1 燃油喷嘴设计方案研究
1.1 喷嘴结构分析
根据客户指定的某燃气轮机DLN2.6+燃烧室燃油喷嘴外形图和燃油喷嘴的功能指标要求，完成该燃油喷嘴的设计制造以及测试。燃油喷嘴与端盖连接，外部管路连接燃油喷嘴的燃油，水和空气通道接口。设计结构是一个燃油喷嘴组件包含3个通道：最外层通道提供空气，可经过喷头喷射空气；中间层通道是水路通道，经过喷头零件可喷射雾化水；最内层是油路通道，燃油经过喷头组件后可喷射雾化燃油。
（1）燃油通道的功能由涡流器和喷口共同作用实现，再经过转接到油路管道上。
（2）水路通道的功能实现是由水流流经外侧切线槽与外型面配合形成的通道产生雾化喷射效果。
（3）空气通道的功能是由空气流经内外侧切线槽以及最外层壳体内型面形成的流道共同实现。
依据上级组件图纸以及需要实现喷雾功能的3路流道，确定喷嘴喷头部件结构，不含最外层气路通道壳体，共有7个零件。
1.2 燃油喷嘴设计性能指标
根据设计文件提供的入口压力，需要达到设计要求满足的流量、喷射角度、SMD、喷射分布均匀度。
主要技术要求有：
（1）流量数测量：油路144.4lbm/hr×psi0.5in2。
（2）喷雾锥角（SCA）为80°～90°。
（3）雾化粒度SMD（索特尔平均直径）在供油量mf=75.75kg/h，供气压力0.270MPa（39.2磅/英寸2）的SMD，SMD检测d32应小于40μm，测试介质应为#2蒸馏油和水。
（4）周向喷油不均匀度（Circumferential Spray Pattern，即周向喷油形状因子）最大20%。
2 燃油喷嘴设计
2.1 燃油通道零件设计
选取典型的燃油通道喷头零件设计为例。根据燃油流量数和喷嘴压力差之间的关系：
（1）
流量数是一个表达喷嘴特性广泛使用的参数，仅与喷嘴的几何结构和通过的流体有关，与喷嘴的工况无关，因此它给定了某种用途下的喷嘴“尺寸”。喷嘴设计的核心是确定在离心喷嘴一定的几何结构情况下的流量系数。
喷射锥角参数计算。Абрамовц提出的离心喷嘴设计理论中曾指出：喷雾锥角只是喷嘴的几何特性参数的函数。由于燃油在旋流室旋转，而从喷口喷出时形成一锥形薄膜，中间是空气旋涡，因此喷雾锥角指的是平均喷雾锥角，即喷雾锥外半径
和内半径
（空气涡半径）的均值所对应的锥角作为平均喷雾锥角理论计算表达式为：
（2）
式中，A为几何特性参数。A为：
（3）
式中，R为对应切向进油槽中心线的旋流半径；
为喷口半径；
为切向槽数；
为切向槽半径（指圆切向孔，对切喷向槽应为当量直径）（见图1）。
图1 喷嘴结构示意图
为有效截面系数，且：
（4）
式中表明：不考虑粘性影响时理论计算的喷雾锥角只与喷嘴几何尺寸有关。图2示出
与喷嘴几何特性参数A的关系曲线，随着A的增加
增大。此公式的计算值与实际有3%～5%的误差。
图2 
随A值的改变
表1示出不同A值下
的具体值。
3 燃油喷嘴性能测试研究
3.1 流量数测试
流量是在单位时间内流体流通经过某横截面的体积或质量的数量（瞬时流量），可分为体积流量和质量流量。该燃油喷嘴需要测量在预设压力、温度下的流量数。燃油和水流量数测试使用液体流量试验器，原理是由检测的科里奥利传感器和转换器以及压力控制器，负反馈调节器共同组成。测量精度为表显读数±0.5%。
20次重复测量偏差±0.25%。根据预设程序可自动升压到预定压力至流量稳定状态，通过压力传感器调节自动控制器维持流量稳定30s时进行流量数据采点，每路通道流量测量5次，取平均值为最终结果。
在不同的工况下油路和水路的流量测试结果如表3所示。
有上表测试的数据统计，三件喷嘴的SMD数值均小于40，符合设计要求。上述结果显示低流量下的雾滴平均直径均大于高流量工况下的雾滴平均直径。
4 结论
通过理论计算喷嘴喷口，涡流器等关键尺寸完成了其余通道喷口尺寸设计。根据设计出的尺寸，加工出多组试验件对其进行测试，并根据测试结果进行了尺寸调整，最终确定了可以满足设计要求的零件尺寸和公差范围。
开展了燃油喷嘴所需要进行的性能测试，制定了合适的实验方案，测试结果显示该设计和制造方案可以满足设计性能指标。最终该喷嘴经过了上级组件的装配以及单筒燃烧室的点火试验，完全符合设计标准要求，现在已投入批量生产，完全实现了当初的设计目标。
参考文献
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[5]马洪安，刘凯，张宝诚．GE4319喷嘴试验报告[R]．沈阳：沈阳航空航天大学综合燃油激光试验室，2009．
收稿日期：2018-04-12
作者简介：申健博（1984-），男，山东阳谷人，中航发沈阳黎明航空发动机工程师，研究方向：航空工程。
