氣液2相離心甩油盤設計

蔣雪輝

（北京動力機械研究所，北京100074）

氣液2相離心甩油盤設計

蔣雪輝

（北京動力機械研究所，北京100074）

為了進一步減少微型渦噴發動機零件數目，降低成本，設計了1種氣液2相離心甩油盤。在甩油盤設計過程中借鑒了氣液2相泵的設計方法，設計了1組葉片用來提高甩油盤的加壓能力，并在供油管路中供入空氣用來防止氣蝕。對所設計的甩油盤進行了數值校核和部件及整機試驗驗證。數值計算結果表明：甩油盤的性能和強度均滿足使用要求。甩油盤部件和發動機整機試驗表明：甩油盤霧化效果良好，具有寬轉速范圍的快速點火及起動能力，可滿足設計要求。

甩油盤；氣液2相；燃油霧化；微型渦噴發動機

0　引言

推力小于100 kg的渦噴發動機一般被稱為微型渦噴發動機［1-2］，具有結構緊湊、成本低、零件少的特點［3-5］。對于微型渦噴發動機燃燒室，國內有采用蒸發管式燃燒室［6-8］的，也有采用甩油盤式燃燒室的［9-11］。甩油盤式燃燒室利用甩油盤旋轉將燃油霧化，用低功率的油泵供油，以達到降低成本、減小油泵體積的目的。而微型渦噴發動機取消了滑油系統，用燃油先潤滑軸承，然后進入燃燒室內燃燒，這樣會增加油路的阻力，進而增大供油壓力。在保證供油量的情況下，如何減小供油壓力，同時保證甩油盤的霧化效果，是微型渦噴發動機甩油盤設計的關鍵。

可以在甩油盤上設計1組葉片，用來給燃油加壓，彌補燃油流路中的壓力損失，甚至可以取消油泵，直接用壓氣機的氣壓來擠壓燃油，進一步減少微型渦噴發動機零件數目，降低微型渦噴發動機成本。由于發動機轉速很高，燃油流過軸承時會被加熱、蒸發，變成氣態燃油發生氣蝕，對部件造成損害。為此，可在供油管路從內環腔通過段管壁上開引氣孔，通過引氣孔向油管內引入空氣，通過控制引氣孔數目調整引入空氣量。供油管路中加入一定量空氣，利用空氣的可壓縮性，減少氣泡對管壁的沖擊［12］。同時，加入空氣可以提高燃油霧化效果，還可以提前與燃油摻混，對燃燒有利。

在燃油油路中加入空氣后，進入甩油盤的燃油就變成了氣液混合物。經過甩油盤的攪拌后，氣液2相混合得更加均勻，為區別于常規的甩油盤［13-14］，可以稱這種形式的甩油盤為氣液2相離心甩油盤。

本文借鑒氣液2相泵的設計方法，既考慮了汽蝕對結構強度的影響，也考慮了甩油盤的加壓效果，設計了氣液2相離心甩油盤，并進行了部件和整機試驗考核。

1　方案設計

氣液2相離心甩油盤方案如圖1所示。從軸承出來的油氣混合物進入甩油盤后，經過葉片加壓，再利用離心力通過甩油盤和燃燒室內殼間的空隙甩到燃燒室中。油氣混和物從連續的縫隙進入燃燒室，還可以消除常規孔式離心甩油盤在火焰筒內造成的旋轉高溫點，改善渦輪的工作環境。葉片設計可以借鑒文獻［12］中氣液2相泵的葉片設計方法，即采用單相離心泵的設計方法，再對葉片加厚，增加葉片強度。

由于對甩油盤的加壓效率要求不高，同時為了加工方便，降低成本，采用常規的雙圓弧式葉片，甩油盤結構如圖2所示。

圖1　葉片式甩油盤方案

圖2　甩油盤結構

2　數值計算

2.1流場計算

流場計算使用商用軟件FLUENT6.3，采用RNG湍流模型，隱式算法，1階迎風差分格式；在2相流計算中，使用軟件提供的mixture模型。計算模型的進口取甩油盤進口，出口取氣液2相混合物在燃燒室的進口。計算模型如圖3所示。在計算中，空氣為理想氣體，燃油為不可壓縮流體，密度為 780 kg/m3。通過調整計算模型出口背壓和混合物中燃油的質量分數，使燃油流量達到設計值。

圖3　流場計算模型

計算得到的子午面上的總壓分布如圖4所示，與子午面呈90°截面上的總壓分布如圖5所示，軸向截面總壓分布如圖6所示。甩油盤加壓效果明顯，增壓比為可達1.54。從圖4、5中可見，氣液混合物沿徑向壓力逐漸增高，經過葉片后，壓力增加得更加明顯，證明葉片的加壓效果很好。結合圖1、3可知，在甩油盤出口，由于甩油盤是旋轉的，燃燒室內殼是靜止的，壓力增加幅度從甩油盤側到燃燒室內殼側逐漸減小，甩油盤側壓力增加最大，燃燒室內殼側壓力增加最小。從圖6中可見，在葉片的壓力面和吸力面，壓力沿流動方向均逐漸增大，沒有出現負壓力梯度壓區，說明葉型布局設計合理。通過計算可得葉片上的壓力，可用于葉片強度計算。不同轉速下的增壓比和燃油DSM如圖7所示。從圖中可見，在轉速為50000 r/min以下，甩油盤增壓效果不明顯；在轉速超過50000 r/min后，尤其是超過80000 r/min后，甩油盤的加壓效果顯著增加。DSM的變化與甩油盤的加壓效果一致，加壓效果越明顯，DSM越小，霧化效果越好。

圖4　子午面上總壓分布

圖5　與子午面呈90°截面上的總壓分布

圖6　軸向截面上的總壓分布　

圖7　不同轉速下的增壓比和燃油DSM

2.2強度計算

強度計算使用workbench12，材料密度取7850 kg/m3，楊氏模量為2×1011Pa，泊松比為0.3。計算模型的葉片根部倒角與實際結構一致，同時引入流場計算得到的葉片表面壓力。甩油盤在最大設計轉速下應力和變形情況分別如圖8、9所示。從圖8中可見，最大應力為667.83 MPa，集中在葉片尾部根部附近，甩油盤的材質為1Cr11Ni2W2MoV，屈服極限為735 MPa，甩油盤結構滿足使用強度要求。從圖9中可見，計算得到甩油盤在最大工作轉速下，最大變形量為0.054 mm，發生在甩油盤出口的自由端。如圖1所示，此端面與燃燒室內殼相距1.5 mm左右，變形不會導致動靜件間碰摩。在此設計基礎上，考慮到葉片厚度是針對單相流體設計的，而甩油盤實際用于氣液2相流體，根據文獻［12］，對葉片進行加厚處理，從而完成甩油盤的結構設計。

圖8　在最大設計轉速下的應力　

圖9　在最大設計轉速下的變形

3　試驗結果

3.1甩油盤部件試驗結果

甩油盤的霧化質量決定了其設計的優劣，霧化質量包括液滴的直徑和均勻程度。甩油盤部件試驗可以直觀地體現甩油盤的霧化質量。

甩油盤部件試驗采用1種新穎的試驗方式，用1臺微型渦噴發動機作為試驗載體，將火焰筒拆除，去掉一部分燃燒室機匣，用來觀察甩油盤的霧化質量。在渦噴發動機試驗臺架上用1臺電動機拖動發動機轉動，進行甩油盤部件試驗，這樣就可以節省部件試驗臺的建設費用，從而降低了整機的研制成本。甩油盤部件試驗件及試驗時燃油霧化情況分別如圖10、11所示。試驗表明，在遠低于發動機自勵轉速下，甩油盤的霧化質量就很好，液滴的直徑和均勻程度均優于同等轉速下文獻［15］中常規孔式甩油盤甩出液滴的直徑和均勻度（文獻［15］中的甩油盤徑向尺寸略大于本文設計的甩油盤的）。試驗中還發現氣液2相離心甩油盤甩出的油霧有很強的跟隨性，甚至可以跟隨自然風飄動?？梢岳盟τ捅P的這種特性來設計火焰筒。

圖10　甩油盤霧化試驗件（約10000 r/min）

圖11　燃油霧化情況（紅框部位）

3.2整機試驗結果

噴油環試驗表明甩油盤在低轉速下的霧化質量較好，有很強的跟隨性。那么根據氣液2相甩油盤的霧化特點，對火焰筒進行相應調整設計，微型渦噴發動機就能在很寬轉速范圍內實現快速點火及起動，且在慢車前就能迅速收回尾焰。整機試驗也證明了這一點，而且供油壓力很低，基本上與燃燒室環腔內壓力相當。裝配氣液2相離心甩油盤的典型整機試驗曲線如圖12所示。

圖12　典型的發動機試驗曲線

4　總結

根據微型渦噴發動機結構緊湊的特點，以及低成本要求，設計了1種新式的氣液2相離心甩油盤。

在燃油中摻入一定量空氣，可以防止氣蝕損害，與燃油提前摻混，也有利于燃燒和燃油霧化。為達到低壓供油的要求，在離心甩油盤上設計了1組葉片，用以給氣液2相流加壓。

部件試驗表明：在遠低于發動機自勵轉速下，甩油盤的霧化質量就很好，并且甩油盤甩出的油霧有很強的跟隨性，可以利用該特性來設計相配合的火焰筒。整機試驗表明：發動機在很寬轉速范圍內均容易實現快速點火及起動，且在慢車前能迅速收回尾焰，而且供油壓力很低。

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（編輯：張寶玲）

Design of a Gas-Liquid Two-Phase Slinger JIANG Xue-hui

（Beijing Power Machinery Institute，Beijing 100074，China）

In order to decrease further component amount of micro-turbojet engine and reduce cost，a gas-liquid two-phase slinger was designed.In the design process，the method of gas-liquid two-phase bump design was referred to design a set of blades to increase the pressure ability of the slinger，and the air was injected in the fuel supply line to eliminate cavitations.Numerical and test verification were conducted.Numerical calculations show that the slinger performance and strength meet the requirements.Slinger unit and the engine tests show that the slinger pulverization is good，has rapid ignition and start-up ability over wide speed ranges and meets the requirements.

engine slinger；gas-liquid two-phase；fuel atomization；micro-turbojet engine

v232.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.002

2015-08-22

蔣雪輝（1972），男，高級工程師，從事燃燒室設計工作；E-mail：jiangxuehui@hotmail.com。

引用格式：蔣雪輝.氣液2相離心甩油盤設計［J］.航空發動機，2016，42（2）：7-10.JIANGXuehui.Design ofa gas-liquid two-phase slinger［J］.Aeroengine，2016，42（2）：7-10.