航空燃气涡轮发动机喷嘴积炭与防护.docx
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航空燃气涡轮发动机喷嘴积炭与防护
航空燃气涡轮发动机喷嘴积炭与防护
西安航空职业技术学院毕业设计论文
西安航空职业技术学院
毕业设计,论文,
论文题目:
航空燃气涡轮发动机喷嘴积炭与防护
所属系部:
航空维修工程系
指导老师:
职称:
副教授/高工
学生姓名:
班级、学号:
专业:
航空机电设备维修
西安航空职业技术学院制
年月日
1
西安航空职业技术学院毕业设计论文
西安航空职业技术学院
毕业设计,论文,任务书
题目:
航空燃气涡轮发动机喷嘴积炭与防护
任务与要求:
时间:
2008年12月01日至2009年3月30日共八周
所属系部:
航空维修工程系
学生姓名:
学号:
专业:
航空机电设备维修
指导单位或教研室:
航空机电教研室
指导教师:
职称:
副教授/高工
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毕业设计（论文）进度计划表
指导教师日期工作内容执行情况签字12月8号查找资料，确定毕业设计的题~12月12目。
号
12月13号查找资料，充实毕业设计的内~12月16容号
12月17号
~12月19列出毕业设计的大纲
号
12月20号
~12月26完成初稿
号
12月27号建立电子档~1月9号
教师对进
度计划实
施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
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1、引言..................................................................62.喷雾机理及影响雾化因素......................................................62.1雾化机理...................................................................62.2影响雾化的主要因素.........................................................6
2.2.1燃油及空气的物性参数...................................................7
2.2.2离心喷嘴几何参数.......................................................7
3、积炭的形成原因及防护方法..................................................83.1形成原因（积炭机理）.......................................................83.2燃油燃烧物理性质因素.......................................................9
3.2.1燃料燃烧的生炭性.......................................................9
3.2.2.燃料的热安定性产生的积炭..............................................13
3.2.3.油中含有杂质的堵塞....................................................153.3积炭防护方法.............................................................16
3.3.1.防止喷嘴端部积炭......................................................16
3.3.2.防止喷嘴内部积炭......................................................183.4防护对气流带来的影响.....................................................214、喷嘴严重积炭故障.........................................................244.1故障现象..................................................................244.2故障原因及排故措施........................................................245、结论.....................................................................25谢辞........................................................................26参考文献....................................................................27
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航空燃气涡轮发动机喷嘴积炭与防护
【摘要】
燃油喷嘴式燃气轮机的关键部件，对燃气轮机性能有至关重要的作用。
它
在实际使用中，易产生积炭。
如果喷嘴被积炭严重堵塞，对发动机工作可靠和安
全性起到重要影响，易造成严重的飞行事故。
本文从雾化机理、影响雾化的因素;积炭机理与防护;防护气流带来的影响
和喷嘴严重故障等方面来进行论述。
关键词:
喷嘴雾化积炭防护
Abstract:
Fuelnozzle-typegasturbinekeycomponentsofgasturbineperformancehasacrucialrole.Itinactualuse,easytoproducecoke.Ifthenozzlewasaseriouscokeplugontheenginereliableandjobsecurityplayanimportantimpact,easytocauseseriousflightaccidents.
Thisarticlefromtheatomizationmechanismofthefactorsthataffecttheatomization;carbondepositionmechanismandprotection;protectiveairflowimpactofseriousfailuresandnozzles,etc.fordiscussion.
Keywords:
NozzleAtomizationCoke
ProtectionFault
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1、引言
航空器的诞生和发展，不仅极大地改变了人类的生活方式，促进了社会经济繁荣，而且成为决定现代战争胜负的重要因素和国家综合实力的体现。
建国以来，我国航空工业经历了维修、仿制、自主研发、试验、装备使用等过程，取得了丰硕成果。
尤其是近20年来，航空技术研究有不少突破性科技成果，涌现出一大批有突出贡献和学术成就斐然的技术专家、学科带头人，他们的科学成就和丰富经验，是我国航空事业的宝贵财富。
记录这些经验，可以扩大航空领域科学技术的交流，促进航空科技事业的继承与发展，加快航空科技人才的培养和提高。
燃油喷嘴是燃气涡轮发动机的关键部件，对燃气轮机有着重要的作用。
现代燃气涡轮发动机对燃油喷嘴技术要求愈来愈高，而喷嘴在工程使用中不可避免的会遇到积炭与防护等问题。
燃油喷嘴是燃气涡轮发动机最关键的机件之一，其结构精密，技术要求高。
燃气涡轮发动机在实际使用中，喷嘴易产生积炭，积炭发生在喷嘴稳定，也会发生在起动或停车工作状态（动态）时。
一旦喷嘴被积炭严重堵塞，喷嘴的燃油喷射质量，即液雾的尺寸及尺寸分布、燃油流量，喷雾锥角和燃油周向分布的均匀度将恶化，对燃油效率、热部件寿命及发动机工作可靠性和安全性起到至关重要的影响，易造成严重的安全飞行事故。
因此，喷嘴的积炭防护在喷嘴的设计和使用中应高度重视。
本文章着重介绍航空燃气轮机喷嘴积炭的形成原因与防护知识，以及积炭引起的故障及排故方法和积炭的消除方法。
2.喷雾机理及影响雾化因素
2.1雾化机理
燃气轮机的燃油雾化是采用燃油喷嘴来实现的。
无论何种雾化方式，是液压的、气动的或机械的，都是是燃油形成良好的薄膜或射流，通过增强液流与气流的相对运动，是薄膜或射流产生不稳定，导致破碎雾化形成液滴群，最后以某种规定的型态和方向喷向燃烧区进行燃烧。
2.2影响雾化的主要因素
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2.2.1燃油及空气的物性参数
（1）供油压力和液体射流与空气相对速度
对于燃油的雾化，空气动力起相当大的作用，即相对气流速度愈大，空气动力愈强，雾化愈细。
相对速度取决与气流速度和燃油喷射速度，喷射速度又取决于供油压差?
Pt。
2,,2ddaa00u从公式中可以看出，与成反比，影响显著，因此在发动机,D,f加力燃烧室中常常采用逆向喷油，或使旋流器与喷油锥的旋转方向相反，以增大相对流速度，提高雾化细度。
在高空时，发动机因空气稀薄，流量减少，为了保持余气系数不变，势必要减少供油量，一般采用降低供油压差的方法，但由于下降，喷射速度下降，雾化变劣，因此使燃烧室工作性能恶化。
（2）空气压力
近代发动机增压比增加，特别是在低空时，燃烧室进口压力增加许多，空气密度加大，作用在燃油射流上的气动力增大，因此有利于雾化。
实验证明，索太尔直径SMD与压力有如下关系:
0.55pSMD?
a
d,当在高空低速飞行时，因空气压力下降，故增大，从而使燃油质量恶32a
化。
（3）表面张力和粘性
燃油表面张力大表明燃油分子内聚力强，不易破碎，而粘性大表明燃油内摩擦阻力大，燃油的扰动和变形都不易发展，并使燃油在离心式喷嘴内空心涡直径变小，油膜加厚，这些均使燃油不易破碎，从而使油珠变大，雾化质量不好。
温度的增加使表面张力和粘性降低，能改善雾化，发动机上常常采用燃油作润滑油的散热剂，即降低滑油的温度，又提高燃油的温度，从而改善了雾化和蒸发。
2.2.2离心喷嘴几何参数
喷嘴的状况，当然对喷雾有重要影响，特别体现在它的几何特征参数
Rrar,ur,A=上，如果A值增大，意味着R或加大，或减小，使和减小，而增c12nr1r,,,大。
由于减小，将导致加速。
的加速及R的加大，都使R增大，动量矩1111
a,增大，旋转运动加强，因此燃油射流在喷口处的切向速度增大，而下降，u
m,流量下降。
此时空心涡加大，油膜变薄。
也由于扩张角加大，油膜迎风面f
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积加大，雾化较好，分布也较广，形成可燃混气的距离短。
但当和过大时，,u燃油容易碰壁，形成集油，对燃烧及火焰筒壁面处温度较高，使火焰筒寿命下降，有时引起局部过热，会使火焰筒烧穿或变形。
llccru喷孔长度与喷口直径的比值对和都有影响，由于燃油有粘性饿壁,crlcc,u面有摩擦，当较大时，损失加大，下降，使减小，同时也使下降。
urc喷嘴的加工质量应当十分严格。
单个喷嘴口的表面粗糙和不均称，多个喷嘴的喷雾质量不一致，将导致燃烧室及发动机工作的恶化，以至造成灾难。
因此对喷嘴的加工质量及分组选配都必须严格、精密。
3、积炭的形成原因及防护方法
3.1形成原因（积炭机理）
在燃气涡轮发动机的使用过程中，可能在喷嘴，燃烧室火焰筒壁和头部生成一种松软的炭黑状或焦炭状积炭（图1）。
形成积炭时，喷嘴的流体性能发生变化，在燃烧室结构内部会出现较大的温度梯度，涡轮前燃气温度场不均等。
由于这些情况，火焰筒可能翘曲和龟裂，涡轮导向叶片烧毁。
喷嘴上产生积炭的情况可分为两类。
一类是燃油从喷嘴的喷口喷出后，在喷嘴出口附近形成局部富油区，产生大量的炭粒子附着在喷嘴端面而堵塞喷孔表面
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乃至内部。
第二类是由于燃烧室内温度很高，在燃油总管内或喷嘴内产生热氧化沉积物。
尤其是喷油喷油停止后，喷嘴体受燃烧室高温的影响，喷嘴内残积油中的非溶性硫氧化合物在灼热的喷嘴内表面会发生裂解氧化，缩合脱氧结焦积炭;此外，使用含有杂志的燃油导致喷嘴堵塞，其危害性与喷嘴积炭内部堵塞所造成的危害是相同的。
燃气涡轮发动机内的炭沉积同燃料的性能和燃烧室内工作过程的完善有关（与烟雾，混合和燃烧等过程的组织也有关）
3.2燃油燃烧物理性质因素
3.2.1燃料燃烧的生炭性
积炭的形成是由于烃类燃料裂化，热解和氧化之后，化学反应产物在燃烧室零件炽热表面上缩合和焦化的结果。
这时型层沥青质，羟基酸，炭沥青质，焦油沥青质及其他化合物，即形成积炭，典型的喷嘴积炭组成列于表1。
表1涡轮螺旋桨发动机喷嘴上T-2和TC-1燃料积炭的元素组成
积炭的质量/%（重）
0工作时工作时工作时间工作时间
间间25h50h
组分25h50h
T—2T—TC—1T—2T—TC—1
22
灰分1.10.91.21.01.81.8其中Fe40.643.216.43032.418.4有机部分的组成
C78.678.386.681（7583.592.15
0
积炭的质量/%（重）
工作时工作时工作时间工作时间
组分间间25h50h
25h50h
T—2T—TC—1T—2T—TC—1
22
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H2.01.801.653.072.541.84
S0.220.330.170.320.230.72
N0.660.770.850.680.850.88
O17.7518.510.2510.7711.84.35
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燃烧室内的余气系数减小，在喷嘴和火焰筒上会增加炭的生成。
当混合气加浓，燃料的密度和粘度增大时，积炭便呈现规律性的增大。
燃料蒸发性能的提高会降低炭生成的强度。
随着燃料内胶质和硫含量的增加，燃气涡轮发动机内的炭沉积也增大。
这时，积炭变得较为密实。
飞行中，当使用T-2燃料工作时，喷气发动机喷嘴上产生的积炭性能列于表2。
从表内数据可见，积炭的主要组分是炭（75,,85,）和氧（8,,21,）,氢的数量并不大，为1.8,,5.8，积炭的灰分是低的，为0.7,,1.8,。
积炭的灰分主要由铁、硅、钙、镁、铝、钠、铅等的氧化物组成。
表2发动机用T—2燃料时，燃料喷嘴上的积碳的性能
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燃料喷嘴上积炭沉积的强度取决于C:
O比。
C:
O比越小，在飞行条件下，喷气发机喷嘴上的积炭就越多。
积炭的生成主要是在液相中进行的，当燃料液滴尚未完全蒸发的时候。
但燃料液滴变成气相时，燃料蒸汽进行燃烧，主要产生氧化型和根基型（原子团）产物。
当受热的温度上升时，燃料液滴可以加速芳香烃氧化缩合的过程，于是积炭的数量增大。
当气体介质的温度下降时，液相缩合过程降低，燃料进行蒸发和燃烧，并不产生积炭。
因此，在经过对飞行中飞机的喷气发动机燃料上产生积炭的研究证明，当使用T-2燃料时比使用TC-1时产生的积炭要多，况且，在运输机发动机喷嘴上产生积炭的过程要比在亚声速飞机发动机喷嘴上的要大。
为了研究在地面条件下喷嘴上积炭产生的过程，曾经取用了经过100h台架试验的喷嘴的积炭（TC-1和T-1燃料），见表3
运输机（有以下发动机）高速机（有以下发动机）
No1No2No1No2No3指标工作工作工作工作工作工作工作工作工作工作
时间时间时间时间时间时间时间时间时间时间
25h50h25h50h25h50h25h50h25h50hH2.122.282.001.802.874.972.975.853.072.54S0.430.480.220.330.220.220.220.210.320.23N0.350.430.430.660.770.580.580.600.680.85O21.1320.0917.7518.1510.288.6210.878.3010.7711.88积碳灰分的元素组成/%Fe20.724.4840.6043.230.5137.838.0537.430.032.4Si2.873.5519.441.4413.5612.9611.712.023.220.8Ca1.721.324.93.21.091.181.831.122.352.11Mg1.61.21.41.510.70.80.90.641.72.33Al3.163.068.7310.082.262.62.92.9410.089.42Na0.90.632.322.122.662.252.22.71.41.32Zn2.21.23.163.32.882.992.882.70.020.3Cu0.880.851.31.610.60.60.550.61.411.25Pb0.31.50.082.40.160.841.31.351.031.6Sn0.030.031.40.260.070.180.470.060.060.11Ni1.051.50.232.40.40.60.510.540.81.93Co0.520.270.30.27000000Ti0.270.361.20.270.030.20.80.070.040.14Cr0.611.160.512.00.60.940.70.941.61.61Mn0.180.390.510.9800.30.030.630.040.5111
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表3发动机经过100h台架试验后，喷嘴上积炭的数量
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发动机和燃料
No1指标No2TC—1TC—1TC—1T—1样品1样品2
从喷嘴上取下的积碳数量/g
喷嘴号:
0No10.140.490.46
0.1420.060.400.62
0.1830.030.700.66
040.030.500.58
0.0850.070.300.63
0.0960.030.370.44
070.040.380.69
0.0980.080.310.54
0.1490.060.290.55
0.62总积碳量/g0.543.746.17
0.07每个喷嘴上积碳的平均数量/g0.060.430.64
还可注意到这样一个事实，即TC-1燃料在发动机喷嘴1号上产生的积炭比T-1燃料大6倍,9倍。
这点同样产生在另一石油炼厂生产的TC-1燃料的100h试验中，这同T-1和TC-1燃料的飞行实验结果是和符合的。
3.2.2.燃料的热安定性产生的积炭
当在高温下用喷嘴试验喷气燃料时，发现在与燃料相接触的零件上产生有暗淡的胶质薄膜。
当燃料消耗量大时，这个薄膜对喷嘴的流体动力性能是没有影响的，但是当燃料消耗量小时便会发现这种性能有些变化。
当喷嘴长时间用热油工作时，胶质沉积物便增多，并越来越对喷嘴的流体动力性能有显著的影响。
燃料喷嘴的可靠工作遭到破坏不仅会由于产生的积炭过多而造成，而且会由于在内腔产生氧化沉积物而造成。
燃料喷嘴内腔的沉积物的成分列于表4
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表4喷嘴内腔的沉积物的成分
元素歼击机旅客机元素歼击机旅客机C50.348.4Fe0.70.9
H5.35.0Si0.020.04
S8.97.2Ca0.20.3
N0.40.3Mg0.80.9
O31.126.3Na0.60.5
Cu0.91.2Al0.20.3
从表4中所列数据可以看到，喷嘴内腔沉积物中的主要元素是，碳:
占48,,50,;硫:
占7,,9,;氧:
占26,,31,;氢:
占5%。
沉积物内完全没有铁和铜的腐蚀产物，以及含有硅、铝、钙、镁和钠的矿质化合物。
这就说明，燃料喷嘴内腔的沉积物具有热氧化的性质，它是由于低安定性的烃和其硫的衍生物的氧化产物经过热叠合而生成的。
这样讲的根据是因为存在这样一个燃料喷嘴的温度可以达到110摄氏度,140摄氏度的事实。
嘴内腔的热氧化沉积物有时会引起喷嘴油孔的积炭。
这就是喷雾不均匀、喷
喷嘴过热以至遭到毁坏的原因。
发动机使用中利用加力工作状态越多，喷嘴则越有可能被堵塞，因为燃料同总管和喷嘴炽热的内腔接触的时间增大。
我国的WP-7系列发动机的使用过程中，也出现加力油路的喷嘴被大量堵塞的情况。
当加力工作状态的延续时间缩短时，照样会在加力油路的柱塞油泵内燃料中蓄积一些磨损产物。
当接通加力和以加力状态工作时，这些产物便被燃料液流带走，可能将喷嘴堵塞。
因此，在这种条件下使用好的热安定性燃料和具有高抗磨损性能的燃料时，燃油加力总管工作的可靠程度便会得到提高。
上述问题的直接证据就是喷气发动机用含有提高抗磨损性能的添加剂的T-7燃料长期飞行试验的结果，见表5。
当发动机使用具有高热氧化安定性和良好的磨损性T-7TII燃料时，加力总管的喷嘴未被堵塞，其耗油率仍停留在技术条件规定的范围内。
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表5发动机加力总管在用T-7TII燃料飞行试验前后的流体动力性能
发总总管的动管耗油率试验前试验后机的（按技
号名术条试验前总管耗总管试总管耗油率的变化
称件）/%总管的油率的验的小
试验小变化时同同时（同技技术标准实验前的耗术标准比较油比较比较）
大136—3.0101—4.0—0.5，2100,7
1小1360101—2.0—2.0，2100,5
大165—3.5114—5.0—1.5，2100,72
小165—3.5114—3.5—1.0，2100,7
3.2.3.油中含有杂质的堵塞
通过分解某型航空发动机的被堵塞喷嘴，发现喷嘴滤网顶端有烟熏色，从滤嘴接口端发现大量积炭粉末与颗粒。
解剖喷嘴发现两个旋流孔被积炭全部堵塞，喷嘴内部油路均有积炭。
从喷嘴内能倒出细小的沉积物质，一般是黑色炭状物或黄色油泥状物
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