毛杨军

摘要：航空发动机内的燃料喷嘴堵塞会影响燃烧性能和排放。为准确地筛选出堵塞超标的部件，需要定期进行测试。首先分析了小孔流道堵塞的检测机理和关键点，再比较分析了几种常见的气体流量测量方法，根据待测流道的检测需求确定最佳的方法，据此设计了音速喷嘴流量测试装置，具有操作简单、多流道、精度高和维护少等特点。

关键词：航空发动机;小孔流道堵塞;检测机理;气体流量测量方法

1  概述

航空发动机内部如燃料喷嘴、轴承润油喷嘴、透平喷嘴和透平冷却孔等多处存在毫米级或以下的小孔流道，这些流道会因空气或燃料中的杂质而出现不同程度的堵塞，严重影响燃烧性能、轴承寿命、发动机出力和高温热部件的寿命等。因此，需定期对各流道的堵塞程度进行测试，准确地筛选出超标的部件以清洗或更换。然而目前全球范围仅有少数厂家有能力从事该项检测工作，国内对该领域的检测依旧是采用孔板法[1]，技术落后完全不能满足使用要求。

2  小孔流道堵塞检测机理

小孔流道堵塞后会使流道的通流能力发生改变，即单位时间内通过流道的流体体积或质量的能力[2]。通流能力最常用的表示方法是有效面积法[3]。有效面积是指在通流能力与待测流道等效的节流孔的截面积[4]，以Ae表示，计算公式如下：

P3-被测部件上游侧的压力，Pa;

Gc-引力常数;

γ-气体比热比;

P4-大气压力，Pa;

R-气体常数，J/（mol*K）;

T3-测量元件上游温度，°R;

qm-质量流量，kg/s。

当测试用的气体选定之后，γ和R值为定值，Gc为常数，P4为测试现场大气压，P3由待测部件的流道结构确定，取值为恒定倍数的P4，T3可视为常数，Ae与qm为线性正比关系，因此，可将堵塞检测工作简化成测量通过待测部件质量流量。当流道堵塞时，有效面积会减小，即质量流量会减小。通常规定测得通过待测部件的质量流量比同等环境条件下测得新部件的值减小控制在10%范围内作为判断依据。

3  常见的气体流量测量方法

气体的质量流量由以下公式计算：

ρ-气体密度;v-气体流速;A-测量元件横截面。

由于气体可被压缩，密度受温度或压力变化大，速度受外界因素影响波动大，可见，气体流量的精确测量仍是一个难题。

3.1 常见流量方法

节流件的应用是最为普遍的气体流量测量方法，主要有孔板、文丘里管、音速喷嘴和层流元件等，其中孔板和文丘里管属于传统节流件，音速喷嘴和层流元件属于新型节流件。

3.1.1 传统节流件

标准孔板是一块圆形的、中心开孔、边缘无倒角的薄金属板。当气流快速流经孔板的薄壁小孔时，由于流体的惯性作用，使通过节流孔的流体形成一个收缩面，然后再扩大，这一收缩和扩大的过程便在孔板的上下游侧产生一个很大的静压差，同时产生了局部能量损失。根据伯努利方程和连续性原理，可得流经孔板的气体质量流量为：

C-节流件流出系数;

ε-节流件可膨胀系数;

d-节流孔径;

β-d与上游管道内径比;

Δp-上下游压差，Δp=p1-p2;

ρ-节流件入口气体密度。

与标准孔板不同的是，文丘里管结构增加圆柱形入口段、圆锥形收缩段、圆柱形喉段和圆锥形扩散段，具有更小的压损，并自带取压孔。文丘里管利用文丘里效应测量气体流量，即气体在通过喉段时，流速增大，该流速与喉部断面成反比。流经文丘里管的气体质量流量仍可沿用式（3），但参数流出系数和可膨胀系数的取值不同。

3.1.2 新型节流件

音速喷嘴是一种新型的节流件，也被称为临界流文丘里管。也是利用文丘里效应，但在文丘里管上作了结构改进，达到不一样的效果。主要由一个平滑的圆形入口段，汇聚到最小喉部，并沿着较长的压力恢复段发散，如图2所示。

当在最小面积的喉部达到的最大气流速度为1马赫时，因为喉部速度最高且方向相反，下游压力扰动不能通过喷嘴喉部向上游移动，所以下游的气流波动不能影响通过喷嘴的流速或流量密度，被称为音速状态，此时通过音速喷嘴的质量流量为：

A-音速喷嘴的喉部面积，m2;

c-氣体临界流函数，按式（5）;

P入口-音速喷嘴入口的气体绝对压力，Pa;

T0-音速喷嘴入口气体绝对温度，K。

当测试用气体确定时，k和R为常数，则c为常数，T0可视为常数，因此通过音速喷嘴的质量流量与入口压力为线性正比例。

层流元件为另一种新型节流件。由许多平行捆绑在一起的细长的小直径管道组成，通过每根管道的流量减少，从而将气流雷诺数保持在低水平，使流动成为层流，最小化上、下游压力损失，解决了传统节流件因气流紊流而导致的大压损和上、下游侧的压力难以精确测量等问题，极大地提供测量精度，如图2所示。

通过层流元件的气体质量流量为：

μ-气体粘度，l-层流元件长度。

当层流元件确定时，通过层流元件的质量流量与其压差为线性正比例。

3.2 各节流件对比

各节流件特点不同，气体测量的效果也不同，应用对比如表1。

4  节流件选择和测试系统设计

4.1 节流件的选择

航空发动机内的小孔流道待测质量流量值很小;每个燃料喷嘴的堵塞程度不同流量值也不同，流量范围较广;适应多种流道的测量;测量精度要求高。标准孔板的压损最大，紊流程度最严重，因此测量的精度最低，测量的范围也最小;文丘里管较孔板压损小些，紊流程度有所改善，但鉴于测量原理知测量的范围仍较窄，且尺寸大、精度不足，安装条件严苛，一般只适用大管道流量的测试场合;层流元件的最大特点是具有最小压损，因此测量的范围最广，气流处于层流态，精度明显提高，且尺寸小，应用越来越多广泛，但音速喷嘴在尺寸、精度、原理、维护和操作等方面更具优势，特别适用于极小流量的高精度的测量场合。

4.2 音速喷嘴流量测试装置

为满足航空发动机小孔流道的流量测量需求，专门设计了音速喷嘴流量测试系统，如图3所示。主要由过滤器1、调压阀、压力表、五通阀4、音速喷嘴5、压力表6、温度计7、待测部件8和压力表9组成。该测试系统四个不同规格的音速喷嘴，满足不同流道的测试需求，各个流道的切换通过部件4来实现。每次测试时，只需记录部件3的P1值，操作非常方便，每次测试的时间很短，加之音速喷嘴具有良好的测量精度，现该项研究已成功应用到多个航空发动机改地面燃机的大修服务项目中，取得了显著效果。

5  结束语

本文从分析航空发动机小孔流道堵塞的检测机理入手，确定流道的流量测量这个关键点，随后比较分析了孔板、文丘里管、音速喷嘴和层流元件传统与新型节流件的流量测试方法，发现音速喷嘴在精度、操作性、流量范围和尺寸等方面独具优势，最终设计了适用于航空发动机小孔流道堵塞程度测试的音速喷嘴流量测量系统，为其它类型流道堵塞检测提供技术参考。

参考文献：

[1]邹斌，等.燃气发动机喷嘴喷气流量测量方法研究[J].武汉理工大学学报，2015，37（1）：55-59.

[2]蔡武昌.流量测量方法和仪表的选用[J].北京：化学工业，2001.

[3]王池，等.流量测试技术全书[M].北京：化学工业，2012.

[4]鲍洋洋，等.压缩空气流量测量方法分析[J].通用机械， 2012，33（8）：92-95.