航空发动机大流量清洗喷嘴的测试分析

李丹 许志鹏 沈伟

摘 要：大流量清洗喷嘴是大型航空发动机清洗系统的核心部件，由于技术条件要求苛刻，需要在实际装配之前对清洗喷嘴的雾化特性进行测试。为此以PDI测试系统为基础，对大流量喷嘴的雾化特性进行了测试分析。结果表明：采用的测试技术方案合理，喷嘴特性满足发动机清洗的要求。

关键词：清洗 喷嘴 雾化 测试 PDI

中图分类号：V23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0067-04

腐蚀、积垢是长时间工作航空发动机性能和可靠性下降的主要原因，大量工程经验表明对发动机空气流道进行清洗是减缓性能衰退的有效手段，清洗对于工作在盐雾、沙尘环境中的发动机保持性能尤其有效。在发动机清洗装置的研制过程中，清洗喷嘴的设计和制造非常关键。国内外的工程实践和研究分析表明[1-5]：喷嘴形成的清洗液滴粒度越大、颗粒速度越大清洗效果越好，但液滴過大和过快会造成叶片表面损伤。清洗液的喷射形式、喷雾锥角以及液滴的粒度需根据具体的发动机而定。

该文涉及的清洗喷嘴为某型航空燃气轮机的清洗系统的核心部件，经过前期方案论证和发动机、飞机现场分析，提出了通过飞机进气道进行清洗的方案。在该方案中清洗支架安装在进气道唇口，清洗喷嘴安装支架上。由于清洗液通过喷嘴雾化后需飞行3～4 m方能进入发动机，并满足覆盖程度和颗粒度的要求，因此喷嘴的设计、选型和参数选择对于清洗系统的研制尤其重要。考虑清洗过程操作的便捷性，选择发动机冷转状态下进行预防性的清洗，因核心机转速较低，清洗液也采用较大的粒度，但其粒径以不超过3 mm为宜（一般要求超过2 mm的清洗液滴不宜过多），速度与流场速度接近和略大为宜。清洗液液滴飞行距离较远，喷雾形成的锥角较小，通过前期理论计算雾化锥角在15～25 °之间。为了保障装机的安全和清洗效果，喷嘴生产后的测试和性能调整是必须环节。

该文以PDI（激光多谱勒）测试技术为基础，对选型后的喷嘴进行了粒度、流量、锥角等雾化特性的测量。测试结果为后续清洗系统的设计和进一步的联机实验提供了基础数据。

1 测试系统构成

该文进行清洗喷嘴和防护喷嘴试验的试验系统由喷嘴压力供气、供水系统和测试系统组成，其原理如图1所示。图中喷嘴压力供气、供水系统提供喷嘴正常工作所需要的高压空气（可选择）和水，测试系统实物图如图2所示（由于本文涉及的试验不涉及到喷嘴的供气，因此只给出了供水系统）。测试系统包括管路中的流量测试系统（主要为水流量计）、光学测角和液滴粒度、速度测试系统（为激光多谱勒测试系统）。颗粒测试仪器采用美国Artium公司提供的颗粒/速度测试仪（PDI），如图3所示。Artium PDI系统具有如下特点：采用颗粒的激光多谱勒效应进行高速非接触式测量，其优点包括：在每一个测量点都可以对系统进行自动设置和操作，并具有强健简洁的光路系统设计；没有复杂难用的光纤光路；能基于不同的喷流环境对采样体进行自动优化选择；可以通过对坐标架实现自动控制从而达到对喷流流场的整体测量；远程多用户数据操作和系统控制；内置MATLABTM数据交换软件包。

根据清洗方案设计的初步要求，需要对三型大流量喷嘴进行测试，分别编为1、2、3号。被测试的大流量喷嘴实物如图3所示，喷嘴为特制带有内部旋流叶片的离心雾化喷嘴，其流量在60 L/min左右，大大超过了一般需要进行PDI测试的喷嘴。

对于前期设计、制造的喷嘴，初步的测试表明：在较大的流量条件下，按照典型喷雾测试条件（激光焦点距离喷嘴20 cm）测试很难得到稳定的结果。分析原因，并不是喷嘴设计和制造的问题，主要是由于采用的喷嘴流量大、锥角小，在距离喷嘴20 cm的距离上雾锥尚未展开，水的雾化尚不充分，测试条件不稳定。同时考虑清洗目标和喷嘴距离较大，为此对测试条件进行了必要的改动，以叉车提升喷雾测试平台，将测试焦距和喷嘴的距离增加到50 cm，并采用了最长的激光测试焦距和捕捉窗口。以此为基础测试和调整了喷头工艺参数，获得了较为稳定一致的测试结果。

2 测试步骤

2.1 流量的测量

（1）将喷嘴固定在测量流量的仪器上；

（2）打开水源和气源开关，按测试所需的水压条件进行供水；

（3）待喷嘴处于稳定的工作状态后，开启测控系统的流量采集模块，系统通过供水管道上的流量计实时记录喷嘴的流量；

（4）调节压力直到获得所有的流量数据。

2.2 喷嘴颗粒速度和粒度的测量

（1）将喷嘴固定在台架上，使得喷口方向垂直向下。调节台架和颗粒/速度测试仪的高度，使得PDI处于最佳测量位置。连接好水管，并检验水管的气密性，防止漏水。

（2）接通信息处理系统电源，开机并打开数据采集记录软件。

（3）设置采集工况号，采集数和采集时间间隔。

（4）打开气源开关，根据需要测量的压力条件调节空气减压阀和液压阀门。

（5）由于调节速度过快或者振动等原因，压力刚开始会有些不太稳定，待压力表显示稳定之后，运行采集软件，并保存采集结果。

（6）重复步骤（3），按步骤（4）进行调节，接着按步骤（5）执行，直到所有的工况都采集完毕。

（7）关闭PDI开关，将镜头取下，放进保存箱。

（8）关闭气阀和水阀，恢复系统正常。

3 测试结果

利用调整后的测试平台对三型喷嘴的雾化效果进行测试，下面列出喷嘴在5、7、10 bar背压条件下粒度分布的典型测试结果，如图4～7所示。

考虑测试的喷嘴主要用于清洗，因此以体积中位直径为参考直径评估液滴颗粒的分布情况，表1同时给处了各型喷嘴的测试结果。由各个喷嘴测试结果可见：液滴颗粒度分布较为合理，未加权平均的液滴颗粒直径集中在0.5 mm左右，大于2 mm的颗粒极少，满足设计要求，既利于清洗，又不会给叶片表面造成影响，同时喷嘴清洗雾化参数均具有很大的调整余地，为后续工作参数的选择和进一步的选型优化奠定了基础。

将测试结果与前期计算结果进行对比，表明：喷嘴在7～10 bar背压条件下颗粒的平均速度和发动机冷转状态进气道中的气流速度基本一致，利于液滴远距离清洗。

4 结论

（1）以PDI为基础的测试系统方案合理，满足测试大流量喷嘴的技术要求。

（2）所采用的喷嘴特性满足发动机清洗的要求，为后续清洗系统实验和产品研制奠定了基础。

参考文献

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