李炜 王璐 谢芳

摘 要：回油离心式喷嘴作为单油路离心喷嘴的一种特殊类型，具有在较宽的燃油量变化范围内维持良好雾化质量的特点，因此在小型发动机上具有一定的应用前景。目前，相对于离心喷嘴，回油离心式喷嘴的设计方法成熟度相对较低，国内外公开发表的文献中对回油喷嘴的试验研究也较少，本文以某型回油喷嘴为研究对象，研究定进油流量情况下进、回油压力、喷雾锥角、燃油周向分布不均匀度及雾化质量随回油孔有效面积的变化规律，为后续回油喷嘴的设计和计算提供支持。研究结果表明：在保持进油流量不变的情况下，增加回油孔有效面积，进油压力和回油压力均减小，但进、回油压差基本不变；喷雾锥角和分布不均匀度均增大，雾化粒度变化很小。

关键词：回油喷嘴；回油流量；进油压力；回油压力；喷雾锥角；燃油周向分布不均匀度；雾化质量

中图分类号：TK472 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0075-03

燃油喷嘴是航空发动机燃烧室的关键部件，其作用是将液体燃料雾化，加大燃料的表面积，如此可提高燃烧时热和质的交换速率，加快燃烧过程，提高燃烧室性能。燃油喷嘴通常按照雾化原理的不同分为压力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴、旋转喷嘴和蒸发管式喷嘴等。

目前航空发动机上应用较多的燃油喷嘴类型为压力雾化喷嘴和空气雾化喷嘴。其中，压力雾化喷嘴的工作原理是将压力转化为动能，使燃油旋转运动，最终达到雾化的效果，其主要包括直射式喷嘴、离心式喷嘴（又分为单油路喷嘴和双油路喷嘴）和回油喷嘴[1]。离心式喷嘴的雾化主要是依靠燃油的供油压力，燃油在油压驱动下通过专门设计的喷嘴内的旋流孔或槽，在喷嘴内产生旋转，以旋转液膜的形式喷出喷口。但离心式喷嘴的一个主要缺点就是在小油量供油时，由于供油压力低，不能保证良好的雾化锥角和燃油雾化质量。

回油离心式喷嘴作为单油路离心喷嘴的一种特殊类型，在单油路离心喷嘴的基础上在增加了一个回油通道并通过改变回油路流通面积以改变油量，使超过燃烧要求的多余燃油经过这个通道返回到燃油腔，而喷口前油压基本不变，这样可以保证通过旋流室内的燃油流速较高，使旋流室内的燃油保持强旋流状态，在较宽的燃油量变化范围内，能够维持良好的雾化质量[2，3]，因此在小型发动机上具有一定的应用前景。

目前，相对于离心喷嘴，回油喷嘴的设计方法成熟度相对较低，国内外公开发表的文献中对回油喷嘴的试验研究也较少。本文以某型回油喷嘴，在保持进油量一定的情况下，通过改变回油路流通面积来调节回油量，进行了性能试验研究，为后续回油喷嘴的设计和计算提供支持。

1 试验件

以某型回油喷嘴作为研究对象，该喷嘴主要由喷嘴体、喷口、分流阀等组成，其结构示意见图1。该型回油喷嘴的工作原理为：燃油通过进油孔进入后，经分流阀上的旋流槽后加速旋转，在旋流室内形成强旋流。一部分燃油通过回油孔返回油箱，余下燃油经喷口小孔喷出，在火焰筒头部形成雾锥，参与燃烧。采用这种调节方式，在小油量时，能保证经过旋流室的总油量较大，有利于改善小油量状态下的燃油雾化质量，因此在各工作状态下，均能够得到良好的雾化效果。

2 试验设备及测量方法

本试验系统由燃油加温冷却装置、燃油供油系统、喷雾锥角测量装置、VXI数采系统、图像处理系统、电气与控制系统等组成，试验系统及测试方法概图如图2所示。

喷雾锥角测量方法采用计算机图像法，在距离喷口30mm位置进行测量，燃油周向分布不均匀度由12等分周向分布器测量，每份燃油量通过管道流入对应的电子秤进行称量，再由公式（1）进行计算得到。

（1）

式中Wfmax和Wfmin分别为12个分布电子秤所得的最大燃油质量和最小燃油质量。

3 试验参数

保持喷嘴进油流量Wf=12kg/h恒定不变，通过调节回流阀改变回油孔有效面积（回油路流通面积）来调节回油流量，并进行以下试验。

3.1 流量试验

分别调节回油流量至Wf2=（10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、0）kg/h时，测量录取回油喷嘴的进油压力和回油压力。

3.2 喷雾锥角试验

分别调节回油流量至Wf2=（10.0、8.0、6.0、4.0、2.0、0）kg/h时，在距喷口30mm处，测量录取回油喷嘴的回油压力和喷雾锥角。

3.3 燃油分布不均勻度试验

分别调节回油流量至Wf2=（9.0、8.0、6.0、5.0、3.0）kg/h时，在距喷口30mm处，测量录取回油喷嘴的回油压力和燃油周向分布不均匀度。

3.4 雾化特性试验

分别调节回油流量至Wf2=（9.0、8.0、6.0、5.0、3.0）kg/h时，在距喷口30mm处，测量录取喷嘴液滴直径SMD和液滴分布指数N。

4 试验结果与分析

4.1 流量试验

图3为该型回油喷嘴进油流量Wf=12kg/h恒定不变时，进油压力和回油压力随回油流量的变化关系。由图3可得出以下结论。

（1）在进油量保持不变的情况下，随着回油流量增大，回油压力减小。分析其原因，回油流量增大，回油孔的有效面积增大，反压减小，因此，回油压力减小。反之，在进油量保持不变的情况下，随着回油压力的增大，燃油轴向速度增加，出油量增大，回油量减小。

（2）在进油量保持不变的情况下，随着回油流量增大（喷油量减小），进油压力也减小，这与单油路离心喷嘴的规律相同。

（3）在进油量保持不变的情况下，回油流量增大，进油压力和回油压力的变化趋势基本一致，且进、回油压差基本不变。

4.2 喷雾锥角试验

图4为该回油喷嘴进油量Wf=12kg/h保持不变的情况下，喷雾锥角随回油流量的变化关系。

由图4可得，随着回油流量的减小，喷雾锥角不断减小。这是由于回油流量减小时，由3.1节可知，进油压力增大，喷口处燃油轴向速度增大，喷雾锥角会相应减小，这与离心喷嘴得到的结论是一致的，即当喷口上游压力值增大到一定值后，继续增大会使喷雾锥角减小。

4.3 燃油周向分布不均匀度试验

图5所示为该型回油喷嘴进油量Wf=12kg/h保持不变的情况下，燃油周向分布不均匀度随回油流量的变化关系。

由图可得，随着回油流量的增加（回油压力的减小），燃油周向分布不均匀度增加，这与离心式喷嘴的规律也是一致的。分析其原因如下，根据3.1节，当进油量保持不变时，随着回油流量增加，回油压力减小，进油压力也减小，旋流室内燃油的湍流强度也减弱了，不助于充分混合改善燃油不均匀度分布。

4.4 燃油周向分布不均匀度试验

图6所示为该回油喷嘴进油量Wf=12kg/h保持不变的情况下，燃油液滴直径SMD和液滴分布指数N随回油流量的变化关系。

由图6可知，进油量保持不变时，液滴直径与液滴分布指数随回油流量的变化很小。这是由于回油喷嘴的进油流量恒定，在各状态下，旋流室内燃油的动量较大，燃油的喷射压力也较高，因此始终能维持较好的雾化质量。

5 结语

由于回油喷嘴的回油流量是通过调节回油阀来改变回油孔有效面积（即回油路流通面积）实现的，综上，在进油量保持不变的情况下，增大回油孔有效面积（即回油流量），可得到以下结论：（1）进油压力和回油压力均减小，但进、回油压差基本不变；（2）由于回油壓力减小，进油压力也减小，燃油轴向速度则减小，导致喷雾锥角增大；（3）由于进油压力减小，旋流室内燃油的湍流强度也随之减弱，不助于充分混合，进而导致燃油周向分布不均匀度变大；（4）燃油的雾化质量变化很小，在各状态下均能维持较好的雾化质量。

本文通过试验总结了回油喷嘴在定进口流量情况下，回油孔有效面积的变化对进、回油压力，喷雾锥角、燃油周向分布不均匀度和雾化质量的影响，为后续回油喷嘴的设计和计算提供支持。

参考文献

[1] 甘晓华.航空燃气轮机燃油喷嘴技术[M].北京：国防工业出版社，2006：4.

[2] 侯凌云，侯晓春.喷嘴技术手册[M].北京：中国石化出版社，2007.

[3] Arthur H.Lefebvra，Dilip R. Ballal.Gas Turbine Combustion，Taylor and Francis，1999.

[4] 蔡文哲，刘明华.微型回油式喷嘴设计及雾化试验研究[J].战术导弹技术，2017（6）：57-61.