商用航空发动机燃油喷嘴雾化锥角测试技术研究.pdf

Value Engineering0 引言燃油喷嘴雾化锥角简称喷雾锥角，是表征喷嘴雾化性能的重要参数之一，其特性关系到火焰稳定、燃烧效率及污染物生成1，是商用航空发动机燃油喷嘴设计的重要参数。从活塞式发动机到燃气涡轮发动机，喷雾锥角测量始终是燃料喷嘴最重要的试验参数之一。早期的喷雾锥角测量手段主要是机械式探针法，一般是在雾锥轴平面内，在距离喷口的一定距离处的两旁各设置一根探针，测量时将探针沿垂直于雾锥中轴线方向逐渐移动，直至探针刚好接触到雾锥边界，将雾锥视为二维平面图形，计算可获得锥角大小2。机械式探针法简单实用，易于操作，实用性很强，现在仍有较广泛的使用。但是锥角的边界仍然是通过目测获得，有较大的主观性和局部性，无法最优逼近喷雾锥角真实值，而且测量的可重复性也比较差。20 世纪 80 年代开始，随着图形图像处理技术的应用以及可视化技术的发展，可以更加精准地直接获取雾锥的轮廓，同时还能够降低试验者的劳动强度，提高喷嘴锥角的检测效率。美国通用电气公司更加关注喷雾锥角的多维信息，设计使用了三组相机，从多个方向观察和测量喷雾锥角的变化。对于光学照相法获取的喷雾图像，锥角的提取以往通常采用的是直接目测喷雾边界，然后使用量角器（或者相似功能的软件）获得角度，仍然带有很强的主观性，尤其是当图像边界模糊时，可能导致较大的误差。中国科学院工程热物理研究所使用平面激光诱导荧光技术，获得灰度处理后的雾锥图像，定义灰度积分 95%处为喷雾锥角边界3。成都航利公司通过对喷雾锥角图像二值化处理得到黑白图片，再使用最小二乘法得到喷雾锥角边界4。在目前的锥角测量技术中，锥角边界是由人工判定，具有较大的主观性和系统性误差，需要开展自动判定方法的相关研究5。1 基于雾滴散射光强分布的喷雾锥角测试方法喷雾锥角测试系统主要由相机、光源、背景、观察窗以及图像处理软件等组成，如图 1 所示。由于锥角测试对时间尺度要求不高，选用普通数码单反相机，焦距固定，通过USB 接口控制。选择红光光源照明；使用黑色背景板组装拼凑环形试验暗室。为了消除试验过程中积聚附着在观察窗上的油液，设计使用了绕圆心轴线自旋转的观察窗，将窗面的燃油甩出，保持洁净。在观察窗和相机镜头之间增加了红色滤光镜，以提高对比度，最小化外界光线影响。此外照明光源和相机曝光时间也进行了平衡，以防饱和度过高，降低测试精度。瞬时喷雾场是无序的，需要使用多图处理技术进行时间平均，获得鲁棒性更好的图像3。对雾锥中心线上各点纵向光强进行分析，获得光强分布曲线，如图 2 所示。商用航空发动机燃油喷嘴雾化锥角测试技术研究Research on Commercial Aircraft Engine Fuel Nozzle Spray Cone Angle Measurement Techniques董干 DONG Gan曰张译元 ZHANG Yi-yuan曰郗宁宁 XI Ning-ning（中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海201306）（AECC Commercial Aircraft Engine Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）摘要院燃油喷嘴雾化锥角是商用航空发动机燃油喷嘴研制过程中的重要参数。为了解决人工识别喷雾锥角边界的测试方法中存在的主观性和系统性误差，采用了基于雾滴散射光强分布的喷雾锥角测试方法，开发了锥角测试系统及图像处理软件，校验了测试精度，试验验证了测试技术的可行性。结果表明该技术具备自动识别锥角功能、测试精度高、实用性较强。Abstract:The atomization cone angle of fuel nozzles is an important parameter in the development process of commercial aviationengine fuel nozzles.In order to solve the subjective and systematic errors in the test method of manually identifying the boundary of spraycone angle,the spray cone angle test method based on the distribution of scattered light intensity of droplets was adopted,and the coneangle test system and image processing software were developed.The test accuracy was verified,and the feasibility of the test technologywas verified by experiments.The results indicate that this technology has the function of automatically identifying cone angles,high testingaccuracy,and strong practicality.关键词院商用航空发动机；雾化锥角；雾滴散射；光强分布；测试技术Key words:commercial aircraft engine；spray cone angle；scatter from spray fuel drop；light intensity distribution；measurementtechniques中图分类号院V233.2文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-101-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.033要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院董干（1988-），男，安徽六安人，工程师，硕士，研究方向为燃烧室试验技术。图1喷雾锥角测试系统组成红色光源DSLR相机滤镜红色光源黑色背景板价值工程提取 50%峰值点为锥角边界点，最后使用最佳适应算法生成锥角边，两条锥角边的夹角即为喷雾锥角，如图 3所示。2 喷雾锥角测试精度校验尽管光学锥角测试系统采取了多种措施提高拍照获取照片的可靠性，目前仍然不能对相机采样的精度进行校准，锥角测试精度的校验主要针对软件分析图像的准确性进行校验。首先通过数学方法生成高斯型强度分布的标准图像。典型的激光束如图 4 所示，根据径向光强 I（r）的变化规律，可以编辑出锥角大小绝对准确的喷雾数字图像，再使用光学锥角测试软件分析生成的数字图像。通过数字生成单色图像，使得每一个像素值均代表一个光强值，再通过软件测量光强分布，二者之间经过比较和计算，即可获得测试精度的校验结果。如图 5 所示，依次开展 10毅120毅的模拟雾锥图像识别校验，得出喷雾锥角测试精度在依0.2毅以内。3 喷雾锥角测试技术试验验证3.1 试验对象及试验系统试验对象为某型压力雾化燃油喷嘴，最高工作压力14MPa，适用试验介质为 RP-3 航空煤油。试验系统的工艺流程如图 6 所示，在试验过程中使用单油路供油。3.2 试验结果及分析试验过程中调节供油流量到达目标工况后，稳定在控图3锥角边提取示意图图2雾滴散射光强分布160150140130120110100908070605040300102030405060708090100110距离/m峰值边界50%峰值边界图4高斯光束的强度分布d0R（Z）I（r）Z琢图6试验系统工艺流程图1073841112956试验件油箱1213燃油母管图5模拟雾锥图像校验喷雾锥角/度Value Engineering制精度范围内 0.5min1min 之后，保存测试结果，记录参数。预设的试验状态点为 1kg/h，3kg/h，5kg/h，7kg/h 和8.5kg/h，各状态点下的喷雾锥角拍摄与边界判定如图 7所示。在多图技术分析和数据处理后，结合相关工艺状态参数，可以得出试验结果如图 8 所示。在供油流量和压力较小时，雾滴速度较小，飘散范围较广，喷雾场稀疏，形成的锥角较大。在供油流量和压力小幅度上升后，逐渐形成浓密的喷雾场，喷雾范围也有所收缩，锥角变小。随着供油流量和压力不断上升，雾滴速度不断增加，喷雾锥角进一步增加，最终锥角值在小范围波动，达到较为稳定的状态。4 结论本文开展了基于雾滴散射光强分布的喷雾锥角测试方法研究，开发了测试系统软件和硬件设备。设计了测试精度校验技术，并开展了精度校验。使用某型号燃油喷嘴作为试验对象，开展了试验验证。得到主要结论如下：淤基于雾滴散射光强分布的喷雾锥角测试方法自动判定锥角边界，消除了人工识别锥角边界的误差；于经过精度校验，锥角测试精度臆依0.2毅，测试精度较高；盂经过试验验证，该测试技术应用效果良好，可以较好地支撑商用航空发动机燃油喷嘴研制等相关工作。参考文献院1甘晓华.航空燃气轮机燃油喷嘴技术M.北京：国防工业出版社，2006.2HB 7667-2000，航空发动机燃油喷嘴性能试验S.3刘存喜.多级旋流空气雾化喷嘴雾化特性及光学测试方法研究D.中国科学院研究生院（工程热物理研究所），2012.4伍文锋，吴建华，钟柳花，等.航空发动机燃油喷嘴雾化角度测量研究J.航空发动机，2017，43（05）：69-73.5Irene Ruiz-Rodriguez,Radboud Pos,Thanos Megaritis,LionelGanippa,InvestigationofSprayAngleMeasurementTechniquesJ.Digital Object Identifier 10.1109/ACCESS.2017.（a）1kg/h（b）3kg/h图7喷雾锥角拍摄与边界判定（e）8.5kg/h（c）5kg/h（d）7kg/h图8喷雾锥角试验结果3530252015喷雾锥角毅1.072.994.997.118.51供油流量kg/h