倒_圆_角进口圆孔流量系数的试验研究

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1、倒 (圆 ) 角 进 口 圆 孔 流 量 系 数 的 试 验 研 究燃 气 涡 轮 研 究 所 郭 成 富 王 秀 兰 王 勇摘要 通过对长径比 L / D = 1. 25 4. 0 、 进口倒 ( 圆 ) 角比 W ( R) / D = 0. 1 0. 5 的 10 组不同 几何参数喷孔的试验研究得出 了 喷 孔 流 量 系 数 C D 与 流 动 参 数 和 几 何 参 数 的 关 系 。 结 果 表明 :进口为圆角或倒角都可大幅度提高其流量系数 , 而 45倒角孔在 W/ D 0. 1 以后 , 流量系数CD对倒角比不敏感 。 推荐在设计喷油杆或喷油环喷孔时优先采用进口 45倒角孔 。关

2、键词 加力燃烧室 喷油杆 喷孔流量系数引言 的 稳 定 性 和 喷 雾 质 量 ; 另 一 方 面 孔 口 稍 有 积炭 或脏物 , 都会影响其 流 量 特 性 1 。 近 些 年 来 出 现一些先进的加工方法 , 如 磨 粒 流 加 工 , 电解 加 工 工 艺 等 , 这 使 得 喷 孔 入 口 有 可 能 改 直角形为圆角或倒角形 。本 文叙述的 是 : 针 对 一 般 喷 油 杆 或 喷 油 环 常用的长 径 比 ( L / D = 1 . 25 4 . 0) , 名 义 孔径 D = 4mm , 不同倒角角度 和倒 ( 圆 ) 角 比 W ( R) / D , 以煤油为介质 , 试验

3、确定不同几何参数和流动条件下 , 喷孔 的 流 量 系 数 。 本 文 没 有给出 一 般 有 关 流 量 系 数 的 通 用 关 系 式 , 其原因是 :影响流量系数的 因 素 很 多 , 与 其 给 出偏差比 较 大 的 经 验 关 系 式 ( 如 文 献 2 ) , 不 如准确地给出试验 结 果 ( 如 文 献 3 、 4 ) , 让 设 计 者 依 据 自 己 的 参 数 范 围 , 从 文 中 查 找 并确定所设计喷孔的流量系数 。1航 空发动机加力燃烧 室 和 冲 压 发 动 机 燃烧 室的喷 油 装 置 大 多 采 用 喷 油 杆 或 喷 油 环 , 其 喷 孔 一 般 都 是

4、简 单 圆 孔 。 在 设 计 喷 油 杆 或 喷油环时 , 需根据喷孔的 流 量 系 数 、 供 油 压 差 和 供油量 来 确 定 喷 孔 的 直 径 和 喷 孔 的 数 量 。 虽 然在某一供油压力下各 喷 孔 流 量 的 一 致 性 需 经 研 磨 调 整 校 准 才 可 达 到 要 求 , 但 作 为 初 始 设 计 参 数 , 喷 孔 流 量 系 数 是 必 不 缺 少 的 参 数之一 。影 响喷孔流 量 系 数 的 因 素 很 多 , 如 雷 诺 数 Re , 喷 孔 的 长 径 比 L / D , 孔 的 进 口 形 状 ( 直角孔 、 倒角孔和圆角孔等 ) 、 孔 的 表 面

5、 粗 糙 度 和孔中有无气穴现象等 。 到 目 前 为 止 , 虽 然 有 些 资 料 给 出 一 些 简 单 的 曲 线 或 数 据 , 但 针 对 喷油杆或喷油环喷孔流 动 情 况 的 数 据 并 不 多 , 大 多 数 是 针 对 涡 轮 气 膜 冷 却 孔 的 流 动 条 件 , 是对可压流而言 。由 于加工方 法 的 限 制 , 目 前 喷 油 杆 或 喷 油 环 喷 孔 入 口 一 般 为 直 角 。 这 种 直 角 孔 虽 然加 工简单是一个优点 , 但 也 有 其 严 重 的 缺 点 :一方面孔口毛刺很难消除掉 , 影响喷孔流量试验件及数据处理22. 1 试验件试 验装置及 试

6、 验 孔 板 如 图 1 所 示 。 来 自 高 压油泵的航空煤油经调 节 阀 和 涡 轮 流 量 计流入试验段 , 然后经试验孔板喷孔喷入与大收 稿 日 期 :1997 - 02 - 26气 压 相 通 的 油 箱 。 试 验 段 进 口 设 置 双 层 整 流微 孔 板 以 保 证 喷 孔 进 口 流 场 均 匀 。 试 验 孔 板 名义孔径 D = 4mm , 共有 10 组 , 其中 9 组长径 比 L / D 分别为 1 . 25 , 2. 5 和 4. 0 , 倒 角 角 度 分 别 为 = 30和 = 45, 倒角比 W/ D 和圆角 比 R/ D 分别为 0. 0 , 0 .

7、1 , 0. 2 , 0. 3 , 0. 4 和 0. 5 ; 另一 组 孔 的 进 出 口 均 为 圆 角 , 其 长 径 比 为 L / D = 4. 0 , R/ D 分 别 为 0 . 0 , 0. 1 , 0. 2 , 0. 3 ,0. 4 和 0. 5 。 其几何 范 围 全 部 包 括 了 喷 油 杆 或 喷油环喷孔所涉及到的几何参数范围 。测得的流经喷孔的实 际 流 量 ; Q喷孔理论 为 流 经喷 孔 的 理 论 流 量 。 由 喷 孔 的 几 何 流 通 面 积A喷 孔 和流经喷孔压差 P , 可求 出 喷 孔 的 理 论 流 量 , 即 Q喷孔理论 = A喷孔 ( 2P/

8、 f ) 0. 5 , 其中 f 为煤油的密度 。流 经 喷 孔 雷 诺 数 的 定 义 是 : Re =( VD) / f = 4 Q喷孔实测 / (3600Df ) 。 Q喷孔实测的 单位是 m3 / h ,f 20 = 1 . 48 10 - 6 m2 / s , D 的 单位是 m 。试验结果讨论33. 1 试验结果综述10 组试验孔板测得的流量系数随喷孔雷 诺数的变化 分 别 表 示 在 图 2 a 、 2 b 2 j 上 。 从 图 中 可 以 看 出 , 不 同 倒 角 角 度 , 倒 角 比W/ D , 圆角比 R/ D 和孔径 比 L / D 条件下 , CD随 Re的变化规

9、律 。 表 1 表 示 对 应 不 同 几 何 参数 , 在 Re 2. 4 104条件下 , 基 本 不 随 Re 而变 化 的 定 常 流 量 系 数 。 文 献 2 用 最 大 流 量 系 数 CDm ax 综 合 经 验 关 系 , 本 文 不 采 用 这 种 方 法表示 , 因 为 CDm ax 仅 仅 对 应 某 一 Re 和 不 存在气 穴 的 条 件 下 , 条 件 稍 有 变 化 , CD 值 将 急剧变化 。 本文将基本的数 据 列 出 , 供 设 计 者 分析采用 , 更为直接和可靠 。图 1 试验装置简图2. 2 试验数据处理喷 孔流 量 系 数 的 定 义 是 : C

10、D表 1 中 C 随 喷 孔 几 何 参 数 变 化 与 文 献D= Q喷孔实测 3 基本相符 。 不同的是 :文献 3 是用空气/ Q喷孔理论 。 其中 Q喷孔实测 为通过涡轮流量计表 1 流 量 系 数 CD 与 几 何 参 数 的 关 系进 口 30倒 角 进 口 45倒 角 进 口 圆 角 进 出 口 圆 角W/ D L / D W/ D L / D R/ D L / D1 . 25 2 . 50 4. 00 1 . 25 2 . 50 4. 00 1 . 25 2. 50 4 . 00 4 . 000 . 0 0 . 612 0. 621 0 . 645 0 . 0 0. 612 0

11、 . 621 0 . 645 0. 0 0. 611 0 . 617 0 . 651 0 . 6260 . 1 0 . 760 0. 768 0 . 782 0 . 1 0. 723 0 . 751 0 . 785 0. 1 0. 739 0 . 771 0 . 784 0 . 7690 . 2 0 . 833 0 . 850 0 . 2 0. 742 0 . 766 0. 2 0. 852 0 . 865 0 . 912 0 . 8350 . 3 0 . 860 0. 887 0 . 881 0 . 3 0. 757 0 . 757 0 . 775 0. 3 0. 904 0 . 900 0

12、 . 947 0 . 9120 . 4 0 . 857 0. 849 0 . 898 0 . 4 0. 771 0 . 764 0 . 775 0. 4 0. 962 0 . 962 0 . 970 0 . 9350 . 5 0 . 894 0. 817 0 . 904 0 . 5 0. 745 0 . 757 0 . 808 0. 5 0. 943 0 . 978 0 . 966 0 . 994为 介质 , 在 不 同 压 比 条 件 下 测 得 不 同 几 何 参数 喷孔 CD 的单值 , 其 压 比 的 定 义 是 喷 孔 上 游 总 压 P1 t 与 喷 孔 下 游 静 压 P2 s

13、之 比 。 本 试 验 研 究是用煤油为介质的不可压流 , P1 t / P2 s 从1. 3 变到 25 , 喷孔的 Re从 0. 6 104变到 12 . 1 104 , 表 1 中所列出的 CD值是在 Re大于某一值 之 后 , CD基 本 不 随 Re 变 化 的 平 均 值 。 从 W/ D 和 R/ D 为零 ( 即直角孔 ) 几组数 据 可 以 看 出 , 几何形状相同的不同试 验 孔 板 的 试 验 结 果 非 常 接近 , 对 同 一 个 试 验 孔 板 的 不 同 次 装 拆 试 验 结果也 非 常 接 近 , 这 也 从 另 一 个 方 面 说 明 试验结果是可信的 。3

14、. 2 雷诺数 和气穴对 CD的影响Re 表示惯性力与 粘 性 力 之 比 , 本 试 验 研 究 以航空 煤 油 为 介 质 , 更 接 近 实 际 应 用 的 情 况 。 Re对 CD的影响 与 其 它 文 献 表 明 的 结 果 是一 致的 。 如图 2a 、 2b 和 2j 所示 。 对应 CD为定常 值的 Re为 2. 4 104 左 右 , 对 应 的 供 油 压 差P 为 0. 1 M Pa左右 。 图中没有给出 CD 的 最 小 值 , 因为 CD 最 小 值 没 有 应 用 价 值 , 而 CD 的 定常值是设计人员最关心的 。 流 体 在 进 入 喷孔 的 过 程 中 有

15、急 转 弯 , 会形 成低静压 区 , 在 区 域 内 有 气 体 或 液 体 蒸 气 从 液体内溢 出 形 成 的 气 穴 现 象 , 局 部 堵 塞 喷 孔 , 使有效面积减少 , 降 低 CD 。 通 常 用 气 穴 数C = ( P1 - P2) / ( P2 - Pv ) 的大小表示气穴现 象的严重程度 , 其中 P1和 P2分别表示喷 孔 上 下 游介质的压力 , Pv表示 介 质 蒸 气 压 力 。 如 果 局 部静压接 近 介 质 蒸 气 压 力 , 就 会 产 生 气 穴 现象 。 试验中产生气穴现 象 的 特 征 是 : 在 某 一个 供油压力以上 , 喷孔 射 流 发 出

16、 嗤 嗤 的 噪 音 ,减少一些流量 , 噪声消失 , 油压突然下降 , 这表 明气穴 消 失 , 流 量 系 数 突 然 增 加 , 从 图 2e和图 2f 中可以看得非常清楚 。 应该说明的是 , 尽 管 进 口 倒 角 或 圆 角 可以 在 一 定 范 围 内 抑 制 气 穴 的 发 生 , 但 雷 诺 数仍 然 会 导 致 流 量 系 数 发 生 变 化 , 完 全 消 除 气 穴的影响是不可能的 。3. 3 倒角角度和倒 ( 圆 ) 比对 CD 的影响 从表 1 和 图 2a 、 2b 2j 可 以 看 出 以 下 几个特点 :(a) 无论喷孔 入 口 30或 45倒 角 , 还 图 3 CD 随 和 W ( R) / D 的变化是 倒斜角或倒圆角 , 在 L / D = 1. 25 4 . 0