賈春燕，王洪銘

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015;2.北京航空航天大學(xué) 能 源與動力工程學(xué)院，北京 100083）

航空發(fā)動機(jī)燃燒室噴嘴內(nèi)部燃油結(jié)焦研究

賈春燕1，王洪銘2

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015;2.北京航空航天大學(xué) 能 源與動力工程學(xué)院，北京 100083）

對在最嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷時噴嘴內(nèi)部燃油沉積率以及燃油性能參數(shù)的變化進(jìn)行了試驗研究。對1個相似的噴嘴試驗件進(jìn)行了傳熱試驗，通過試驗修正計算中關(guān)鍵的傳熱系數(shù)，建立了符合噴嘴實際的傳熱計算方法；用該方法推算發(fā)動機(jī)在真實條件下發(fā)生最嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷的工況，然后進(jìn)行了燃油沉積率試驗，得到了燃油管道沉積率與溫度的關(guān)系，同時得到了噴嘴和油濾上積沉的特征；對沉積物成分進(jìn)行了分析，并測定了燃油油樣進(jìn)行性能參數(shù)。通過研究結(jié)果，提出了改善噴嘴燃油熱安定性的措施。

噴嘴；性能；燃油；沉積率；熱安定性；航空發(fā)動機(jī)

0 引言

隨著高性能、高壓比軍用航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，用燃油做冷卻劑以冷卻發(fā)動機(jī)的裝置的需求迅速增長。燃油用于冷卻而升溫，同時受到壓氣機(jī)高溫氣流的進(jìn)一步加熱，極大地增加了燃油的熱負(fù)荷，使噴嘴內(nèi)油溫、油管壁溫不斷提高，造成噴嘴內(nèi)燃油嚴(yán)重沉積、結(jié)焦，附在內(nèi)壁上。燃油沉積使噴嘴性能衰減，導(dǎo)致溫場不均而燒傷火焰筒和渦輪葉片。對航空發(fā)動機(jī)而言，在各工況下燃油熱負(fù)荷的確定，只能用傳熱方法估算。各型航空發(fā)動機(jī)噴嘴中燃油的流動、傳熱情況等均有其獨特設(shè)計。

本文以1個相似的噴嘴試驗件進(jìn)行傳熱試驗，通過試驗修正計算中關(guān)鍵的傳熱系數(shù)，建立符合噴嘴實際的傳熱計算方法，并進(jìn)行了燃油沉積率試驗。

1 燃燒室燃油熱負(fù)荷計算

本文研究的燃燒室進(jìn)口參數(shù)和燃油流量見表1。

表1 噴嘴主要工況參數(shù)

通過噴嘴傳熱試驗和換熱計算，得到了最大燃油溫升，確定了噴嘴最嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷狀態(tài)為最小氣動負(fù)荷狀態(tài)，計算結(jié)果見表2。

表2 噴嘴對流換熱計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，在發(fā)動機(jī)真實工況下，在最小氣動負(fù)荷狀態(tài)下的燃油溫升和燃油熱負(fù)荷最大。

2 發(fā)動機(jī)噴嘴燃油沉積試驗

表3 結(jié)焦試驗狀態(tài)參數(shù)

在噴嘴最嚴(yán)重?zé)嶝?fù)荷狀態(tài)即最小氣動負(fù)荷狀態(tài)下，進(jìn)行燃油噴嘴的燃油沉積或結(jié)焦特征試驗。參考國外類似試驗方法，結(jié)合一定條件，對內(nèi)部通流航空煤油RP-3的不銹鋼管進(jìn)行電加熱，恒溫持續(xù)數(shù)小時，稱重確定鋼管內(nèi)壁的燃油結(jié)焦積沉量。噴嘴結(jié)焦試驗的相關(guān)參數(shù)和方法見表3。

根據(jù)試驗結(jié)果得到燃油積沉率與油溫和壁溫的關(guān)系，見表4，并如圖1、2所示。

從表中可見，在保持油量為3.6 L/h，油溫為163～168℃時，壁溫為210～220℃，沉積率基本保持不變。在油量從3.6 L/h增加到8.5L/h，油溫為168～170℃時，壁溫恒定保持為220℃左右，積沉率從5.75～6.48（μg/cm2·h）增加到 17.00～18.87（μg/cm2·h）。其原因是隨著燃油流量增加，流體Re增大，流態(tài)由層流變?yōu)檫^渡態(tài)，熱附面層增厚及對流換熱系數(shù)增大，使管內(nèi)流體受加熱影響的范圍加大而導(dǎo)致沉積率增加。

表4 燃油沉積率與油溫、壁溫的關(guān)系

3 試驗結(jié)果分析和應(yīng)用

3.1 積沉厚度估算方法

由上述試驗可知：在發(fā)動機(jī)最小氣動負(fù)荷，即燃油承受最大熱負(fù)荷時，沉積率可按最小氣動負(fù)荷在發(fā)動機(jī)每次飛行任務(wù)中所占時間比例估算。如每次飛行任務(wù)平均為2h，最小氣動負(fù)荷假設(shè)為10min，則發(fā)動機(jī)使用時的燃油沉積率估算公式為

發(fā)動機(jī)使用時沉積率=發(fā)動機(jī)總工作時間×燃油在最大熱負(fù)荷時的沉積率×（最嚴(yán)重燃油熱負(fù)荷工作時間/每次飛行開機(jī)時間）×燃油Re修正系數(shù)

根據(jù)此估算公式，假設(shè)燃油最大熱負(fù)荷時油溫為150℃，主油路管外表面濕壁溫度為176℃，其沉積率為2.1μg/cm2·h；主油路管內(nèi)表面濕壁溫度為150℃，副油路管濕壁溫度也為150℃，其積沉率為1.25μg/cm2·h。設(shè)發(fā)動機(jī)工作 2000h，每次飛行 2h，其油管內(nèi)的沉積不被沖刷掉，則可分別估算主油管外表面、主油管內(nèi)表面、副油管外表面的總沉積量。假設(shè)沉積物的密度為1g/cm3，可以進(jìn)一步估算出沉積厚度。

主油管外表面總沉積量=2000×（10/120）×2.1×1.4=490μg/cm2

沉積厚度=4.9μm

主油管內(nèi)表面總沉積量=2000×（10/120）×1.25×1.4=290μg/cm2

沉積厚度=2.9μm

副油管外表面總沉積量=2000×（10/120）×1.25×120.65=1048μg/cm2

沉積厚度=10.48μm

3.2 沉積物形態(tài)

油濾上有明顯積沉，當(dāng)溫度升高時，積沉率增加。表明在發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器的精密表面、噴嘴內(nèi)活門、燃滑油換熱器內(nèi)的油管表面上，經(jīng)長期工作后會附著不均勻焦質(zhì)，嚴(yán)重時會影響其正常工作，使性能惡化。油濾上沉積物形態(tài)如圖3所示。

關(guān)于噴嘴的結(jié)焦情況，在SEM電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)噴嘴中心孔始終保持圓形，沒有沉積跡象。有2個原因：中心孔處燃油流速高；中心孔圓柱面加工時很容易保證其均勻性，因而不易產(chǎn)生積沉。但是在噴嘴旋流器的幾個切向槽上觀察到嚴(yán)重的不均勻積沉現(xiàn)象，如圖4所示。這是由于槽道表面加工質(zhì)量沒有保證，表面不連續(xù)、不光滑、不均勻。從試驗前槽道表面照片也可以看出，其內(nèi)表面有接刀痕及將材料撕裂的痕跡，如圖5所示。噴嘴切向槽嚴(yán)重不均勻的沉積使燃油霧化惡化，進(jìn)而影響整個燃燒室性能。

3.3 沉積物成分分析

用掃描電鏡對噴嘴切向槽及油濾上的沉積物成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表5，表中也列出了波音707客機(jī)油濾沉積成分。

表5 沉積物成分分析結(jié)果w/%

從表5中可見，燃油積沉物中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C小于40%，H為5%～6%，O高達(dá)30%～40%，S為10%～14%，其他金屬也高達(dá)百分之幾；而在煤油中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C為85%以上，H為14%左右，S為0.098%，金屬雜質(zhì)極微。說明沉積的生成與O、S及金屬有密切關(guān)系。

3.4 加熱油與不加熱油物性參數(shù)對比

按照GB 6537-86（3號噴氣燃料國家標(biāo)準(zhǔn)），對RP-3加熱與不加熱油的主要性能參數(shù)進(jìn)行檢測，分析結(jié)果見表6。

分析結(jié)果表明，加熱油與不加熱油的物性參數(shù)略有差別，但都符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 結(jié)論

（1）加熱燃油時，油管沉積率與溫度的關(guān)系表明，溫度升高，則沉積率增加。

（2）根據(jù)試驗結(jié)果，給出了估算發(fā)動機(jī)使用時沉積率的計算公式。

（3）油濾上的沉積表明：發(fā)動機(jī)長期工作后，噴嘴的活門上可能有積沉，造成活門性能降低，嚴(yán)重時使活門失效。

（4）噴嘴旋流器切向槽上有嚴(yán)重不均勻沉積，造成噴嘴霧化性能惡化。

表6 燃油檢測分析結(jié)果

（5）沉積物成分化驗分析表明，除了含有C、H外，還含有較多的O、S及金屬元素。

（6）加熱到150、170℃的燃油與不加熱燃油對比，其性能基本上沒有變化，都符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

5 改善噴嘴燃油熱安定性的建議及措施

5.1 提高噴嘴旋流器切向槽的加工質(zhì)量

根據(jù)積沉試驗結(jié)果，切向槽內(nèi)沉積物的形態(tài)是不均勻的，尤其在加工表面有凸凹的地方，情況更加嚴(yán)重。由于切向槽尺寸（0.2～0.5mm）很小，即使經(jīng)過研磨、拋光后，表面粗糙度最好也只能達(dá)到1μm，對沉積的膠體粒子來說，仍然是造成不均勻粘附的載體。建議提高切向槽的加工質(zhì)量，使表面粗糙度小于1μm，可使槽道內(nèi)的沉積物均勻分布并減少沉積量，對保證噴嘴的霧化性能非常有利。

5.2 加強(qiáng)外場對噴嘴的監(jiān)測

國外民用飛機(jī)都加強(qiáng)了視情維護(hù)，在熱端部件特別是主燃燒室設(shè)置孔探儀，定期監(jiān)視噴嘴結(jié)焦、局部變形、隔熱涂層剝落、裂紋等故障，以便決定各熱端部件能否繼續(xù)安全地使用，是否需做專門維修，以免發(fā)生重大故障。

5.3 噴嘴清洗

對于外場發(fā)現(xiàn)有故障隱患的燃燒室，建議拆下全部噴嘴逐個進(jìn)行外觀和霧化性能檢查，然后進(jìn)行清洗，特別是清洗噴嘴內(nèi)部的結(jié)焦。在試驗過程中，用酒精超聲清洗以及丙酮超聲清洗，經(jīng)SEM觀察，這2種方法可以清除切向槽內(nèi)的部分結(jié)焦，但還不能做到全部清除干凈。建議開發(fā)更有效的能徹底清除結(jié)焦而又不致腐蝕零件、損傷噴嘴的清洗劑和清洗方法。

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Investigate on Fuel Coke in Nozzle of Aeroengine Combustor

JIA Chun-yan1，WANG Hong-ming2
（1.AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100083,China）

The change of fuel deposition rate and performance parameters in the nozzle was experimentally studied at the most serious heating load.The heating transfer experiment of a similar nozzle was conducted.The key heating transfer coefficient calculation was corrected with test data,and the method consistent with the nozzle was built.The most serious heating load operation in the real situation was projected by the method,and the relationship between the fuel deposition rate and temperature was obtained,and the deposition characteristics on the nozzle and fuel filter was obtained.The deposition components were analyzed,the performance parameters of fuel sample was load.The improvements of the nozzle thermal instability were proposed.

nozzle;performance;fuel;deposition rate;thermal stability;aeroengine

賈春燕（1970），女，高級工程師，從事航空發(fā)動機(jī)主燃燒室設(shè)計工作。