CN112964471A - 一种雾化单元体及具有其的发动机溢流式结冰试验设备 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机试验领域，特别涉及一种雾化单元体及具有其的发动机溢流式结冰试验设备。雾化单元体包括：壳体、喷杆、喷嘴。所述壳体呈圆筒形；所述喷杆包括多个，多个所述喷杆分别平行安装在所述壳体中；所述喷嘴包括多个，所述喷嘴分别安装在所述喷杆上，多个所述喷嘴呈正六边形排布，且相邻所述喷杆上的喷嘴交错排布。本申请能够提升结冰雾化设备的性能指标，扩展结冰雾化设备的试验能力范围，可适应不同型号发动机溢流式结冰试验的要求，同时对于小空气流量发动机结冰试验，通过雾化单元体工作区域范围有效设置，选取最少的工作喷嘴数量，减少试验供水、供气的消耗量，从而减少发动机结冰试验的试验成本。

Description

一种雾化单元体及具有其的发动机溢流式结冰试验设备

技术领域

本申请属于航空发动机试验领域，特别涉及一种雾化单元体及具有其的发动机溢流式结冰试验设备。

背景技术

开展发动机结冰试验可以有效验证航空发动机防冰系统的可靠性，避免由于发动机在结冰环境条件下发生结冰所产生的各类故障。鉴于发动机结冰特性模拟要求的复杂性和结冰试验要求的多样性，通常采用冰风洞结冰试验、高空模拟结冰试验、飞行结冰试验和地面模拟结冰试验等结冰试验方法，对发动机及其防冰系统进行结冰试验测试及验证。从发动机整机结冰试验的经济性和安全性考虑，地面模拟结冰试验是当前应用最广泛的试验方法。发动机地面模拟结冰试验通常在具有自然低温环境条件的露天试车台上开展，主要利用地面模拟结冰雾化设备在发动机进气截面前端形成结冰雾化环境，保证发动机进气气流中的结冰环境条件(即气流中的液态水含量和平均有效水滴直径等参数)满足相关标准规范规定的要求，从而模拟自然环境条件下的发动机地面结冰试验。溢流式地面模拟结冰雾化设备主要用于各型发动机的整机结冰试验。溢流式地面模拟结冰雾化设备设置在发动机进气截面前端，主要由风源系统和雾化单元体等部分组成，风源系统的主要功能是根据发动机型号(空气流量)的不同，控制结冰雾化设备出口的雾化流场的空气流量和气流速度；雾化单元体的主要功能是根据风源系统的空气流量，控制雾化流场范围和雾化场中的结冰环境条件(气流中的液态水含量和平均有效水滴直径)，通过对风源系统和雾化单元体的匹配控制满足不同型号发动机结冰试验要求。

现有技术中雾化单元体主要用于冰风洞中封闭管道内空气流场的喷水雾化，雾化单元体结构形式及其喷嘴控制方法，只需保证管道后端试验段位置的结冰条件要求，冰风洞结构尺寸小、空气流量范围较小，相对应的雾化单元体结构尺寸小、雾化流量范围小，仅适用于冰风洞中的发动机防冰系统的部件级试验。而溢流式结冰雾化设备出口为开放式空间环境，其空气流量覆盖几十公斤到上千公斤的范围，相对应的雾化单元体的结构尺寸大、雾化流量范围大；现有技术方案中的雾化单元体中的喷嘴分组排列方式、流量调节范围、雾化均匀性控制方法等，仅适用于封闭管道内空气流场的喷水雾化要求，无法应用到溢流式结冰雾化设备中，即无法根据试验发动机空气流量控制雾化流量范围和雾化流场均匀性要求。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种雾化单元体及具有其的发动机溢流式结冰试验设备，以解决现有技术中存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

本申请的第一个方面提供了一种雾化单元体，包括：

壳体，所述壳体呈圆筒形；

喷杆，包括多个，多个所述喷杆分别平行安装在所述壳体中；

喷嘴，包括多个，所述喷嘴分别安装在所述喷杆上，多个所述喷嘴呈正六边形排布，且相邻所述喷杆上的喷嘴交错排布；

其中，相邻两个喷嘴之间的间距设置为d，d等于喷嘴在空气流场中所形成雾化区域的直径；

位于所述壳体横截面中心线位置的最长喷杆上安装有m个喷嘴，m为单数；

所述壳体直径φD＝m·d；

相邻喷杆的间距为

喷杆的总数量n与最长喷杆上安装的喷嘴的数量m相同，n＝m；

位于所述壳体横截面两端的最短喷杆安装有

个喷嘴；

所述喷嘴总数量为

可选地，每个所述喷嘴上均设置有阀门，通过控制器能够控制所述阀门实现开启或关闭。

可选地，所述雾化单元体的工作区域为包括所有喷嘴的正六边形区域。

可选地，开启所述工作区域内的所有喷嘴的阀门，进入工作模式。

可选地，开启所述工作区域内的1/4喷嘴的阀门，进入工作模式。

可选地，所述雾化单元体的工作区域为沿周向去除正六边形外排喷嘴的正六边形区域。

可选地，开启所述工作区域内的所有喷嘴的阀门，进入工作模式。

可选地，开启所述工作区域内的1/4喷嘴的阀门，进入工作模式。

本申请的第二个方面提供了一种发动机溢流式结冰试验设备，包括如上所述的雾化单元体，还包括：

发动机，所述发动机安装在试车台架上，所述发动机的进气口与所述雾化单元体的出口连接；

风源系统，所述风源系统与所述雾化单元体的进口连接。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的雾化单元体，提升了结冰雾化设备的性能指标，扩展了结冰雾化设备的试验能力范围，可适应不同型号发动机溢流式结冰试验的要求。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的雾化单元体示意图；

图2是本申请一个实施方式的雾化单元体工作区域示意图；

图3是本申请第二个实施方式的雾化单元体工作区域示意图；

图4是本申请第三个实施方式的雾化单元体工作区域示意图；

图5是本申请一个实施方式的发动机溢流式结冰试验设备示意图；

图6是本申请一个实施方式的发动机溢流式结冰试验设备出口流场分布图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图6对本申请做进一步详细说明。

本申请的第一个方面提供了一种雾化单元体，包括：壳体、喷杆以及喷嘴。

具体的，雾化单元体是发动机溢流式结冰试验设备的关键组成部分，其性能指标直接影响结冰雾化设备的试验能力。雾化单元体采用空气雾化喷嘴，根据结冰雾化设备的最大雾化流量参数、雾化粒径范围、雾化截面最大直径等技术指标和单个雾化喷嘴的性能参数，确定标准空气雾化喷嘴的型号和总数量。如图1所示，本申请中雾化单元体包括呈圆筒形的壳体，具有圆形截面。喷杆包括多个，分别平行安装在壳体中，喷杆用于空气雾化喷嘴安装固定，并通过喷杆向空气雾化喷嘴提供一定流量、一定压力的水介质和压缩空气，通过调节供水压力和供气压力可以控制空气雾化喷嘴出口水介质的雾化参数，以实现结冰条件参数，例如液态水含量和平均有效水滴直径的要求，喷杆采用横向布置形式。喷嘴包括多个，喷嘴分别安装在喷杆上，为了保证后端空气流场中结冰条件参数分布的均匀性，空气雾化喷嘴在雾化截面采用正六边形布置形式。

本申请的雾化单元体，根据单个标准空气雾化喷嘴在空气流场中所形成雾化区域直径d，确定任意相邻喷嘴之间的间距为d。设定雾化单元体中安装在壳体横截面中心线位置的最长喷杆上喷嘴的数量为m，m为单数；为保证任意相邻喷嘴之间的间距相同，相邻喷杆上的喷嘴采用交错布置。另外，雾化单元体相关参数确定如下：雾化单元体的壳体直径φD＝m·d；相邻喷杆的间距为

喷杆的总数量n与最长喷杆上安装的喷嘴的数量m相同，n＝m；位于壳体横截面两端的最短喷杆安装有

个喷嘴；喷嘴总数量为

溢流式结冰试验时，发动机进气可以看作是进气截面处的圆形区域范围内的气流完全进入发动机，该部分气流完全由结冰雾化设备的风源系统提供，发动机进气截面区域范围的直径大小受该区域范围内气流速度的影响，即受结冰雾化设备出口气流速度的影响，出口气流速度低则对应发动机进气区域范围大、出口气流速度高则对应发动机进气区域范围小，为保证被试发动机的进气流场边界始终处于雾化流场区域范围内，可根据被试发动机的空气流量匹配适合的风源系统的空气流量。

从溢流式结冰雾化设备出口流场分布可以看出，速度核心区内气流速度始终与喷口出口处的气流速度保持一致，可以认为速度核心区内气流参数未受外界环境气流参数的影响，只要保证发动机进气边界区域范围始终处于速度核心区内，速度核心区内雾化气流的结冰条件参数，例如液态水含量、平均有效粒径和液态水分布的均匀性满足发动机结冰试验相关标准规范的要求，就可以认为进入发动机的雾化气流满足结冰试验要求。

本申请的雾化单元体，每个喷嘴上均设置有阀门，通过控制器能够控制阀门实现开启或关闭。通过对雾化单元体工作区域范围设置，可有效控制雾化流场区域范围的大小，雾化单元体工作区域范围设置主要依据被试发动机的空气流量和风源系统的空气流量。

本申请的雾化单元体，雾化单元体工作区域φA内的喷嘴采用全部喷嘴开启工作或1/4数量的喷嘴开启工作两种工作模式的控制方式。两种工作模式通过保证喷射截面处任意相邻工作喷嘴之间的间距保持相等，从而保证后端流场中液态水分布的均匀性。在本申请的优选实施例中，如图2-图4所示，分别给出了三种工作区域划分方式及工作区域内喷嘴开启控制方式。在本申请的一个实施方式中，雾化单元体的工作区域为包括所有喷嘴的正六边形区域，如图2所示。本实施例中，开启工作区域内的所有喷嘴的阀门，进入工作模式；或者开启工作区域内的1/4喷嘴的阀门，进入工作模式，将相邻四个喷嘴作为一个喷嘴单元，每个喷嘴单元中的仅一个阀门进入工作模式。在本申请的另一个实施例中，雾化单元体的工作区域为沿周向去除正六边形外排喷嘴的正六边形区域，如图3和图4所示。本实施例中，开启工作区域内的所有喷嘴的阀门，进入工作模式；或者开启工作区域内的1/4喷嘴的阀门，进入工作模式。

本申请不限于上述三种工作区域划分方式，可按上述划分原则对新型雾化单元体划分出更多的工作区域，从而实现雾化单元体全流量范围内的无极调节，以适应不同型号的发动机结冰试验要求。

本申请的第二个方面提供了一种发动机溢流式结冰试验设备，包括如上的雾化单元体，还包括发动机以及风源系统。

具体的，如图5所示，发动机安装在试车台架上，发动机的进气口与雾化单元体的出口连接；风源系统与雾化单元体的进口连接。

本申请的发动机溢流式结冰试验设备，通过对新型雾化单元体雾化参数与风源系统空气流量的匹配控制，可以用于各型发动机的溢流式结冰试验。发动机溢流式结冰通常在具有低温环境条件的露天试车台上开展，试验时发动机安装在露天试车台架上，溢流式结冰雾化设备安装于发动机进气端的正前方。雾化单元体安装于风源系统出口端，风源系统提供一定流量的气流，雾化单元体将水雾化后注入到该部分气流中，从而形成满足结冰试验所需的雾化气流，并由风源系统将雾化气流送往发动机进气截面，结冰雾化设备产生的雾化气流一部被发动机自然吸入，另一部分扩散到发动机周围的大气环境中。

本申请的发动机溢流式结冰试验设备，如图6所示，设备出口的气流状态相当于喷口的气流射流，流场中间部分的气流流速始终保持不变，都等于喷口出口的气流速度，该区域称为速度核心区，速度核心区是一个等腰三角形，喷口流场包括速度核心区在内的上游部分为混合区，下游部分为扩散区，速度核心区的长度与喷口形状、气流速度等相关，一般在5倍喷口到8倍喷口之间变化。该设备主要由雾化单元控制其出口处雾化流场区域范围边界和雾化气流中的结冰条件参数，例如液态水含量、平均有效水滴直径、液态水分布均匀性，从而达到对速度核心区范围内的雾化流场区域边界和雾化流场区域范围内气流的结冰条件参数控制。发动机进气流场始终处于结冰雾化设备出口形成的速度核心区范围内，即结冰雾化设备形成的雾化空气流场的空气流量和流场范围始终完全覆盖发动机进气流场的空气流量和流场范围，才能避免雾化流场范围之外的干空气进入发动机，从而保证发动机结冰试验的效果。

本申请的雾化单元体及具有其的发动机溢流式结冰试验设备，通过对雾化单元体中的工作区域设置、空气雾化喷嘴分组开闭控制、工作喷嘴流量控制和风源系统空气流量的匹配控制，实现雾化单元体全流量范围内的无极调节，并且保证雾化空气流场中的结冰条件满足标准规范的要求。本申请能够提升结冰雾化设备的性能指标，扩展结冰雾化设备的试验能力范围，可适应不同型号发动机溢流式结冰试验的要求，同时对于小空气流量发动机结冰试验，通过雾化单元体工作区域范围有效设置，选取最少的工作喷嘴数量，减少试验供水、供气的消耗量，从而减少发动机结冰试验的试验成本。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种雾化单元体，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体呈圆筒形；

喷杆，包括多个，多个所述喷杆分别平行安装在所述壳体中；

喷嘴，包括多个，所述喷嘴分别安装在所述喷杆上，多个所述喷嘴呈正六边形排布，且相邻所述喷杆上的喷嘴交错排布；

其中，相邻两个喷嘴之间的间距设置为d，d等于喷嘴在空气流场中所形成雾化区域的直径；

位于所述壳体横截面中心线位置的最长喷杆上安装有m个喷嘴，m为单数；

所述壳体直径φD＝m·d；

相邻喷杆的间距为

喷杆的总数量n与最长喷杆上安装的喷嘴的数量m相同，n＝m；

位于所述壳体横截面两端的最短喷杆安装有

个喷嘴；

所述喷嘴总数量为

2.根据权利要求1所述的雾化单元体，其特征在于，每个所述喷嘴上均设置有阀门，通过控制器能够控制所述阀门实现开启或关闭。

3.根据权利要求2所述的雾化单元体，其特征在于，所述雾化单元体的工作区域为包括所有喷嘴的正六边形区域。

4.根据权利要求3所述的雾化单元体，其特征在于，开启所述工作区域内的所有喷嘴的阀门，进入工作模式。

5.根据权利要求3所述的雾化单元体，其特征在于，开启所述工作区域内的1/4喷嘴的阀门，进入工作模式。

6.根据权利要求2所述的雾化单元体，其特征在于，所述雾化单元体的工作区域为沿周向去除正六边形外排喷嘴的正六边形区域。

7.根据权利要求6所述的雾化单元体，其特征在于，开启所述工作区域内的所有喷嘴的阀门，进入工作模式。

8.根据权利要求6所述的雾化单元体，其特征在于，开启所述工作区域内的1/4喷嘴的阀门，进入工作模式。

9.一种发动机溢流式结冰试验设备，包括如权利要求1至8任意一项所述的雾化单元体，其特征在于，还包括：

发动机，所述发动机安装在试车台架上，所述发动机的进气口与所述雾化单元体的出口连接；

风源系统，所述风源系统与所述雾化单元体的进口连接。

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