，而是发生偏移，燃油分布主要聚集在喷嘴下方，雾场偏移量也随着偏心量的增加而增大，喷嘴凸凹对雾场影响很小，可以忽略不计；

（2）随着喷嘴偏心量的增加，表征雾化质量的索太尔平均直径DSM增大、分布指数N 减小，这说明液雾粒径尺寸变大，分布更加不均匀，雾化质量恶化；

（3）喷嘴内凹对液雾索太尔平均直径DSM影响很小，使分布指数N 减小，导致液雾尺寸分布更加不均匀；

（4）喷嘴外凸使液雾索太尔平均直径DSM和分布指数N 显著增大，液雾尺寸也更大，分布更均匀。

相比离心喷嘴凸凹，偏心对离心式反向双旋流空气雾化喷嘴雾化特性的负面影响更大，特别是对雾场形态和回流区的影响将引起出口温度场分布均匀度恶化，导致涡轮叶片寿命缩短，所以在实际使用中，一定要避免离心喷嘴偏心，同时尽量避免离心喷嘴凸凹。

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