飞行器动力工程《专业综合设计与制作》课程实践报告

1、专业综合设计与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3二、专业设计与制作的对象描述4三、专业基础理论及专业设计原理5四、专业设计方案及方案分析151.设计方案171)喷嘴壳体182)旋流器183)旋流室184)喷口182.方案分析19(1)喷雾锥角p19(2)喷雾射程L20(3)雾化粒度20(4)雾滴尺寸分布21五、方案实施23六、产品说明24参考文献26一、小组团队成员具体工作Number1：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：燃油喷嘴设计理论分析、设计方案可行性

2、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：燃油喷嘴改进目的与意义分析、方案实施讨论、论述设计产品所能达到的性能指标。二、专业设计与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。环管式燃烧室。有10个全气膜冷却火焰筒，筒壁用7段气膜冷却。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

3、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。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

4、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与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，并在火焰筒内与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

5、，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p喷雾锥角p是影响主燃区燃油分布的主要因素。通过试验获得喷嘴锥角随供油压力的变化规律：p过小，使油过于集中在火焰筒中心线，会出现局部富油束，导致燃烧不完全，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p过大，燃油会达到壁面，在壁面集结，引起壁面的局部高温，产生火焰筒壁变形或烧蚀，降低了火

6、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)使燃油与周围介质气体产生

7、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、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与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

8、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与液雾平均直径（SMD）成正比，SMD增大，点火变得非常困难；（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

9、，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；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，并与其后进入的空气

10、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

11、，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，最后蒸发并参与燃烧放热，将燃料能转换为热能。压力雾化喷嘴的压力首先是为了让燃料离开喷口时与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

12、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，可以在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

13、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根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为不计粘性是，流体的栋梁矩守恒，故有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，其值为取轴向长度为1的环形微元体，其质量为微元体旋转式产生离心力正好与径向压力差相平衡，故有积分得 “空穴率”表示喷嘴内空气核的大小，用表示根据连续方程 流量和流量系数最大流量原理 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 喷雾锥角公式：只与或A有关，与无关双油路离心式喷嘴（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

14、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3. 燃烧室调试时容易修正4. 机械上刚固1. 燃油分布随供油压力而变化，因而不宜控制出口温度分布2. 燃烧室在高压下，工作时容易冒烟，热辐射量大3. 供油压力变化大4. 结构复杂，成本高5. 底油压实雾化质量差蒸发管式喷嘴1. 预混、不易积碳，不易冒烟2. 只需要低的供油压力3. 燃油分布在很大程度上有气流控制，不受燃油流量限制，出口温度场较易控制4. 结构简单，成本低1. 火焰稳定范围相当窄2. 需要辅助点火系统3. 燃油控制点火系统4. 设

15、计和调试困难5. 工作于高温燃气包围中，机械上可靠性差气动喷嘴1. 排气冒烟小2. 出口温度分布不敏感，易控制3. 不需要高的供油压力4. 机械上刚固1火焰温度范围窄2. 雾化质量受气流速度影响显著，低速时，燃烧性能不良直射式喷嘴1 结构工艺简单2 布局容易3 当相对气流速度超过100m/s，雾化质量好4 流动损失小5 火焰稳定范围宽1 雾化质量差2 单个喷嘴散播面窄3 多个喷嘴（或多个孔）供油量不易保证均匀4 需要掺混段长5 容易形成积油，引起爆燃由此可见，燃油喷嘴性能的优劣是航空发动机设计研发中的一个相当重要的问题。四、专业设计方案及方案分析航空燃机的供油方式的改进对燃烧室性能的改善起到了

16、很重要的作用。供油装置的改进大致分为以下几个阶段：最简单的供油方式是直射式喷嘴。虽然其雾化质量差且喷雾锥角较小，但可以采用多点喷射的方式来改善油雾分布不均的缺点，故此种供油方式在加力燃烧室得到广泛应用。在主燃烧室的应用主要是与蒸发管配合使用。单油路单喷口喷嘴也是一种较为简单的供油方式。该喷嘴在压力达到一定程度时雾化良好。由于该喷嘴是只有一条油路，其燃油调节能力小，低压下雾化质量差，目前主要应用于小型发动机。双油路双喷口喷嘴是对单油路喷嘴的一个改进。由于其良好的工作性能，使该型喷嘴在世界上尤其是国内得到长期使用。在该喷嘴中采用两条油路设计，两条油路的流量有明显差异，克服了单油路燃油调节能力差的缺

17、点，保证燃烧室的点火可靠性和宽广的燃烧范围。副油路设计采用小喷口小流量，保证了小工况下燃油的雾化质量。与离心喷嘴同时应用于航空发动机上的还有蒸发管式供油方式，但在应用早期就出现如烧蚀、积炭等技术故障，以致其停止应用。后经英国罗罗公司的改进，使其在多个机种的发动机上应用。随着高温升、高压比发动机的发展，压力雾化喷嘴在使用中也出现了一些缺点。如喷雾锥角受高压气流的影响变小，从而改变主燃区燃油浓度分布，使燃烧室出口温度场热点过高，影响涡轮叶片的寿命。使用重质燃油会导致燃烧室冒烟、积炭以及壁面高温烧蚀等。空气雾化喷嘴在适应高压比、高温升燃烧室较压力雾化喷嘴有突出的优点。为了在较短的区域内快速燃烧，达到

18、缩短燃烧室长度减轻发动机重量的目的：提高点火可靠性以及扩大稳定燃烧范围；低污染低排放要求。多项更高要求促使另一种供油装置的出现，即组合式空气雾化喷嘴。组合式空气雾化喷嘴将喷嘴与旋流器作为整体进行设计实验。喷嘴可以为直射式、离心式、或液膜式，旋流器可为单级，双级或多级。采用此种供油装置。它具有工作范围宽，稳定燃烧范围广，点火可靠性高、出口温场品质好以及污染低等优点。燃烧室内很高的温升给供油装置带来了苛刻的工作环境。燃油喷嘴内的燃油在温度升高后会发生裂解、积焦以致堵塞油路，缩短燃油喷嘴的工作寿命。因此发动机喷嘴要采取隔热措施，降低喷嘴内燃油温度。WP6发动机燃烧室燃油供给系统主要采用压力雾化喷嘴，

19、我们组设计的组合式空气雾化喷嘴是一种集压力雾化喷嘴和空气雾化喷嘴两者优点的新型燃油雾化器。它的特点是在起动和低功率状态下，燃油仅由压力雾化系统供给；而在大功率状态下，部分燃油仍由压力雾化系统供给，大部分燃油则由空气雾化系统供给，这样就避免了单纯空气雾化喷嘴的点火困难、贫油熄火范围窄的弊端，保证了火焰筒头部的气流结构和燃油浓度分布，从而获得宽广的工作范围，提高了燃烧质量和效率。1.设计方案组合式空气雾化喷嘴组合式空气雾化喷嘴的主要构件和工艺特点1)喷嘴壳体悬臂结构，起火焰筒定位和支承作用，要求足够强度和刚性，能抗振；（1）喷嘴体尽可能流线形，以减少流阻；（2）喷嘴头部采用适当的吹除积炭措施，如端

20、面小孔和径向孔隙。2)旋流器旋流槽尺寸一般在0.352mm之间，光度为1.6，出口边缘保持锐边。旋流槽或旋流孔数一般为36个，多为5个。槽数多，燃油分布均匀，涡强亦大，但槽多，其尺寸过小。3)旋流室（1）一般为圆柱形。对于锥面螺旋槽，旋流室为向喷口过渡的锥体；（2）旋流室直径多为412mm，旋流直径与喷口比Rrc=1.56范围；（3）旋流室长度一般在38mm范围；（4）旋流室出口锥角2约为5090度；（5）旋流室与旋流器的配合间隙应控制在O.Olmm范围；（6）表面粗糙度约在08以下。4)喷口（1）喷口和旋流槽的尺寸和精度对流量和喷雾锥角起决定作用，并决定喷嘴的流量均匀性；（2）喷口直径通常为

21、0.45mm，公差为0.05mm；（3）喷口长度影响喷雾锥角，与喷口半径之比可在0.152.0之间选择；（4）喷口通过研磨，光度要求小于0.4，并保持锐边；（5）喷口与旋流室和主副喷口之间的同轴度要求在0.010.03之间。2.方案分析评定燃油喷嘴工作特性的主要参数如下：(1)喷雾锥角p。喷雾锥角p。的大小对燃烧过程有重要影响。因为在很大程度上它决定了燃料在燃烧空间的分布。对大型燃烧室，燃油不易与空气混合，p应取大些，一般p=90°120°。过大时油滴会喷到壁上，造成壁面过热。对小型燃烧室，p=50°80°为宜，过小的p会使燃油过多地喷射到回流区中，发生

22、析炭，使排气冒烟加重。(2)喷雾射程L喷雾锥角p和喷雾距离L当喷嘴沿水平方向喷射油雾时，喷雾距顶部实际达到的那个平面与喷口端面之间距离称喷雾射程工。当最前面液滴丧失动能时，其所能达到的距离称为最大喷雾射程。通常所谓喷雾射程均指最大喷雾射程。对于分布很广、雾化很细的油滴来说，其射程比较短，密集的喷雾距由于从周围吸入参与喷雾距运动的空气量较少，因而射程较远。图示出了p、L。(3)雾化粒度雾化粒度表示了雾化颗粒尺寸大小。由于油滴尺寸各不相同，因而引入了液雾平均直径的概念，即是用一假想的液滴尺寸均一的液雾来代替原来的液雾，而保持原来液雾的某种特征量不变。最常用的液雾平均直径是索特尔平均直径SMD，它是

23、用一个假想的都是SMD直径的液滴群来代替原来的燃油液雾，该液滴群与原液雾的总体积和总表面积相等。由此推出： SMD=nD3nD2上式中，以n为直径D的液滴个数。SMD是目前最常用的描述喷雾雾化粒度的表达式。SMD越小，液滴越细，越易蒸发和燃烧，因为按上述定义，可以得出液雾雾滴的总表面积A和雾滴总体积V的关系为A=6VSMD，由此可见，SMD越小，其总表面积越大，蒸发也就越快。另一个常用的平均直径就是质量中间直径MMD，其物理意义为：比该质量中间直径小的雾滴和比它大的雾滴的累积质量各占总质量的一半，即是累积质量为50时所对应的油珠直径称为中间直径。MMD亦广泛应用。(4)雾滴尺寸分布液雾平均直径

24、只代表了雾化粒度，液雾中不同大小的雾滴尺寸分布状况也对燃烧性能有重要影响，它表征了液雾另一个重要特征。图示出液雾典型尺寸分布图，D为雾滴直径，N为雾滴的数量。雾滴尺寸分布工程上最常用的是R-R分布(Rosin Rammler)，其分布函数为 1-exp式中，V为累积分布，即尺寸小于D的雾滴体积占液雾总体积的分数；D为雾滴尺寸分布中某个特征直径；为雾滴尺寸分布指数，表示雾滴尺寸分布的均匀性。当D=时，V=0632，因此是V=0632时的雾滴尺寸；当V=05时，D=MMD，由此可以得出：MMD=由此，RR分布为雾滴尺寸累积分布曲线图示出按RR分布规律绘制的雾滴尺寸累积分布，其中包括几个特征不同的液

25、雾。N=4与N=2相比，N=4的液雾散布范围窄，即大尺寸的液滴少，小尺寸的液滴也少，N=2的液雾尺寸散布宽，大尺寸液滴多，小尺寸液滴也由RR分布，可以推导出MMDSMD只是尺寸分布函数N的函数，即MMDSMD=NN-1（2-1N）（0.693）1N式中，为伽玛函数。已知SMD或MMD，可以找出大于和小于某一特定直径的液滴所占有的容积百分数。对压力雾化喷嘴雾化数据及液滴尺寸分布进行归纳，一般认为MMDSMD1.2，并且指出，要计算液滴尺寸分布，需同时考虑平均直径和分布系数。五、方案实施组合式空气雾化喷嘴：(见附录) 1. 喷嘴壳体：悬臂结构，起火焰筒定位和支承作用，要求足够强度和刚性，能抗振；（

26、1）喷嘴体为流线形，以减少流阻；（2）喷嘴头部采用适当的吹除积炭措施，如端面小孔和径向孔隙。2.旋流器：（见附录1）旋流槽尺寸0.5mm，光度为1.6，出口边缘保持锐边。旋流槽数5个，燃油分布均匀，涡强亦大。3.旋流室：（1）锥面螺旋槽，旋流室为向喷口过渡的锥体；（2）旋流室直径多为8mm，旋流直径与喷口比Rrc=5；（3）旋流室长度一般在6mm；（4）旋流室出口锥角2约为75度；（5）旋流室与旋流器的配合间隙应控制在0.01mm范围；（6）表面粗糙度约在08以下。4.喷口：（见附录2）（1）喷口和旋流槽的尺寸和精度对流量和喷雾锥角起决定作用，并决定喷嘴的流量均匀性；（2）喷口直径5mm，公差

27、为0.05mm；（3）喷口长度影响喷雾锥角，与喷口半径之比为2.0；（4）喷口通过研磨，光度要求小于0.4，并保持锐边；（5）喷口与旋流室和主副喷口之间的同轴度要求在0.02。六、产品说明该喷嘴是一个双路离心式喷嘴。喷嘴壳体内有主、副两条油路，互相独立，并有各自的旋流器和喷嘴。当供油量较小时，供油压力较低，仅副油路供油，从面积较小的中心喷口喷出；当供油量较大时，供油压力升高，主、副油路同时供油，从环形主喷口和中心喷口同时喷油。因而使供油量的变化范围大大提高，既可满足大功率状态供油需要，又可以防止低功率状态燃油雾化不良的情况。为了防止喷嘴积炭，在外罩上开有吹除积炭小孔，从压气机后来的高压气体经小孔，产生预旋，从喷嘴喷出。这样，一方面有助于燃油雾化，又可以吹除沾附在喷嘴上的燃油，防止积