小型航空发动机气动雾化喷嘴雾化特性研究

【类型】学位论文

【作者】衡思江 

【关键词】 小型航空发动机 预膜雾化 雾化特性 点熄火特性 平面激光诊断系统 模化实验

【摘要】随着航空发动机的发展,对发动机的推力、效率以及污染物排放都提出了更高的要求。为满足发动机的这些需求,燃烧室需要更高温升和更低的污染物排放。由于燃烧室温升的提高,需要提高燃烧室的整体当量比。燃油流率和参与燃烧的空气量都增加。这需要燃料与空气在头部能够更有效地掺混；燃油流率的增加需要喷嘴有更大的燃油调节比。此外,小型高性能航空发动机对高空性能的要求也逐步提高要求。在高空工作状态下,需要燃烧室在小燃油流量,低油气比(即大空气流量)条件下有良好的燃烧性能,这需要喷嘴在前述工况下有良好的雾化性能。气动雾化喷嘴由于其良好的油气掺混性能在先进航空发动机上被广泛应用。对于小型发动机,旋流杯结构有较多应用。但由于旋流杯中心包含一个压力喷嘴,在燃油压差较低时,旋流杯的雾化特性更接近压力喷嘴,雾化效果较差。此外,中心压力喷嘴的安装精度对雾锥中液滴粒径和燃油空间分布等雾化性能也有显著影响,进而影响燃烧室出口温度分布。采用完全气动雾化喷嘴可以规避旋流杯固有的一些缺点。然而喷嘴的雾化特性受结构和气动参数的影响比较复杂,对其雾化机理的认识不能满足气动雾化喷嘴的设计要求。因此本文的工作从以下几个部分展开：针对小型航空发动机的工作状态以及结构特点,设计一种完全气动雾化喷嘴,研究其雾化性能和模化实验方法；针对雾化性能和点熄火性能与旋流杯喷嘴进行对比。主要的研究内容和结论如下：1)通过文献调研,以及对小型航空发动实际工作状态、燃烧室结构的考虑,本文设计了一种内通道式预膜雾化喷嘴作为研究对象。CFD结果表明,喷嘴在某小型航空发动机地面最大推力状态下的总压损失小于2.5%,且能够形成中心回流区,有助于火焰稳定。2)采用激光粒度仪及平面激光诱导荧光测试系统对内通道式预膜雾化喷嘴的雾化性能进行了实验研究。结果表明,内通道式预膜雾化喷嘴的油雾Sauter平均直径(SMD)主要受空气速度Uα的影响,空气/燃油质量比AFR的影响较小。粒径R-R分布系数n在实验工况范围内较小,粒径尺寸分布范围较宽。分布系数n随着Uα和AFR的增加逐渐减小。雾化锥角度随Uα或AFR的增加而略有减小。粒径的分布规律反映了快速型雾化机理特点。由此确定了采用保持空气平均速度Uα及燃油/空气质量比AFR不变的模化方法。在模化工况下,雾锥角度变化在误差范围内,约为60。。3)对旋流杯喷嘴和内通道式预膜雾化喷嘴的雾化特性进行了对比分析。研究发现,对于内通道式预膜雾化喷嘴,油雾SMD对空气速度Uα的敏感程度高于旋流杯,而对AFR的敏感性低于旋流杯。燃油流量对内通道预膜喷嘴油雾的空间分布影响较小,而对旋流杯喷嘴的影响显著。与旋流杯相比,在内通道式喷嘴产生的雾锥内部,燃油浓度分布沿径向变化较小。4)比较了旋流杯喷嘴和内通道式喷嘴的点熄火性能。实验结果表明,旋流杯喷嘴在旋流空气速度Uα较小时,点火性能优于内通道式喷嘴,但内通道式喷嘴随着Uα的增加,点火油气比迅速降低。两种喷嘴的熄火油气比都随着Uα的增加而增加。内通道式喷嘴的贫油熄火油气比随Uα变化更剧烈。在Uα较小时,内通道式喷嘴的贫油熄火油气比低于旋流杯。随着Uα的逐渐增加,内通道式喷嘴熄火油气比将高于旋流杯。5)内通道式预膜雾化喷嘴点火性能受油雾SMD制约,而熄火性能受燃油空间分布特性制约。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】中国科学院研究生院(工程热物理研究所)

【学位授予年度】2016

【导师姓名】徐纲

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