【高高原机场发动机点火的理论计算综述7700字】

附录第二章高高原机场发动机点火的理论计算所示，油雾的形成过程可以简化为：燃油迅速汽化形成液柱或液膜；燃油受到外力作用加上本身的运动状态不确定，使燃油发生波动或产生类似“山脊”的形态。在高压气体的作用下这些燃油逐渐分离出来，在分子引力的作用下，燃油会变为油珠。由于外力的存在，为了达到稳定状态，油珠会逐渐往更小直径的油珠转化[29]。由于分子粒的存在，油珠会始终保持先前的形状。图1.4燃油在空气作用下的雾化过程1.4.2燃油的受力准则根据外力对燃油油珠破裂的影响通常可以把外力分为以下两种类型：第一种为分子的内力，主要作用为可以使液珠的形状保持稳定；另一种为使液珠形状改变的力。其中高压气体对液滴的作用力和分子内力的比值叫做韦伯准则[30]：（1.9）式中，为高压气体流动的速度，为液珠直径，为高压气体密度，为燃油的表面张力系数。当We>14时，油珠就会破碎。1.5燃油喷嘴的雾化特性参数喷雾嘴角的改变会改变燃油雾化的效果[31]。变得很大时，燃油的小液滴会附着在燃烧室内表面上，使得内表面的温度升高[32]。当变得很小时，燃油难以扩散开。燃油燃烧时大部分发生在轴线附近，雾化效果变差，燃烧不充分，常常出现冒烟的现象[33]。假设燃油喷嘴喷射出的燃油保持水平，燃油喷雾到达的最远距离的曲面中心到燃油喷嘴的距表示为L[34]。随着距离增加，液滴运动速度减小，当液滴到达最远的水平距离时，一般将这个距离称为油雾的射程L。如果燃油雾化颗粒比较小，油雾的动量较小，此时通常油雾的射程会较短。如果燃油油滴射流比较集中，射流克服空气阻力的能力较强，往往喷射的距离较远。由于燃油的液滴直径的大小不一，有必要将其进行量化。提出了新的名词：油雾的平均直径。油雾的平均直径使用同一个尺度来衡量燃油的雾化颗粒[35]。同时保持燃油的物性不改变。计算的依据是燃油变化前后的质量、密度和总的表面积不变。有（1.10）（1.11）则有：（1.12）上述公式中，代表燃油颗粒的平均直径；代表经过燃油雾化之后，液滴的总数；代表直径为燃油雾化颗粒的总数。Tanasawa和Toyoda通过实验得出了燃油液滴雾化平均直径（SMD）的公式如下[36]:（1.13）上述公式中表示出油口的尺寸，表示出油口的燃油流速，表示燃油密度，表示燃油运动时的粘滞系数，表示燃油的表面张力，表示出油口附近的空气密度。燃油雾化平均直径作为现在应用最广泛的衡量液滴雾化水平的参数，由此可以得出液雾雾滴的总表面积S和雾滴的总体积V之间的关系式。由此可见，燃油雾化直径越小，总表面积就越大，蒸发也就越快。在此基础上提出了中间质量直径的概念，顾名思义中间质量直径是指该直径以上的液滴质量等于该直径以下的的液滴直径[37]。从定义在可以得出，当燃油雾化效果较好时，该数值越小。燃油雾化的平均直径可以反映雾化颗粒的大小，很大程度上可以作为燃烧是否充分的参考依据，可以表现油雾化粒度的水平。其分布情况一般比较符合R-R函数分布（RosinRammler），其分布函数为[38]：（1.14）上述公式里，V为液滴分布的比例，也就是雾化颗粒直径为D的雾滴体积占雾化总体积的比例；可以反映雾化水平的物理量；N表示雾化大小的分布常数，可以表征雾化大小颗粒的集中程度。随着N的变大，雾化直径偏差较小，雾滴越均匀。综上所述影响燃油雾化有下面几种原因：出油口的压力、出油口的形状、燃油质量和燃烧室原来的压力。对于燃油喷雾的压力可以划分为如下几种影响因素：对于油滴雾化尺寸的影响：当燃油喷雾压力比较小时，燃油的雾化直径会增加，当燃油雾化压力较大时，燃油的雾化质量会显著提升。燃油喷嘴的压力范围为1.0-1.5MPa的时候，燃油雾化平均直径将接近理论的最小值。燃油喷嘴压力对燃油喷射距离的影响：燃油喷嘴压力越大，燃油喷射的距离就越大。燃油喷嘴的形状对燃油雾化的影响：当燃油高速离开燃油喷嘴时会做离心运动，可以将运动的速度分解为切向和径向，这两个运动的速度大小与燃油喷嘴的形状关系非常大。同时燃油喷嘴的形状跟紊流的扰动强度密不可分，据此燃油喷嘴的形状是关乎燃油雾化成功与否的很大要素。燃油品质：燃油品质对雾化效果的影响体现在油滴的粘滞系数和分子内力。粘滞系数过大的燃油会阻碍燃油表面波的发生，使得小液柱很难变为小液滴，使得燃油的粘度提升。进一步产生直径更大的液滴，使得燃油雾化平均直径增大，燃油难以被雾化。分子内力也会阻碍燃油表面波的形成，使燃油雾化变得困难，当分子内力变大时，燃油雾化效果不佳。燃烧室背压：背压对雾化的影响可以进一步细化成3个方面：燃油喷雾的压力对燃油射流尺寸的影响：当燃烧室内的压力增加时，燃油喷出的长度变小。主要原因在于燃烧室内的气体压强较大，使喷嘴出口燃油的速度减小，阻碍燃油在燃烧室中的运动。燃油喷雾压力对燃油喷出角度的影响：燃烧室内部压力增加时，燃油喷出角度会变大。当压力达到1.0~1.5MPa时，这种影响会减弱，甚至基本没影响。燃油喷雾的压力对液滴雾化的影响：当燃烧室内不的压强变大时，燃油液柱会变细，燃油雾化的平均直径也会变小。随着燃烧室内的气体密度变大，相邻分子间碰撞的概率变大。气态分子的能量会传递给液态分析使液态分析的运动速率变快，造成雾化液滴的平均直径变小。本节主要从理论上分析了燃油喷嘴的喷射角度、燃烧室背压和燃油品质等要素对燃油雾化效果的影响。为下一节高高原机场燃油雾化的做铺垫。1.6高高原环境对燃油雾化的影响高高原环境不会改变喷嘴结构。因此燃油雾化效果主要取决于燃油的好坏、燃油出口压力以及燃烧室内部压力。燃油的好坏主要取决于燃油的粘滞系数和燃油的表面张力，而且这两个要素都会受到的作用。当飞机发动机于11月到来年3月在高高原机场运行时：由于外场温度较低，燃油的粘滞系数较高、液体的表面张力变大，燃油雾化尺寸较大。随着温度的降低发动机内的滑油温度较低，影响了燃油热交换机的正常工作，使得燃烧室内的任由温度较低。，燃油平均雾化直径变大。高高原机场气候特殊，环境较为恶劣。这也使发动机进气口压力变小，最终导致高压气体的速度降低。在高高原的气候条件下，大气密度低，则相同N1转速的情况下，压气机进气流速不会改变，同时进口截面积是无法改变的。所以由下式可得，空气流量会随着密度的降低而降低：（1.15）为了方便计算最小点火能量和雾化平均直径的数值，需要计算空气密度：（1.16）大气温度：（1.17）大气压强：（1.18）上述公式中表示海平面标准大气压（Pa），表示标准大气温度（k），H表示高原的海拔高度（m）,其初始值如下：则可据此估算出各高高原机场的大气密度，如下表所示：表1.2高高原机场相对海平面的大气数据海平面0101325288.151.225神农架场258073950271.470.950林芝机场294970582268.150.915贡嘎机场360064952264.750.855由表1.3可明显知道，随着海拔高度的上升，密度会逐渐的下降。则我们以拉萨贡嘎机场为例进行计算。拉萨贡嘎机场的大气密度为0.855kg/，而海平面处的大气密度为1.225kg/，则可以计算出，林芝机场的大气压相比海平面降低了24.5%。如果保持飞机发动机燃油和空气的比例不变，那么燃油的流量也会相应变小，使得燃油出口压力变小。1944年由苏联学者提出的离心喷嘴理论可以求得燃的轴线速度和喷嘴流量，如下[39]：（1.19）（1.20）上述公式中表示发动机转动速度系数，表示供应燃油的压力差，表示流量系数，表示喷油嘴的横截面积[40]。为了简化计算过程，作了如下的设定：把燃油当成粘滞系数为零的流体，喷油嘴始终处于最大的工作压力以及设定燃油没有径向的流动趋势。燃油喷嘴出口处的孔径是固定不变的，因此，随着燃油压力的减小，燃油喷出的压力差也会逐渐变小。通过之前的研究可得，随着燃油压力的变小。燃油喷出的角度会随之变小，燃油喷出的距离也会变短，雾化液滴的平均直径也会变大。三个要素共同作用使得燃油雾化不佳。在高高原机场，大气密度和环境温度较低，两者都会使燃烧的化学反应速率降低，对点火性能产生不良影响，导致最小点火能量增加[41]。而对流速度并不会受到高原环境的影响，所以不予考虑。最后一个因素是燃油雾化，它对点火性能也有着非常重要的影响，主要分为3个方面：温度降低导致燃油品质降低，大气密度降低导致燃烧室背压减小，以及低密度间接导致喷射压力的降低。这三者都会使雾化效果恶化，导致最小点火能量的升高，造成点火困难。而根据上文的描述，发动机点火出现问题，经常发生在高高原机场清晨的第一班航班，冬天比夏天影响更显著；在过夜后的首个航班，发动机还处于冷发状态，则相比热发状态滑油温度较低，对燃油的加热作用减弱，点火性能更差。为了能够对这种点火能量的改变有个更加直观的认识，本文将结合上述公式，对其进行一个推算，得出高高原机场对点火能量的影响程度。而在几个影响因素中，化学作用的计算要涉及到火焰传播速度，较为复杂，难于计算。飞机所采用的航空燃油的性质又比较稳定，受温度的影响较小，不予考虑。所以，本文将仅从密度对燃烧室背压和喷射压力的影响方面进行计算，也希望能以此为例，反应高高原环境对点火性能的影响程度。为了方便计算，本文以标准海平面处的SMD和最小点火能量作为参照，假设该处，，并且忽略其他一切无关参数影响。由以上分析可知，密度降低的影响可分为2个方面：一、密度改变导致喷射压力变化以林芝机场为例，上文已经计算出空气流量下降了24.5%，设定燃油和空气的比例不变，则燃油压力也会减小24.5%。假设燃油的密度保持不变，可以推算出燃油的出口速度将降低24.5%。由上述公式可以看出，随着燃油雾化平均直径的增加喷射速度随之减小，即燃油雾化的平均直径会增加35.7%。而最小点火能量又燃油雾化的平均直径的4.5次方成正比，可以推算出，林芝机场的最小点火能量会增加为海平面的3.74倍。同理也可以推