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1、专业综合设计及制作课程实践报告专业：飞行器动力工程指导老师：小组成员：日期：年月日目录一、小组团队成员具体工作2二、专业设计及制作的对象描述3三、专业基础理论及专业设计原理4四、专业设计方案及方案分析 151. 设计方案 171) 喷嘴壳体 172) 旋流器 183) 旋流室 184) 喷口 182. 方案分析 19喷雾锥角a 19p(2) 喷雾射程 L19(3) 雾化粒度 20(4) 雾滴尺寸分布 21五、方案实施 22六、产品说明 24参考文献 25一、小组团队成员具体工作Numberl：提出总体改进思路方向、分配组员任务、资料汇总、提 出设计方案、进行方案分析、方案的实施。Number2
2、:燃油喷嘴设计理论分析、设计方案可行性分析、论述设 计所用理论。Number3:燃油喷嘴工作特性影响因素分析、设计方案可行性分析、 设计性能指标分析。Number4：各型喷嘴优缺点分析归纳、资料收集归纳筛选、文字排 版封面、制图、整理打印。Number5：燃油喷嘴发展进程资料收集、总结新型喷嘴的设计方向、 提供设计所需参考。Number6：燃油喷嘴改进目的及意义分析、方案实施讨论、论述设 计产品所能达到的性能指标。二、专业设计及制作的对象描述涡喷-6 发动机构造特点：单转子加力式涡轮喷气发动机。环管飞行器动力工程专业综合设计及制作课程实践报告 式燃烧室。有10 个全气膜冷却火焰筒，筒壁用7段气
3、膜冷却。涡轮 为 2 级轴流式，第 1 级导向器叶片为气冷，其余叶片均不冷却。加 力燃烧室由扩压器、“V”型火焰稳定器、预燃室、燃油总管和直流 喷油杆组成。尾喷管为简单收敛式。本文主要改进涡喷-6 的压气机 来降低涡喷-6 的燃油消耗率的问题。轴流式压气机：空气在轴流式 压气机中主要沿轴向流动。它由转子和静子两部分组成。由一排转子 叶片和一排静子叶片组成一级，单级的增压比很小，为了获得较高的 增压比，一般都采用如图所示的多级结构。空气在压气机中被逐级增 压后，密度和温度也逐级提高。航空发动机被誉为飞机的“心脏”，而燃烧室是发动机的“心脏”， 它同压气机、涡轮一起构成航空推进系统的三大核心部件。
4、在火焰筒头部，主要有燃油喷嘴和旋流器。燃油喷嘴对于火焰筒 性能的影响很大。对于航空发动机燃烧室，燃油雾化质量、液雾蒸发、 运动轨迹和燃油浓度分布对燃烧室各项性能指标有重大影响。雾化质 量差，浓度分布不均匀，喷雾锥角不适当等还将直接影响燃烧室和涡 轮的寿命及耗油量。因此为了提高燃烧效率降低耗油量，我们组选择专业设计及制作 的对象是燃油喷嘴。三、专业基础理论及专业设计原理1. 航空燃油喷嘴的作用是把液态燃油初步加工，使之破裂成数量很多的细小油滴，以一定速度和流量送人燃烧室中的火焰筒，并在火焰筒内及空气掺混均匀成为可燃的油气混合物，为下一步的燃烧反应做好准备。这就要求航空燃油喷嘴能根据发动机的工作状
5、态，稳定、准确、可靠地把一定量的燃油输入到燃烧室中，在较大的工作范围内保证良 好的雾化质量和具备有一定的喷嘴角度，确保适当的油气浓度分布。因此，燃油喷嘴对液态燃油的雾化起着很大的作用，直接影响燃油的 雾化、分布，对火焰稳定和发动机性能有直接影响。(1) 测定组合式空气雾化喷嘴的雾化粒度表示喷嘴喷雾粒度的常用参数是索特尔平均直径SMD。SMD直接影响燃烧室的综合性能，包括燃烧效率、温度场、壁温等。(2) 测定不同工况下组合式空气雾化喷嘴的喷雾锥角ap喷雾锥角a是影响主燃区燃油分布的主要因素。通过试验获得喷嘴锥p角随供油压力的变化规律：a过小，使油过于集中在火焰筒中心线，p会出现局部富油束，导致燃
6、烧不完全，增加了冒烟和火焰辐射，也使燃烧室温度场品质变差；喷雾锥角a过大，燃油会达到壁面，在壁面p集结，引起壁面的局部高温，产生火焰筒壁变形或烧蚀，降低了火焰 筒的寿命。(3) 测定各种飞行工况下双油路共同工作和单独工作的流量特性曲线， 喷嘴在不同工况的供油特性。2. 燃油喷嘴的形式是多种多样的，但是燃油的雾化过程在物理实质上 都是基本相同的。燃油雾化过程可归纳为：(1) 燃油被扩散成很薄的液膜或很细的射流；(2) 由于燃油射流自身的初始紊流以及周围气体对射流的作用，如脉飞行器动力工程专业综合设计及制作课程实践报告 动、摩擦，使燃油表面产生波动、皱褶，并最终分离成燃油碎片或细 丝；(3) 在表
7、面张力的作用下，油膜碎片或细丝变成油珠：(4) 在较大气动力作用下，压缩油珠表面，使油珠变形，进一步使大 油珠破裂变成小油珠。油珠表面张力作用使油珠表面保持球状。3. 喷嘴喷射过程的作用：(1) 使燃油及周围介质气体产生相对运动(2) 让燃油通过专门设计的流路展成膜或细射流，流路可以是窄斜缝 或螺旋槽，或通过旋转运动使燃油在金属表面延展变薄。4. 燃油液雾燃烧过程主要包括：燃油雾化、液雾在气流中的蒸发及运 动、燃油及燃油蒸发在空气流中的散布、混合、扩散以及着火燃烧。 燃油喷嘴的性能好坏是燃烧室能否很好适应各种工作状态的一个至 关重要因素，关系到燃烧室能否稳定工作、能否满足航空发动机使用 要求、
8、影响发动机推力、耗油和工作经济性。5. 燃油雾化质量的影响因素主要包括：(1) 油雾燃烧过程受油雾蒸发时间限制，而燃油蒸发一定质量百分 比所需时间及液滴平均直径的平方成正比。液滴平均直径越大，即雾 化粒度越粗，完成燃烧所需时间或距离越长。这影响燃烧室长短，进 而影响发动机总体尺寸和推重比。现代航空燃烧室要求SMD (液雾 平均直径)50um;(2) 燃油雾化粒度和液滴尺寸分布对燃烧室点火影响相当大。液雾 的最小点火能量及液雾平均直径(SMD)成正比，SMD增大，点火飞行器动力工程专业综合设计及制作课程实践报告 变得非常困难；（3）燃油雾化直径大，排气冒烟增加，发动机排气污染物增加；（4）粗大的
9、液滴在燃烧室中运动时能穿过燃气到达壁面上，引起壁 面局部过热、烧蚀积焦，造成燃烧效率降低；（5）同台燃烧室中多个喷嘴液雾粗细不均，单个喷嘴周向分布不均 匀会造成燃烧室出口温度场不均，局部热区过高，影响涡轮叶片寿命；（6）喷嘴喷雾锥角过大，液滴会打到火焰筒头部壁面，造成头部过 热烧蚀；喷雾锥角过小，使更多液滴集中在火焰筒中心线燃烧，中心 过于富油，燃烧不完全，易于冒烟；（7）燃油浓度分布对燃烧室燃烧效率、火焰稳定、点火、出口稳定 分布、排气污染都有很大影响。浓度过高是出口温场热区产生的主意 原因。6. 航空发动机和燃气轮机用燃油喷嘴从燃油雾化原理上看主要有两 种类型：空气雾化喷嘴，又称为气动喷嘴
10、；压力雾化喷嘴，又称为离 心喷嘴。（1）空气雾化喷嘴 在航空发动机上，利用火焰筒内外空气压力差产生高速雾化气，以破 碎油束或油膜，即是所谓低压空气雾化喷嘴或称气碎喷嘴；利用高压 力差空气的称为气动喷嘴，它用于地面燃气轮机。要实现良好的雾化 需要使用一定的空气流量，这部分空气将雾化的燃料带入燃烧区，并 及其后进入的空气进一步混合和燃烧。在航空发动机燃烧室中，气流 通过空气雾化喷嘴的速度受到火焰筒内外压差的限制。又根据各种不飞行器动力工程专业综合设计及制作课程实践报告 同的结构形式分为预膜式、双旋流式和复合式等气动喷嘴。空气雾化 喷嘴的主要优点是燃油和气流充分的混合、可低压供油、出口温度场 对燃油
11、变化不敏感，发烟少。缺点是稳定燃烧范围窄、点火性能差、 低工况雾化差、高温下可靠性较低。为了克服这些缺点，研发的组合 式喷嘴应用了压力雾化喷嘴，有效地组织主燃区浓度场，扩大稳定 工作范围，降低污染物的排放。(2)压力雾化喷嘴 压力雾化喷嘴的工作原理是：航空发动机上的高压供油泵将燃油从油 箱泵出，通过一个旋流槽将燃油供给到涡流室内，依靠喷口内外的压 力差将燃油压出喷口，利用离心作用，将燃油扩展成很薄的液膜或是 很细的射流，散开成为许多微小的油珠。液膜或射流在运动中由于气 动力的作用，呈现不稳定性，液膜或射流破碎成大大小小的液滴，形 成液雾，最后蒸发并参及燃烧放热，将燃料能转换为热能。压力雾化 喷
12、嘴的压力首先是为了让燃料离开喷口时及周围介质气体形成相对 运动，其次是为了使液体通过特定设计的流路展成膜或是射流。压力 雾化喷嘴又可分为双路单室喷嘴、双路双室单喷口喷嘴和双路双室双 喷口喷嘴。为了适应发动机宽广的燃油流量变化范围，目前广泛采用 双油路压力雾化喷嘴。在小油量时，只打开流通面积较小的副油路供 油，提高了供油压力，改善了雾化质量。当供油量增加时，打开流通 面积较大的主油路，使最大供油量的油压不超过燃油系统的可靠工作 范围，既保证了小流量时雾化质量，也满足了发动机的燃油流量变化 要求。为了避免在主油路打开后流量陡升，影响燃烧的稳定性，可以飞行器动力工程专业综合设计及制作课程实践报告 在
13、主油路上增加调压活门，即随着油压的升高，节流活门的面积逐渐 增大。（3）直射式喷嘴a结构J”b. 特点：（1）结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便（2）雾化角度小，雾化质量差（3）多用于动力燃烧室、冲压发动机等c. 流量公式4）离心式喷嘴a. 离心式喷嘴的结构和工作过程b. 离心喷嘴理论1944 年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论基本假设：1. 流体为无粘性的理想流体；2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度3. 喷嘴处于最大流量状态工作。c. 离心喷嘴工作原理计算切向速度和空气涡核离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程11p +0 U 2 + D U 22 f x 2 f e二 Pin1+ D U
14、22 f in二 H 二 const0根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为u = m /np 兀r 2 丿in f f in不计粘性是，流体的栋梁矩守恒，故有m u R = m u rf in s f e轴向速度由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆 环形，其值为F =兀、2 一 r2丿0a取轴向长度为 1 的环形微元体，其质量为dm = 2 兀 rdr p 彳微元体旋转式产生离心力正好及径向压力差相平衡，故有积分得u 二 const （与r无关）x“空穴率”表示喷嘴内空气核的大小，用表示根据连续方程流量和流量系数mf = ux 皈普 Pf =叽红；2 AHpf1/ A21
15、：T一I + 石A2 1+ - 2-1/2=0最大流量原理2先 |_1 -A 二 G *)/%1* 2/2雾化锥角雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定m 0 aa2As切寸二1 + L1 1 +1 喷雾锥角公式：二 2arctg只及 或 A 有关，及 p 无关 f 双油路离心式喷嘴眄刑J#】E300双路离心喷嘴结构图2幫M双路离心喷嘴结构图3 Spey双路离心喷嘴结构图4 即曰双路离心喷嘴结构图5）蒸发管式喷嘴特点：蒸发管燃烧室的燃烧效率较高，不冒烟，辐射少，出口温度场较均匀稳定。存在的问题主要是火焰稳定期限较窄，以及高压下工作是，蒸发管壁有过热器烧蚀的危险6）甩油盘式喷嘴喷嘴类型优点缺点离心喷嘴1. 火焰稳定范围宽2. 燃油控制反应快1.燃油分布随供油压力而变
