邸 東，劉云鵬，顏應(yīng)文，李井華

燃油總管及噴嘴特性試驗研究

邸 東，劉云鵬，顏應(yīng)文，李井華

（南京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點實驗室，南京210016）

為了研究航空發(fā)動機燃油總管流量特性以及噴嘴在不同進(jìn)口壓力條件下的噴霧周向分布特性等，對某型發(fā)動機的燃油總管及大、小燃油噴嘴特性進(jìn)行試驗。采用稱重法，研究不同供油壓力下燃油總管和噴嘴的流量特性以及單個噴嘴的燃油周向不均勻度；采用高速攝影儀對單個噴嘴噴霧錐角隨供油壓力變化及噴嘴主油路頂開壓力進(jìn)行試驗測量。試驗結(jié)果表明：隨著供油壓力增大，各噴嘴燃油流量逐漸增加，燃油總管流量也隨之增加；大、小噴嘴燃油周向不均勻度較差，并且隨著供油壓力提高而增大；大、小噴霧錐角隨供油壓力的提高而增大，在主油路打開之后隨著供油壓力繼續(xù)提高變化較?。猾@得了大、小噴嘴的主油路頂開壓力分別為1.001、0.883 M Pa；大流量噴嘴常規(guī)特性要優(yōu)于小流量噴嘴的。

燃油總管；噴嘴；流量特性；噴霧錐角；周向不均勻度；航空發(fā)動機

0 引言

隨著航空業(yè)的迅速發(fā)展，航空發(fā)動機污染排放物備受關(guān)注。因此，在不斷提高航空發(fā)動機性能的同時也必須減少發(fā)動機污染排放物。燃燒室內(nèi)燃油霧化過程和霧化質(zhì)量對其燃燒效率、出口溫度場、排氣冒煙和污染物排放等燃燒性能有著重要影響，而影響燃油霧化的重要因素之一就是燃油噴嘴及燃油總管的流量特性。

目前國內(nèi)外對燃油總管和燃油噴嘴的性能及設(shè)計進(jìn)行了廣泛研究。鐘山、劉永麗等[1]對環(huán)形燃燒室的帶噴嘴的燃油總管流量特性以及噴嘴的流量分布和霧化進(jìn)行測量，排除噴嘴間的不均勻性，為燃燒室部件的試驗研究提供可靠和有力的保障；陳俊、張寶誠等[2]測定噴嘴在不同壓力下的噴霧錐角，得出主、副油路的噴嘴流量有明顯差異，壓力變化對噴霧錐角基本沒有影響的結(jié)論；劉凱等[3]研究了加工工藝對航空發(fā)動機燃油噴嘴性能的影響，得到了噴嘴的流量特性，通過擬合試驗數(shù)據(jù)，得到了噴嘴噴霧角的影響因素以及其影響規(guī)律；徐華勝等[4]研究了噴嘴供油特性對雙渦流器頭部氣動霧化效果；王成軍等[5]研究了PDPA在燃油霧化特性中的應(yīng)用，從而為噴嘴的研究和設(shè)計提供理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義；Tie Li等[6]通過以激光衍射為基礎(chǔ)的方法測量油珠尺寸分布，采用激光熒光誘導(dǎo)－粒子圖像測速儀測量油珠速度分布等，應(yīng)用雙波長激光吸收－散射技術(shù)測量液體和蒸發(fā)項的濃度分布，對旋流霧化噴嘴噴入特定容積容器中的噴霧特性進(jìn)行了試驗研究；史春雨[7]從數(shù)控系統(tǒng)半物理試驗燃油流量計的測量要求入手，對燃油流量計量技術(shù)進(jìn)行了深入的探索；熊溢威[8]等分析了加力燃燒室中直射式噴嘴噴油桿流通能力的影響因素；張永良[9]對離心噴嘴霧化特性進(jìn)行了試驗和數(shù)值模擬研究；龔景松[10]等對旋轉(zhuǎn)型氣-液霧化噴嘴霧化特性進(jìn)行系統(tǒng)研究；趙亞輝[11]對壓力霧化噴嘴流場進(jìn)行了試驗研究，采用噴淋強度試驗裝置，對旋流式壓力霧化噴嘴在不同條件下的噴淋強度進(jìn)行了系統(tǒng)研究，建立了液霧流場分布函數(shù)的表達(dá)式；胡立舜[12]對壓力霧化噴嘴的霧化過程中氣液傳質(zhì)性能進(jìn)行了理論研究，對單液滴進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)出了液滴運動速度與時間的關(guān)系式；此外，田春霞[13]等總結(jié)了噴嘴霧化技術(shù)的發(fā)展。

本文針對某型發(fā)動機燃油總管及20個燃油噴嘴，進(jìn)行了在不同供油壓力下燃油總管和噴嘴的流量特性等試驗。

1 試驗系統(tǒng)和試驗原理

1.1 試驗對象及試驗系統(tǒng)

試驗對象為某型發(fā)動機燃油總管及20個燃油噴嘴（如圖1～3所示）。圖1為燃油總管實物，可見燃油總管帶有20個燃油噴嘴接頭，連接的20個燃油噴嘴中有4個大流量噴嘴（圖2）和16個小流量噴嘴（圖3），均為雙油路離心噴嘴，有中心孔和外圈環(huán)孔。在低工況下，副油路中心孔單獨工作，較大外圈環(huán)孔隨著燃油壓力的增加而開始工作，因此在大工況下，主、副油路同時工作。燃油分配活門可根據(jù)燃油壓力將燃油分配到不同的油濾，當(dāng)燃油流量降低時，燃油分配活門關(guān)閉，進(jìn)口燃油通過油濾、單向活門、內(nèi)管，從中心孔噴出；隨著燃油流量的增加，燃油分配活門逐漸打開，使燃油通過分配活門、外管，從外圈環(huán)孔噴出，即中心孔和外圈環(huán)孔同時噴油[7]。

試驗系統(tǒng)分別包括燃油總管試驗系統(tǒng)和噴嘴單獨工作時燃油霧化試驗系統(tǒng)。

燃油總管流量特性試驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖1 某型發(fā)動機燃燒室燃油總管（帶噴嘴）

圖2 大噴嘴實物

圖3 小噴嘴實物

圖4 燃油總管流量特性試驗系統(tǒng)

試驗時，航空煤油通過齒輪泵從油箱里抽出，經(jīng)過溢流閥調(diào)節(jié)試驗所需的供油流量，部分燃油經(jīng)回油管回到油箱，剩余燃油通過節(jié)流閥后在蓄能器穩(wěn)定壓力作用下進(jìn)入高壓供油管，再進(jìn)入燃油總管；在燃油總管進(jìn)口處安裝有精度為0.1%、量程為0～4 MPa的電子壓力傳感器，實時監(jiān)測燃油總管進(jìn)口油壓，通過調(diào)節(jié)溢流閥與節(jié)流閥來改變?nèi)加涂偣艿倪M(jìn)口油壓；把每個噴嘴噴出的航空煤油收集起來，同時用秒表對噴油時間計時，測量一段時間后，通過電子稱用稱重法得出各噴嘴在該進(jìn)口油壓下的航空煤油質(zhì)量，即可得到每個噴嘴的燃油流量，從而得到燃油總管流量特性，燃油流量不均勻性計算為[8]

式中：δz為燃油流量不均勻性；qmax、qmin分別為各噴嘴中燃油流量最大、最小值。

燃油噴嘴主油路頂開壓力、噴霧錐角及噴霧周向不均勻度試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 噴嘴霧化特性試驗系統(tǒng)

1.2 測量設(shè)備及測量原理

燃油總管流量特性試驗采用稱重法，即20個噴油嘴各對應(yīng)1個編號的油桶，在不同供油壓力下分別測量各油桶燃油質(zhì)量以及噴油時間，從而獲得各噴嘴的流量特性及燃油總管流量特性（圖4）。

大、小噴嘴周向不均勻度試驗采用燃油周向分布器測量，如圖6所示。燃油周向分布器在圓周方向均勻分為12份，從而形成圓周方向12份單獨的燃油收集器，其桶底各設(shè)有一出油接口，每份燃油收集器空間鋪設(shè)多層紗網(wǎng)，以免燃油噴霧撞到壁面反彈逸出而影響試驗結(jié)果。在保證分布器錐頂與噴嘴中心同一鉛垂線時，通過稱取分布器中每份燃油收集器收集的燃油質(zhì)量，并統(tǒng)計噴油時間，就可以得到單個噴嘴在不同供油壓力條件下圓周方向的燃油流量，并計算出燃油周向分布不均勻度

圖6 燃油周向分布器實物

式中：hmax、hmin分別為圓周方向收集到的燃油流量最大、最小值。

圖7 噴嘴特性測量系統(tǒng)

大、小噴嘴噴霧錐角試驗和頂開壓力試驗測試系統(tǒng)如圖7所示。燃油從燃油霧化試驗臺頂部垂直安裝的噴嘴噴出后，形成1個空心油錐；從燃油霧化臺側(cè)面布置1個連續(xù)平面激光光源，把油霧錐中心截面照亮，燃油霧化后的油珠對激光進(jìn)行散射，在與激光片光源相垂直的另一側(cè)面布置高速攝影儀，對油珠的散射光捕捉拍照，得到整個測量截面上的油錐照片，再通過圖像處理，得到需要測量的各參數(shù)；霧化后的燃油通過燃油收集系統(tǒng)收集，燃油霧化試驗臺底部布置有抽風(fēng)系統(tǒng)。

在測量大、小噴嘴主油路頂開壓力時，使用精密閥門緩慢改變供油壓力，拍攝噴嘴噴霧隨供油壓力的連續(xù)變化，通過對比壓力信號和高速攝影儀時序照片分析得到噴嘴的主油路頂開壓力噴嘴分級點，試驗通過高速攝影儀與電子壓力傳感器共同完成。首先緩慢提高噴嘴前的供油壓力，通過高速攝影儀記錄下整個過程，拍攝的開始時刻與壓力傳感器記錄壓力的開始時刻一致，從高速攝影儀記錄下的圖片中找出噴嘴主油路剛好打開的那張圖片所對應(yīng)的時刻，從壓力傳感器所記錄下的壓力信號中找出此時刻下的壓力值，該壓力即為噴嘴分級點壓力。而且由于噴嘴主油路打開時的壓力會產(chǎn)生脈動，找出壓力信號脈動時的時刻與該圖片的時刻相比較，可以校對分級點壓力。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 燃油總管及噴嘴流量特性試驗結(jié)果分析

燃油總管試驗在10種不同供油壓力下，測量得到了燃油總管流量和在燃油總管各噴嘴的燃油流量，從而得到燃油總管特性曲線、在燃油總管條件下的各噴嘴燃油流量以及大、小噴嘴的流量不均勻度，如圖8、9所示。

圖8 燃油總管壓力-流量特性曲線

圖9 各噴嘴壓力-流量特性曲線比較

從圖8中可見，隨著供油壓力的增加，燃油總管流量也在增加，整條特性曲線在供油壓力1 MPa位置分成2段，這是因為在1 MPa之后的所有噴嘴的主油路全部打開，所以供油流量增加，導(dǎo)致1 MPa之后的半段曲線的壓力-流量特性曲線的斜率明顯大于前半段的，無論是前、后半段曲線，隨著供油壓力的增加，曲線斜率均逐漸減小，說明隨著供油壓力增加，燃油流量增加的幅度逐漸減小。從圖9中可見，在燃油總管條件下20個噴嘴的燃油流量隨著供油壓力的增加而增加，各噴嘴的流量增加趨勢大致一樣，而且20個噴嘴也都在1 MPa左右時曲線的斜率發(fā)生變化，1 MPa后流量隨壓力的增長率比1 MPa之前的斜率要大，變化情況與圖8的大體一致，即20個噴嘴的主油路在1 MPa之后已經(jīng)打開導(dǎo)致流量增加而造成的。從圖9中還可見，噴嘴7、8、14、15在1 MPa之前的流量明顯大于其他16個噴嘴的流量（圖9（b）），這是由于在小壓力時（壓力小于1 MPa），大噴嘴與小噴嘴的流量相差很大，其中噴嘴7、8、14、15是大流量噴嘴，由于噴嘴副油路出口面積比小流量噴嘴面積大，因此在同樣壓降條件下，其燃油流量比小流量噴嘴的大；而在1 MPa之后，20個噴嘴的流量差別很小，在2.5 MPa之后各噴嘴流量開始產(chǎn)生差異，在最大壓力點3.584 MPa處流量差別最大，但比1 MPa之前的差異還是相對較小，這是由于主油路打開后，主油路的燃油流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于副油路燃油流量，因此副油路的影響對主油路很小，因此大、小噴嘴的燃油流量差異很小。因此總體來說，在小壓力的情況下，即副油路單獨工作時，大噴嘴和小噴嘴的流量差別較大，但是隨著供油壓力的增加，主油路打開后，各噴嘴的流量差異變小。

在 0.280～1.009 MPa和 1.209～3.584 MPa2個壓力段（即燃油總管特性曲線上斜率轉(zhuǎn)折點兩端的壓力段）上20個噴嘴的流量比較如圖10、11所示。圖中徑向方向代表噴嘴流量，g/s；周向1～20分別表示已經(jīng)編號的20個噴嘴；不同顏色線代表不同的供油壓力。從圖中明顯可見，隨著供油壓力的增加，20個噴嘴的流量趨于一致，在0.280～1.009 MPa段時各噴嘴的流量很不均勻，4個大噴嘴的流量明顯大于16個小噴嘴的流量，由于這4個大噴嘴對應(yīng)的位置剛好為2個高能電嘴的安裝位置，因此這種設(shè)計有利于慢車工況條件下可靠點火；但是隨著供油壓力的增加，主油路打開后，在1.209～3.584 MPa段時，各噴嘴的流量逐漸趨于均勻，在圖上慢慢成為1個近圓形狀，分界點剛好在1.009 MPa點上，1.009 MPa以下各噴嘴流量不均勻，1.009 MPa以上各噴嘴流量趨于均勻，說明各噴嘴在主油路打開前在不同油壓下流量差別較大，但在主油路打開后，隨著供油壓力的增加，各噴嘴的流量相差不大。

圖10 噴嘴壓力-流量比較（0.280～1.009 MPa）

圖11 噴嘴壓力-流量比較（1.209～3.584 MPa）

為了比較20個噴嘴在燃油總管條件下燃油流量的不均勻性，分別計算出4個大噴嘴和16個小噴嘴的流量不均勻性，分別選取0.529、1.830和3.584 MPa3種壓力計算出大、小噴嘴流量不均勻性，分別見表1、2。

表1 大噴嘴流量不均勻性

表2 小噴嘴流量不均勻性

從表1、2中明顯可見，在不同供油壓力點下，大噴嘴在燃油總管條件下的不均勻性要比小噴嘴的小很多；并且在壓力較低時，即使僅副油路工作，在燃油總管條件下大、小噴嘴的不均勻性也非常大；當(dāng)壓力增大，主油路打開后，在燃油總管條件下大、小噴嘴的不均勻性馬上減小。證明上面雷達(dá)圖所反映的結(jié)果，在高壓條件下，各噴嘴的流量比較均勻，在低壓條件下時，各噴嘴流量非常不均勻。

2.2 噴嘴常規(guī)特性試驗結(jié)果分析

單個大、小噴嘴的常規(guī)特性試驗主要包括：大、小噴嘴燃油分級點測試（即主油路頂開壓力）、噴霧錐角試驗以及燃油周向不均勻度試驗。

2.2.1 大、小噴嘴燃油分級點試驗

大、小流量噴嘴的主油路頂開壓力是通過高速攝影儀所拍照片與壓力信號的時序相對應(yīng)而得到的，詳細(xì)判斷過程前文已說明，噴嘴燃油分級點試驗分別選用17號小噴嘴和14號大噴嘴。試驗結(jié)果大、小流量噴嘴主油路頂開壓力分別為1.001、0.883MPa。

2.2.2 大、小噴嘴油霧錐角試驗

燃油噴嘴的油霧錐角試驗分別對大流量噴嘴（14號噴嘴）和小流量噴嘴（17號噴嘴）進(jìn)行了5個壓力點的測量，且測量錐角高度距噴嘴出口為50 mm，測量不同供油壓力條件下所得的照片和經(jīng)過圖像處理后的噴霧錐角分別如圖12、13所示，并見表3、4。

圖12 在各供油壓力下的小噴嘴油霧錐角照片

圖13 在各供油壓力下的大噴嘴油霧錐角照片

表3 小流量噴嘴油霧錐角試驗結(jié)果

表4 大流量噴嘴油霧錐角試驗結(jié)果

從表3和圖12中可見，小流量噴嘴油霧錐角在主油路頂開壓力（0.883 MPa）之前比較小，但隨著供油壓力的增加逐漸增大；當(dāng)主油路打開時，油霧錐角明顯增大，但是隨著供油壓力的繼續(xù)增加，油霧錐角變化較小，在2.409 MPa和3.207 MPa時已經(jīng)不再增大，保持在 111°。

從表4和圖13中可見，大流量噴嘴油霧錐角在主油路頂開壓力（1.001 MPa）之前基本保持不變，均為93°；當(dāng)供油壓力為1.391 MPa時錐角為91°，說明在頂開壓力之后一直到1.391 MPa之間的壓力范圍內(nèi)，噴霧錐角稍有減小，這可能是由于在主油路剛開始頂開的一段供油壓力范圍內(nèi)，主油路并沒有完全張開，從頂開到主油路完全張開這段供油壓力范圍噴霧錐角是不穩(wěn)定的，副油路在帶動主油路逐漸張開的過程中，副油路錐角稍有減小，但變化不大；當(dāng)主油路完全頂開后，隨著壓力的逐漸增加，油霧錐角呈現(xiàn)出增大的趨勢。

2.2.3 大、小噴嘴燃油周向分布不均勻度試驗

本文還針對單個的小流量噴嘴（17號噴嘴）和大流量噴嘴（14號噴嘴），分別進(jìn)行了4種不同供油壓力下的燃油周向分布不均勻度測量。

對小流量噴嘴進(jìn)行燃油周向分布不均勻性試驗的4種不同的供油壓力分別為：0.806、1.412、2.403和3.231 MPa，得到各壓力點下燃油周向分布如圖14所示，并分別計算出其燃油周向分布不均勻度分別為22.45%、76.52%、61.21%和 67.06%。從圖 14（a）中可見，在主油路未打開之前，小流量噴嘴燃油周向分布不均勻性比主油路打開后的（圖 14（b）、（c）、（d））要小很多，當(dāng)主油路打開后，明顯在圓周方向4個位置的流量相對較大，分別是燃油收集器3號、6號、8號和12號，從而造成在供油壓力較高時小流量噴嘴燃油周向分布不均勻度較大。

造成該現(xiàn)象的原因有2點：（1）該型噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)上主油路存在4條旋流槽，所以在旋流槽出口位置相對應(yīng)的容器中燃油流量較大；（2）該型噴嘴與2級旋流器相結(jié)合構(gòu)成空氣霧化噴嘴，因此從該型燃燒室設(shè)計上看，副油路要依靠噴嘴自身來霧化，因此要求副油路周向不均勻度要小，而主油路噴霧錐角較大，直接噴射在文氏管上，在內(nèi)、外空氣剪切作用下進(jìn)行霧化，所以主油路主要是依靠氣動霧化，因此對主油路周向分布不均勻性要求較寬松，從而可以降低噴嘴加工與維護(hù)費用。

圖14 在不同供油壓力下小噴嘴燃油周向不均勻分布

大流量噴嘴燃油周向分布不均勻性試驗的4種供油壓力分別為 0.816、1.393、2.378 和 3.196 MPa，得到的周向分布如圖15所示，并分別計算出其燃油周向分布不均勻度分別為33.33%、47.99%、51.82%和51.35%。從圖中可見，與小流量噴嘴相似，當(dāng)主油路未打開時，周向不均勻性較小，而當(dāng)主油路打開后，大流量噴嘴的周向不均勻性變得非常大，且當(dāng)壓力為2.378和3.196 MPa時燃油周向不均勻度幾乎相同（分別為51.82%和51.35%），不均勻性分布也較相似。

圖15 在不同供油壓力下大噴嘴燃油周向不均勻分布

在不同供油壓力條件下，單個大流量噴嘴的燃油周向不均勻度比單個小流量噴嘴的小，表明大流量噴嘴的燃油周向不均勻性要好于小流量噴嘴的。

3 結(jié)論

本文針對某型發(fā)動機燃油總管及20個燃油噴嘴，試驗研究了在不同供油壓力下的流量特性和單個大、小噴嘴單獨工作時主油路頂開壓力、噴霧錐角隨供油壓力變化規(guī)律以及噴嘴燃油周向分布不均勻性。得到以下主要結(jié)論：

（1）隨著供油壓力的提高，燃油總管流量不斷增加，當(dāng)供油壓力高于1 MPa時，流量隨著壓力的提高急劇增加；

（2）各噴嘴流量特性曲線與燃油總管的相似，并且大噴嘴在燃油總管條件下燃油流量不均勻性優(yōu)于小噴嘴的；僅副油路工作時，大、小噴嘴燃油流量的不均勻性較差，當(dāng)主、副油路同時工作時，大、小噴嘴燃油流量的不均勻性較好。

（3）大、小噴嘴在主油路打開之前燃油周向分布不均勻性相對較??；而當(dāng)主油路打開之后，大、小噴嘴的周向不均勻性較差；同時，大噴嘴燃油周向分布不均勻性要優(yōu)于小噴嘴的。

（4）小噴嘴的主油路頂開壓力為0.883 MPa，而大流量噴嘴的主油路頂開壓力為1.001 MPa。

（5）在副油路單獨工作時小噴嘴油霧錐角較小，約為40°，而且隨著供油壓力的提高而增大；在主油路打開后，油霧錐角明顯增大，隨著供油壓力的繼續(xù)提高，油霧錐角變化不明顯，維持在111°左右；在副油路單獨工作時，大流量噴嘴油霧錐角約為93°，在主、副油路同時工作時，油霧錐角變化也不大，保持在110°左右。

本文獲得的試驗數(shù)據(jù)，可為中國軍、民用航空發(fā)動機的噴嘴及燃油總管設(shè)計提供依據(jù)。

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Experimental Study on Characteristics of Fuel Manifold and Injector

DI Dong,LIU Yunpeng,YAN Yingwen,LI Jinghua
（Key Laboratory of Aero-engine Thermal Environment and Structure,Ministry of Industry and Information Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

To investigate the flow characteristics of the fuel manifold and the circumferential unevenness of the injector under different conditions,the characteristics of fuel manifold and injector were investigated by experiments.The flow characteristics of fuel manifold and injectors,the fuel circumferential unevenness of single injector with different fuel supply pressure were studied by mass weighing method.The spray angles with different fuel supply pressure and the exact fuel pressure of primary fuel passage opening were investigated with high speed digital video recording devices.Experimental results show that mass flow rate of the fuel manifold and every single injector increase along with the rise of fuel supply pressure;The fuel circumferential unevenness of single injector varies greatly,and it increases with the rise of supply pressure;Spray angle increases when supply pressure rises,but the increasing ratio declines after primary fuel passage opens;The fuel passage opening pressure of small flow injector and big flow injector is 0.883 MPa and 1.001 MPa,respectively;The flow characteristics of big flow injector are better than that of small injector.

fuel manifold;fuel injector;flow characteristics;spray angle;circumferential unevenness;aeroengine

V 231.1

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.01 1

2016-11-21 基金項目：國家自然科學(xué)基金（51676097）資助

邸東（1995），男，本科生，研究方向為航空發(fā)動機燃燒技術(shù)；E-mail：641559934@qq.com。

邸東，劉云鵬,顏應(yīng)文,等.燃油總管及噴嘴特性試驗研究 [J].航空發(fā)動機，2017，43（2）：67-74.DI Dong,LIU Yunpeng,YAN Yingwen,etal.Experimentalstudy on characteristics offuelmanifold and injector[J].Aeroengine,2017，43（2）：67-74.

（編輯：李華文）