高翔^1,2, 王方^1,2, 肖阳春^1,2, 武召阳^1,2, 金捷^1,2
1. 北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100191;
2. 北京航空航天大学 江西通航研究院, 南昌 330096
收稿日期：2019-04-08
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0202400，2017YFB0202402）；国家自然科学基金资助项目（91741125）
作者简介：高翔(1995-), 男, 硕士研究生
通讯作者：王方, 副教授, E-mail:fwang@buaa.edu.cn

摘要：甩油盘是中小型航空发动机常用的燃油喷射装置，为后续甩油盘结构改进和燃烧室性能测试提供了参考和依据，该文开发了甩油盘雾化实验台，由供水系统、旋转系统、通风系统、测试系统、控制系统和数据采集系统组成。对供水压力、供水流量以及旋转系统振动值等关键运行参数进行监测与分析，结果表明：该实验台可以获得可靠的高精度实验数据。基于相位Doppler粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer，PDPA）测试了某型甩油盘粒径数统计，以及Sauter平均直径（Sauter mean diameter，SMD）随转速的变化规律。结果表明：该型甩油盘粒径符合正态分布；SMD随着甩油盘转速的增加逐渐减小，在12 000 r/min后基本维持在41 μm。实验结果与已有文献结论相一致，进一步表明了该试验台的可靠性。
关键词：航空发动机甩油盘实验台开发雾化特性相位Doppler粒子分析仪(phase Doppler particle analyzer, PDPA)
Development and verification of a fuel slinger atomization test bench
GAO Xiang^1,2, WANG Fang^1,2, XIAO Yangchun^1,2, WU Zhaoyang^1,2, JIN Jie^1,2
1. School of Energy and Power Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;
2. Jiangxi Research Institute of Beihang University, Nanchang 330096, China

Abstract: Fuel slingers are commonly used fuel injection devices for small and medium-sized aeroengines. This study developed a fuel slinger atomization test bench to provide reference data to improve fuel slinger designs and combustion chamber performance tests. The test bench included a water supply system, rotating system, ventilation system, test system, control system, and data acquisition system. Analyses of the key operating parameters such as the water supply pressure, water supply flow rate and vibrations of the rotating system shows that the test bench gives reliable, accurate experimental data. A phase Doppler particle analyzer (PDPA) was used to measure the particle size statistics and the variation of the Sauter mean diameter (SMD) for various rotational speeds. The experimental results show that the particle size in the fuel slinger has a normal distribution and the SMD decreases with increasing fuel slinger speed with an SMD of 41 μm above 12 000 r/min. The experimental results are consistent with the conclusions of previous papers, further indicating the reliability of the test bench.
Key words: aeroengine fuel slingertest bench developmentatomization characteristicsphase Doppler particle analyzer (PDPA)
折流燃烧室是目前中小型航空发动机(例如法国Turbomeca公司的Arriel发动机以及Artouste、Astazou、Turmo等发动机；美国Williams公司在20世纪90年代研制的FJ44系列发动机等)燃烧室的一种主要形式。与折流环形燃烧室相配套的供油装置是甩油盘。这种甩油式燃烧室通过绕火焰筒周向均匀分布燃油的离心燃油喷射装置，解决了环形燃烧室的温度场均匀分布问题。甩油盘具有减小发动机轴向尺寸、雾化质量稳定、供油压力低以及结构简单等优点^[1]。
关于甩油盘结构和雾化特性研究的公开文献较少。最早的文献是Maskey等^[2]关于J69-T-25涡喷发动机环形甩油盘燃烧室工作特性的研究，研究发现：即使在最大燃油流量下，甩油盘表面任何地方的油膜厚度均不超过0.76 mm。Rogo等^[3]阐述了YJ402-CA-400涡喷发动机燃烧室所使用的甩油盘的结构特点，并解释了甩油盘燃烧室基于液滴尺寸的燃烧特性。Morishita^[4]以水为工质进行了一系列甩油盘雾化特性实验：改变甩油盘直径、孔数量、孔尺寸、液体流量等，通过对喷雾玻板照片进行处理获得了各种条件下的Sauter平均直径(Sauter mean diameter, SMD)值，并分析了甩油盘结构等对雾化质量的影响。Dahm等^[5]对具有不同几何形状和尺寸喷油孔的甩油盘，以水为工质在900~17 800 r/min转速范围内进行了一系列雾化特性实验，并给出了丰富的可视化试验结果(高速摄影照片)。Choi等^[6-7]对甩油盘折流燃烧室点火特性和燃烧性能进行了实验研究，分析了甩油盘转速对出口燃气温度和污染物分布的影响等。宋双文等^[1]综合相关资料对国内外部分发动机所使用的甩油盘的结构特点、供油方式、雾化性能及其影响因素、相关参数计算等进行了较为全面的归纳总结。贾永忠^[8]利用振动频谱的分析方法，并依据大量实验结果，建立了甩油盘雾化液滴的SMD与燃油各物理参数以及甩油盘转速等重要参数之间的关系式。熊纯等^[9]用相位Doppler粒子分析仪(phase Doppler particle analyzer, PDPA)测量了不同转速下甩油盘的SMD、雾化锥角等雾化特性参数。蒋雪辉^[10]借鉴了气液两相泵的设计方法，设计了一种新型叶片式甩油盘。陈晓丽等^[11]在所设计的新型叶片式甩油盘的基础上，研制了一款微小型甩油盘燃烧室。
综上可知，有关甩油盘结构设计、雾化实验和雾化特性的公开文献与资料并不多，且大多数研究只涉及简单的甩油盘工作原理和结构介绍，较少涉及甩油盘雾化性能实验，更缺乏具体的可靠的甩油盘雾化特性实验数据^[12]。基于此，本文开发了适用于测试甩油盘雾化特性的实验台，并对其进行了验证。
1 甩油盘雾化实验台和方法甩油盘雾化实验台再现了实际航空发动机折/回流燃烧室所使用的甩油盘的工作情况，服务于甩油盘的雾化性能测试及雾化特性分析，旨在测量目标甩油盘的雾化形态、雾化粒径、雾化锥角、粒子速度等参数。其中，雾化形态、雾化锥角采用高速摄影机拍摄；雾化粒径、粒子速度等采用三维PDPA测量。实验数据可作为甩油盘结构改进和后续燃烧室性能测试实验的参考和依据。
由于甩油盘直接固定在航空发动机转子上，属于高速旋转部件，甩油盘燃油的雾化主要取决于高速旋转时燃油承受的离心力而形成的压力，在巨大的离心力下介质黏性对燃油雾化的影响可忽略不计^[9]。此外，表面张力对甩油盘雾化影响也很小^[1]。同时甩油盘最大供油流量很大(本实验台甩油盘可达980 kg/h)，所以本实验台选取水作为实验介质，可以免去复杂的燃油收集系统，简化了实验台，节省了建设与实验成本，避免了燃油泄漏等安全隐患。
1.1 实验台运行原理实验系统由供水系统、旋转系统、通风系统、测试系统、控制系统和数据采集系统组成。图 1为甩油盘雾化实验台原理图。

1—储水箱；2—稳压阀；3—压力变送器；4—流量计；5—电磁阀；6—过滤器；7—离心泵；8—旋转系统(高速电机、甩油盘及其附件)；9—通风系统(风机、甩油盘、保护罩及其管路等)；10—集液箱；11—计算机；12—控制系统；13—数据采集系统；14—测试系统(包括PDPA、高速摄像机等)；球阀(a~i)；管路若干 图 1 甩油盘雾化实验台原理图

图选项

实验台运行原理：供水系统储水箱中的水经离心泵加压，通过供水管路输送到旋转系统高速电机尾部。供水管路末端与电机尾部通过高速旋转接头连接，管路中的水由旋转接头进入空心电机旋转主轴内，再经特制连接管由甩油盘中心处进入甩油盘内部。工作时，甩油盘和电机旋转主轴同步旋转，进入甩油盘内腔的水在离心力的作用下高速离开各喷油孔，并雾化形成液雾，水雾经通风系统进入集液箱。控制系统可实现对试验工况参数的连续调节：通过控制离心泵可实现供水系统的开关；通过控制电磁阀可连续调节供水流量；通过控制风机变频箱可连续调节风机功率；通过控制高速电机可连续调节电机主轴(甩油盘)转速；控制系统还可远程控制高速摄像机和PDPA。实验时改变电主轴转速和供水流量等参数，应用高速摄像机和PDPA测试不同工况下甩油盘的雾化性能。通过数据采集系统可以采集系列实验数据，主要包括：甩油盘转速、供水流量、供水压力以及PDPA相关数据或者高速摄影瞬时照片等。
实验台主要技术指标如表 1所示。
表 1 实验台主要技术指标

项目	参数
实验介质	水
供水压力/MPa	0~0.6
介质温度	常温
介质清洁度	不低于6级(GJB420B)
供水流量/(L·h-1)	0~1 200(连续可调)
流量调节精度	± 1%
转速范围/(r·min-1)	0~22 000(连续可调)
转速调节精度/(r·min-1)	±100
最大振动限定值/g	≤10
连续工作时间/h	≥1
加速时间/s	从10 500 r/min加速到22 000 r/min

表选项






1.2 供水系统供水系统主要由储水箱、离心泵、稳压阀、过滤器、压力表、流量计、流量调节阀、压力变送器、手动球阀和管路等组成，如图 2所示。

图 2 供水系统实物图

图选项

实验用水为自来水，储水箱有效容积为1 200 L，储水量可保证甩油盘在最大流量工况下连续实验至少1 h。水泵为立式多级离心泵，泵进口有一个球阀h和一个精密过滤器(耐压1.6 MPa、过滤精度5 μm)，泵出口有一个压力表以及球阀g，球阀g一般处于关闭状态，在实验台拆修时，用于排除管路积水。水泵配有并联回水路，装有配套溢流稳压阀，用于回流和稳压，稳压阀为自力式压力调节阀。球阀c通常处于关闭状态，可以微小调节供水压力；在稳压阀出现故障时，通过关闭球阀a与b以及控制其开度，保护管路和粗调节供水压力。压力变送器为智能压力变送器，流量计为Coriolis质量流量计，分别用于测量供水压力和流量。流量计配有并联供水管路，其球阀e通常处于关闭状态，在流量计故障时用于保护管路。供水系统通过电磁阀调节供水流量。
1.3 旋转系统旋转系统包括高速电机、甩油盘、甩油盘连接管、旋转接头及测模块等，如图 3所示。

图 3 旋转系统实物图

图选项

高速电机为最高转速24 000 r/min的三相异步电动机，采用西门子控制系统控制电机的转速。电机通过连接管带动实验甩油盘同步旋转，从而实现实验件在0~22 000 r/min内的无级变速。在旋转系统运转时，有测振模块监测其振动值，振动超过10g时，自动紧急停转。该旋转系统具有零部件少、响应时间快、经济性好等特点。供水管路通过旋转接头(ROTOFLUX)连接在电机尾端，旋转接头可承受0.6 MPa的压力，并设计有泄漏口，可排出少量泄漏。电主轴采用中空通水设计，实验时水从供水管路通过旋转接头进入空心主轴内部，流到主轴前端后，再通过连接管由甩油盘中心处进入甩油盘内部。
实验用甩油盘依照某型涡喷发动机使用的甩油盘1:1仿制。仿制时甩油盘的盘体结构、内腔型面以及喷油孔的数量、直径、角度等主要参数均保持不变，仅对供水的连接管进行改造设计，以便与高速电机主轴连接。改造后的连接管比原来厚，并设计为螺纹连接。实验件主要结构参数：设计转速Ω=0~22 000 r/min；甩油盘外盘体半径R₃=0.07 m；甩油盘内腔体半径R₂=0.054 m；喷油孔直径d₁=3 mm；喷油孔倾角α=28.5°；喷油孔数量N=18，分前后两排排列，前排6个，后排12个，分别沿甩油盘周向均匀分布。连接螺纹的公称直径为25 mm，螺距1.5 mm；连接管总长L=124.6 mm。如前所述，甩油盘及连接管安装在电主轴前端，依靠内外径圆柱面定心，端面台阶定位，螺纹紧固连接。
1.4 通风系统通风系统由离心风机(含风机启动箱、变频箱)、通风管路、调风门、甩油盘保护罩、集液箱、排水管路等组成，如图 4所示。

图 4 通风系统实物图

图选项

实验过程中，一旦发生断轴(甩油盘脱离电机轴)或甩油盘盘体破裂等事故将导致盘体等部件高速飞出，危及实验人员和其他设备的安全。为保证实验人员的人身安全，在甩油盘周围安装了保护罩(S304材质，厚3 mm)。保护罩根据甩油盘喷油孔的倾角(28.5°)和雾化范围设计，保证不会对雾化过程有较大的影响^[13]。保护罩半径为500 mm，前后宽度为450 mm。保护罩通过底部螺栓与电机底座上的T形槽嵌合并固定在底座上。保护罩前方留有一个长矩形开口，便于高速摄像机的拍摄和PDPA的测量。保护罩的存在限制了雾化产生的水雾的扩散，因此需要通风系统。保护罩四周有4个对称分布的通风口，连接4个直径100 mm的通风管，并汇集到2个直径125 mm的通风管，最后在上方汇集到400 mm×350 mm的矩形总通风管中，总通风管连接风机进口。抽入风机的水雾经过风机后通过连接风机出口的矩形通风管排到室外的集液箱内。保护罩下方2个通风管底部另设有直径25 mm排水软管，可将通风管路底部沉积的水排到室外集液箱，防止通风管路积水。离心风机可保证将保护罩内的水雾及时抽走，防止水雾堆积和保护罩底部积水，也便于观察甩油盘的雾化状态，减少水雾堆积对实验测量结果的影响。抽风强度可通过控制变频箱实现连续调节(频率范围：0~50 Hz)。
1.5 测试系统本实验台主要采用高速摄像机和PDPA测试甩油盘雾化特性。
高速摄影系统主要包括高速相机、镜头、图像传输元件、数据连接线、触发连接线、电源适配器及背景光源(LED)等。本实验台所采用高速摄像机属于紧凑型高速摄像机，安装灵活，并可在严苛的环境下使用(可承受200g冲击和40g振动)^[14]。从1″光圈起支持所有光学接口。
本实验台采用三维PDPA系统，主要包括二维激光器及收发探头、一维激光器及收发探头、粒径探头、激光器电源、光电转换器、信号处理器以及1394采集卡等。激光器为风冷PowerSight固体激光器，信噪比高，结构简单，使用方便。通过FlowerSizer软件以及1394采集卡控制PDPA和采集数据。PDPA实物如图 5所示。

图 5 PDPA实物图

图选项

该实验台中主要部件及参数如表 2所示。
表 2 主要部件参数

名称	生产厂家	型号	参数
离心泵	南方泵业	CDMF3-15FSWSC	流量：3 m3/h；功率：1.5 kW；转速：2 900 r/min
稳压阀	杭州良工	ZZY-P-16K	阀前压力：0.6 MPa；阀后压力：0 MPa；精度：±2%
压力变送器	重庆四联	PDS403H-1DS1	测量范围：-0.1~1.6 MPa；精度：±0.075%
流量计	北京首科实华	DMF-1-4	最大流量：2 000 kg/h；最大压力：4.0 MPa；精度：0.2%
电磁阀	重庆嘉凯捷	KKA-TS-E	公称压力：1.6 MPa；额定行程：14.3 mm；精度：±1%
高速电机	洛阳东恒	150SD22Z8	转速：0~24 000 r/min；最大功率：8 kW；精度：±50 r/min
测振模块	远东测振	8500YD	连接：螺纹连接；精度：±0.1 mm/s
风机	北京金瑞华	4-72-5A	风量：4 000~15 000 m3/h；最大功率：15 kW；转速：2 900 r/min
高速摄像机	IDT(美国)	NX3-S3	最大分辨率：1 280×1 024；最大频率：62 000 fps；最小曝光时间：1 μs
二维激光器	TSI(美国)	PS-TM-2D	功率：500 mW；波长：532 nm, 561 nm；探头焦距：750 mm
一维激光器	TSI(美国)	PS-TM-1D-515	功率：300 mW；波长：514.8 nm；探头焦距：750 mm
粒径探头	TSI(美国)	RV1070	焦距：1 000 mm；粒径范围：0.5~5 000 μm；粒径精度：1.0%
PDPA系统	TSI(美国)	—	速度范围：-313~1 600 m/s；速度精度：0.20%

表选项






2 实验台运行参数与分析为了保证甩油雾化实验台实验数据的可靠性和精度，需要对实验台重要参数进行监测以及分析，具体包括流量修正、压力与流量关系分析以及甩油盘振动值监测等。
2.1 流量修正为了保护实验人员的安全与方便数据采集，数据需通过线缆传输到控制室中计算机。由于环境中存在干扰信号，在传输过程中会对数据信号产生干扰，对流量的影响尤为显著，因此需修正计算机中流量示数，以保证最终实验结果的精度。如图 6所示，为计算机示数与流量计示数在电磁阀各开度下对比以及相对误差。由图 6可知，计算机与流量计中示数变化一致，均随着电磁阀开度的增大，逐渐增加，但是在开度低于20%和高于80%时，流量变化不明显，因此实验中调节流量时，电磁阀开度主要集中在20%~80%。相对误差整体上随电磁阀开度的增大而减少，最大为4.71%，最小为0.74%。

图 6 计算机与流量计中流量对比及其相对误差

图选项

图 7为计算机中流量的修正曲线，可以看出，计算机示数与流量计示数呈线性关系，其拟合关系如式(1)所示，其中，Q₁为流量计示数，Q₂为计算机示数。此后实验均采用式(1)来修正计算机所采集到的流量，修正后计算机示数与流量计示数最大相对误差仅为0.20%，极大地提高了流量这一关键参数的精度。

${{Q}_{1}}=0.997{{Q}_{2}}-4.872$

(1)

图 7 流量修正

图选项

2.2 压力与流量关系为验证实验台所获取参数的可靠性，进一步分析了供水系统中水质量流量与压力之间的关系，如图 8所示。由Bernoulli方程可知，压力p应与质量流量Q的平方成一次线性关系，式(2)为图中拟合曲线方程，由此可见，供水流量与供水压力基本符合Bernoulli方程。因此本文获取流量与压力较为可靠。

$ p=-1.573\times {{10}^{-4}}{{Q}^{2}}+680.647 $

(2)

图 8 压力与流量关系

图选项

2.3 甩油盘振动值监测本实验台中，甩油盘是高速旋转部件，为防止其对实验人员的安全造成威胁，必须对其采取防范措施。一方面在实验系统中加装保护罩，防止甩油盘飞出或者解体；另一方面对旋转系统振动值的监测、控制才是重中之重。图 9是旋转系统振动值随转速的变化曲线，可以看出，在喷水和未喷水情况下旋转系统振动值基本一致，总体上振动值随着甩油盘转速的增加而增加，但在8 000和12 000 r/min时，振动值均先增加后减小，这两点处转速应分别是旋转系统的一阶和二阶临界转速，在15 000 r/min以下，甩油盘振动值未超过10g，符合本实验系统的安全要求，可以开展实验。但要进行更高转速实验时，需要重新调整甩油盘动平衡以保障旋转系统安全可靠地运行。

图 9 甩油盘振动值随转速变化曲线

图选项

3 甩油盘雾化特性实验基于此实验台，用PDPA测试了该型甩油盘的雾化特性，具体包括粒径数及SMD随转速的变化关系，并且与文献中实验结果进行了对比。
采样数的选择对实验结果和实验效率有较大的影响。采样数太少则实验结果重复性较差，采样数太多则降低实验效率且占用更多存储空间。在本文中，每次实验采取液滴数均为50万，经验证实验结果重复性很好。测量点均选在距甩油盘外周径向距离40 mm处。
3.1 粒径数统计图 10为转速为15 000 r/min、供水流量为980 kg/h时，该型甩油盘的各粒径下液滴数量统计。可以看出，在该工况下，各个粒径下的液滴数统计符合正态分布，这也符合一般规律。经过验证，几乎所有工况下粒径统计都近似符合正态分布，这也说明PDPA采集的粒径参数较为可靠。

图 10 粒径数统计

图选项

3.2 甩油盘转速对SMD影响图 11为供水流量为270 kg/h时，SMD随甩油盘转速的变化规律。可以看出，SMD随甩油盘转速的增加而逐渐变小，当转速到达12 000 r/min以后，SMD减小非常缓慢，基本保持在41 μm不变，这一规律与文^[9]中所发现规律相一致。这是因为液滴在空气中运动时主要受到表面张力、黏性力和气动力。当甩油盘转速较低时，液滴在空气中运动的速度较小，气动力不足以克服表面张力和黏性力使大液滴破碎为较细小的液滴。但随着甩油盘的转速的增加，液滴在空气中的速度越来越大，气动力越来越大，液滴不断破碎为越来越细小的液滴。但当甩油盘转速达到一定程度，液滴已经足够细小时，其We数已低于临界值，无法破碎为更加细小的液滴。

图 11 SMD随甩油盘转速变化曲线

图选项

同时图 11中给出了各工况下SMD的标准差线。可以看出，误差线在图中非常不明显，各工况下SMD误差均未超过±2%。这是因为本文液滴直径的测量结果采用PDPA系统进行，由表 2可知，其粒径测量精度为1%。每个工况下测量液滴数均为50万，也就是说文中SMD是一个样本很大的统计值，所以本实验台实验结果重复性很好。
4 结论本文聚焦于中小型航空发动机中常用的甩油盘，开发了其雾化实验台。该实验台可以再现实际航空发动机甩油盘工作情况，实现转速、流量的连续可调，并且可以获得高精度的甩油盘雾化特性数据。本实验台安全可靠，可以获得高精度的转速、流量、液滴速度以及液滴粒径等关键参数；旋转系统振动值随着转速的增加整体上呈增长趋势，但在8 000和12 000 r/min分别出现了一阶和二阶临界转速。在15 000 r/min下，符合技术指标，可以开展实验；甩油盘各工况下的粒径数统计符合正态分布；随着甩油盘转速的增加，SMD逐渐减小，当转速高于12 000 r/min，SMD基本保持在41 μm不再变化。

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