，，，

(南京航空航天大學能源與動力學院， 江蘇 南京 210016)

0 引言

雙路離心噴嘴由于能實現(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)動機燃燒室內(nèi)得到廣泛應用[1]，當供油量較小時，僅采用副油路供油，隨著供油量增大，主副油路同時開啟，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，易導致冒煙和積碳。因此針對不同結構的燃燒室，應選取不同錐角的噴嘴，從而組織好油霧的空間分布[2]。

針對雙路離心噴嘴，Sivakumar等[3]對其做了開創(chuàng)性的工作，利用高速攝影儀觀測了內(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量比時液膜聚合點外移，反之內(nèi)移；Kim等[4]的大量試驗結果表明，雙路錐角均處于2路單獨噴射錐角之間，并隨著內(nèi)外路液膜的動量比變化，錐角呈相反的變化規(guī)律，同時通過角動量守恒原理對錐角進行預測，且與試驗結果吻合較好；徐順等[5]研究了旋流槽進口的旋轉(zhuǎn)方向?qū)婌F錐角的影響，發(fā)現(xiàn)采用同向關系式預測錐角結果偏差較小。

現(xiàn)由于組織霧化的需要，通常將副油路噴口設計為擴口式，主油路噴口保持為平口式，對該種結構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，通過高速攝影儀采集噴霧圖像，研究各路單獨噴射時錐角的變化規(guī)律，以及不同主副油路供油壓力對噴霧錐角的影響規(guī)律，為此類型噴嘴的設計提供參考依據(jù)。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗模型

圖1a為該離心噴嘴內(nèi)部結構剖視圖，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個旋流槽流入副油路，于通道③旋轉(zhuǎn)流出噴嘴，噴口為擴口式，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 雙路離心噴嘴結構示意

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由供油系統(tǒng)、霧化試驗臺、測量系統(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)出油閥和回油閥實現(xiàn)供油壓力的調(diào)整。測量系統(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，用于測量2路噴嘴進口前壓力，量程為0～4.0 MPa，精度為0.1 MPa；高速攝影儀為美國IDT公司Y5型號高速攝影，具體技術參數(shù)為2 336 px×1 728 px，用于拍攝瞬時噴霧圖像。燃油回收系統(tǒng)包括離心風機和油水分離器，作用是將油霧重新收集。

試驗在常溫常壓中進行，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，拍攝速率設為5 kHz，曝光時間5 μs，實際拍攝像素為800 px×400 px，拍攝的瞬時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 試驗系統(tǒng)

圖3 霧化錐角拍攝及測量示意

2 試驗結果和分析

2.1 主副油路單獨工作試驗結果

主副油路單獨噴射時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

由圖4a可知，噴嘴主油路單獨工作時，隨著壓差從0.3 MPa增大至2.5 MPa時，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]關于平口式離心噴嘴流動的研究，在壓差較小時，液體粘性力占主導地位，出口旋轉(zhuǎn)強度較弱，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，出口旋轉(zhuǎn)強度增強，增大到一定程度時保持不變，同時空氣渦也處于穩(wěn)定狀態(tài)，錐角將保持不變。

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

收擴口式噴嘴近噴口處的流動情況如圖5所示。根據(jù)Kamplade[7]試驗結果，壓差較小時，工質(zhì)貼著擴口壁面流出噴口，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、分離流動出現(xiàn)，空氣回流填充噴口壁面區(qū)域，從而導致錐角減小。壓差進一步增大時，分離點不再前移，流動保持穩(wěn)定、錐角變化很小。

圖5 副油路噴口處流動示意

2.2 主副油路同時工作試驗結果

2.2.1 試驗結果

主副油路壓差均為2.0 MPa時，雙油路離心噴嘴單獨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如圖7所示。圖7a為固定主油路壓差Po時，霧化錐角隨副油路壓差Pi變化曲線，同時標示出了僅副油路單獨工作曲線(即Po=0)。曲線整體趨勢均為隨Pi增加，雙路錐角減小，減小速度具有先急后緩的特點。保持Po在0.6 MPa，調(diào)整Pi從0.5 MPa增至2.5 MPa時，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，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

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，同時標示出了僅主油路單獨工作曲線(即Pi=0)。保持Pi在1 MPa，調(diào)整Po從0.6 MPa增至1.5 MPa時，錐角由81.8°增至90.1°，增長速率逐漸減緩。而Pi從1 MPa增至3 MPa時，錐角增長趨勢不變，同時曲線整體下移，峰值由90.1°減至70.5°，谷值由81.8°減至64.5°。結合主油路單獨工作曲線對比，減小Pi時，雙路錐角增長速率較快，且主副油路動量比越大時，角度愈接近主油路單獨噴射時。

2.2.2 結果分析

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噴射之間，這是由于2股高速液膜同時噴出，根據(jù)伯努利方程可知，高速液膜剪切流動時中心存在低壓區(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，而匯合點位置取決于主副油路的動量比。

圖8 液膜匯合示意

固定Po為某值，增大Pi時，噴霧受內(nèi)路射流影響逐漸增大，錐角愈接近副油路單獨噴射狀態(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，動量較小的主油路射流被拉至內(nèi)側(cè)，當主副油路動量比較小時，液膜匯合位置相對固定，流動也趨于穩(wěn)定，錐角變化不明顯。而增大Po時，錐角曲線整體上移，這是由于主油路液膜動量逐漸占混合液膜中主導地位，峰值愈靠近主油路單獨噴射狀態(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結果[5,8]，錐角變化幅度更為明顯；不同于前人結果，當主副油路動量比較小時，錐角仍有所變化。

在此基礎上，采用經(jīng)典理論公式計算理論錐角值，并結合試驗結果對比分析。試驗中采用的噴嘴切向槽入口均為逆時針旋轉(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，認為內(nèi)外液膜的摻混過程可以簡化為非彈性碰撞過程，過程前后的射流速度遵循動量守恒，假設液體為無粘液體并忽略體積力的作用，可得錐角α關系式為

(1)

q為出口流量；u為出口軸向速度。下標i表示內(nèi)路，下標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[11]總結的經(jīng)驗關系式計算出口液膜厚度t為

(3)

μ為液體粘性；ΔP為進出口壓差。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。

當主油路壓差為1 MPa時，隨副油路壓差變化的錐角理論計算與試驗對比結果如圖9所示。由圖9可知，理論結果均高于試驗結果，副油路壓差越大時試驗錐角下降很快，而理論關系式結果隨壓差降低緩慢。

圖9 理論與試驗錐角結果對比

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

3 結束語

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

a.單獨工作時，主油路錐角大于副油路，壓差增大時，主油路錐角快速增加，流動穩(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.主副油路同時工作時，由于2股射流間低壓區(qū)的存在，雙路錐角處于單獨噴射錐角之間，2 MPa時雙路錐角為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，峰值和谷值均大幅增加，主/副油路動量比極大時，愈接近主油路單獨噴射狀態(tài)。同時傳統(tǒng)預測關系式由于忽略了徑向速度分量導致數(shù)值較試驗結果偏大。