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外涵引气双层加力喷油杆流动特性研究 闫宝华樊未军杨茂林 (北京航空航天大学能源与动力工程学院热动力工程研究所北京100083) 摘要：本文对新型外涵引气冷却双层壁加力喷油杆的冷气流动特性进行了模拟实验 研究，为双层喷油杆结构设计和冷却性能研究提供基础。通过对八套不同结构尺寸 实验件的研究，得到了双层喷油杆冷却套管内气流流阻系数随来流质量流量的变化 规律、流阻系数随双层喷油杆结构尺寸的变化规律和冷却套内气流雷诺数随进口总 压的变化规律等。对八套实验件结果进行比较，综合三个因素最终选择了较为合理 的新型双层喷油杆结构尺寸。这种尺寸的喷油杆流阻系数较小，迎风尺寸宽较为合 适，相同工况下冷却气的雷诺数最大。 关键词：加力燃烧室 外涵引气气冷喷油杆流阻系数雷诺数 1 引言 随着航空技术的发展，航空发动机涡轮出口温度，llp；bn力燃烧室进口温度越来越高。在未来的加 力燃烧室中，普通材料的喷油杆可能因气流温度太高而损坏。且因燃油在高温下会分解，并产生沉淀 和结焦，甚至导致燃油沸腾，会给供油和燃油雾化进而给燃烧带来不利影响。因此，必须控制喷油杆 的温度。带冷却的双层喷油杆的设计方案就是针对这一要求而提出的。 前期研究…已经提出了一种气冷气动雾化喷油杆的设计方案，并对其冷却效果进行了初步研究。 实验结果表明该喷油杆的冷却方案可行，且该方案冷却气兼用于气动雾化。但其方案是由压气机供 气且是单杆供油。本文的研究根据今后高进气温度加力燃烧室研究的需要，采用由外涵引气的方案， 并且按分区供油需要，设计出外涵引气冷却双层壁单套双喷油杆的新方案。喷油杆的冷却是个流动 与换热相耦合的问题，涉及的影响因素比较多，外涵引气冷却具有不需要从压气机引气的优点，但 在有效引气上对双层喷油杆流路设计依赖更大。本文主要探讨双层喷油杆结构尺寸对冷却套内冷却 气流动特性的影响。由于采用了从外涵引气，希望在相同工况相同内外涵压力下引气量尽可能大、 流阻系数尽可能小；而为了有效的降温，希望在相同工况下套管内气流雷诺数尽量的大。只有搞清 了冷却套内气流流动特性，进而研究其冷却特性，才能设计出满足要求的气冷喷油杆。因此，对喷 油杆冷却套内流动特性研究是十分必要的。 2新型外涵引气双层喷油杆结构方案 对发动机高温部件冷却的常用技术有发汗冷却、气膜横向冲击冷却、多通道往返支板式冷却、 前缘冲击冷却、简单径向流冷却等。新型喷油杆的引气冷却，采用喷油杆夹层轴向对流式冷却方案。 冷却气可以由压气机引气，用气量控制在2％以内：也可以由外涵冲压进气，引气量也控制在2％以内。 490 图1 常规喷油杆结构图 常规喷油杆如图1所示，外涵引气双层加力喷油杆如图2、3所示。由图2、3可见，新型喷油杆采用 双层管壁结构，外为单气管，内为双油管，迎面尺寸略大于常规喷油杆。喷油杆冷却套壁为椭圆形，可 减少流阻损失。内管与冷却套间形成冷却气通道，冷却气在环形通道中流过，对喷油杆进行冷却。喷 油杆油孔处有空心隔块，冷却套上有相应的开孔，这样隔块、冷却套和冷气都不会影响燃油喷雾。 蓉固 图2外涵弓f气双层双杆喷油杆截面图 图3外涵引气冷却双层喷油杆安装示意图 外涵引气双层喷油杆的设计要求是：引气量足够大，但不能超过外涵流量的2％；能有效降低喷 油杆壁温；冷却套迎面尺寸尽量小，以减小内涵阻塞比；冷却不影响雾化；结构简单重量轻等。为 此必须首先研究冷却通道(冷却套环腔)流动特性，选择合适的冷却套结构和尺寸，使冷气流通道流 阻系数尽量小，引气量尽量大；冷气通道气流Re尽量大：而迎面尺寸尽量小。 3实验研究方法和过程 3．1双层喷油杆冷气流动特性模拟实验件 实验件结构(见图4、5)与真实双层喷油杆结构按几何相似原则设计。环腔结构与真实喷油杆基 本相同：冷却套壁厚相同，两侧壁平行，迎气流面与背气流面为圆形而冷气通道断面形成椭圆形环 腔。两喷油杆管径壁厚相同，间距相同，位于冷却套中心。实验件总长与实际短喷油杆相近，集气 箱长宽尺寸相近，高度略高。 为了孤立因素，突出主要，实验件适当进行了简化。实验件为两喷油杆直径相等且轴向平行(不 考虑两喷油杆分段外径变化和轴向