气体喷嘴的试验研究

马 帅,张鹏飞,高 晶,张尔忠,许有旭,刘孝弟

(1．北京首都航天机械有限公司, 北京 100076；2.北京航天动力研究所, 北京 100076)

喷嘴在航空航天、化工、冶金等领域有着极为广泛的应用。研究者对于液体喷嘴的雾化投入了更多的关注，液体喷嘴的雾化效果和能力对于燃烧效率、除尘效果等具有十分重要的意义[1-4]。

液体喷嘴的研究重点主要是考虑液体黏性、表面张力、密度等性质对于雾化性能的影响，同时考虑雾化后的需求。采取不同的喷嘴结构及雾化方式满足雾化液滴的大小、分布以及雾化能力[5-7]。

气体本身具有良好的扩散性能，因此，气体喷嘴的研究重点，主要是考虑气体的可压缩性能。在设计气体喷嘴时，喷嘴的流量成为设计的关键指标。具体到气体燃烧器的设计，还需要考虑气体燃料与燃烧所需空气的混合问题[4]。

水煤浆气化炉烧嘴以纯氧作为氧化剂，同时利用内外两个通道的氧气对中间通道的水煤浆进行稀释、加速和雾化，从而实现水煤浆的稳定燃烧以及保证烧嘴的整体性能[8-9]。

对于特定的气体喷嘴结构进行试验研究，得出了喷嘴流量的特征参数，可作为设计类似气体喷嘴及水煤浆气化炉烧嘴的参考。

1 试验系统描述

利用现有的试验系统，进行有针对性的改进，最终形成气体喷嘴的试验系统，流程见图1。

图1 气体喷嘴试验系统流程

利用压缩空气系统为高压储罐供气，保证试验过程中稳定的供气量和供气压力。利用两级可调减压阀，保证试验喷嘴的稳定供气压力。高精度气体流量计保证试验流量的准确测量，截止阀用于保证更换喷嘴时的系统安全。喷嘴基座的设计保证所有试验喷嘴的快速切换和密封要求。数据采集系统记录喷嘴工作时的流量和对应的供气压力。

2 喷嘴基座、试验喷嘴的结构和尺寸参数

试验用喷嘴安装基座的设计，需考虑到各种试验喷嘴的更换及工作时压力和流量的测量需求。试验用喷嘴的安装结构也与喷嘴基座相对应，喷嘴的结构形式有圆锥形收缩单孔喷嘴、双套管形收缩喷嘴两种(见图2—图5)。

图2 圆锥形收缩单孔喷嘴

图3 双套管形收缩喷嘴

图4 双套管内喷嘴(长度86 mm对应于缩进型组合)

图5 双套管试验安装组合图(缩进8 mm对应于图4长度86 mm)

3 试验结果

依据上述试验系统，对有关喷嘴结构进行流量试验，大气压力为101 400 Pa。

试验1为常见的圆锥形单孔喷嘴，喷嘴流量随着喷嘴前供气压力的提高而提高，得到的压力流量参数见表1。

表1 圆锥形收缩单孔喷嘴

试验2为双套管形收缩喷嘴，喷口平齐，仅内套管工作，夹套宽度为4 mm，外套管测压，得到的压力流量参数见表2。仅内套管内有气体流动时,因引射作用，随气体流量增大，外套管内负压越明显。

表2 双套管形收缩喷嘴，仅内套管工作

试验3为双套管形收缩喷嘴，仅外套管工作，喷口平齐,夹套宽度为4 mm，内套管测压，得到的压力流量参数见表3。试验3中的现象和试验2基本相同，但是喷嘴的结构导致引射作用更大。仅外套管工作时，内套管被流动气体整体包裹；仅内套管工作时，流动气体被排放到开放空间，对于外套管的引射作用就会减少。

表3 双套管形收缩喷嘴，仅外套管工作

试验4为双套管形收缩喷嘴，喷口平齐，夹套宽度为4 mm，当内套管压力和外套管压力相同时，得到的压力流量参数见表4。内套管和外套管相互之间的流动虽有干涉，仍各自保持基本的流体流动。

表4 双套管形收缩喷嘴，内、外套管压力相同

试验5为双套管形收缩喷嘴，喷口平齐，夹套宽度为4 mm，当内套管压力始终高于外套管压力20%时，得到的压力流量参数见表5。在喷口处，受到内套管流动的干涉，外套管的流量比试验4中略有下降。

表5 双套管形收缩喷嘴，内套管压力比外套管压力高20%

试验6为双套管形收缩喷嘴，喷口平齐，夹套宽度为4 mm，保持外套管压力始终高于内套管压力20%时，得到的压力流量参数见表6。在喷口处，受到外套管流动的干涉，内套管的流动受到较大的影响，与试验3结果一致。也就是说，外套管的流动对于内套管的流动影响，远大于内套管的流动对于外套管的流动影响。

表6 双套管形收缩喷嘴，外套管压力比内套管压力高20%

试验7为双套管形收缩喷嘴，内套管缩进8 mm，夹套宽度为8 mm，内管压力和外套压力相同时，得到的压力流量参数见表7。由于内套管缩进增大了外套管的流通面积，与试验4相比，外套管内流量有所增加，同时外套管的流动对于内套管的流动干涉效应更明显。

表7 双套管形收缩喷嘴，内管缩进8 mm，内套管压力比外套管压力相同

试验8为双套管形收缩喷嘴，内套管缩进8 mm，夹套宽度为8 mm，当保持内套管压力始终高于外套管压力20%时，得到的压力流量参数见表8。外套管内流量受到内套管气体挤压而下降，同时，内套管出口处的流通面积也会适当增加，导致流量增加。

表8 双套管形收缩喷嘴，内管缩进8 mm，内套管压力比外套管压力高20%

试验9为双套管形收缩喷嘴，内管缩进8 mm，夹套宽度为8 mm，当保持外套管压力始终高于内套管压力20%时，得到的压力流量参数见表9。在较低供应压力时，由于外套管内气体的挤压，内套管气体会出现断流。整个喷嘴口始终由外套管的流动占主导地位，在同样供应压力下，外套管内流量比试验7大。

表9 双套管形收缩喷嘴，内管缩进8 mm，外套管压力比内套管压力高20%

由上述试验可知：外套管的流动对于内套管的流动影响，远大于内套管流动对外套管流动的影响。当进行组合式气体喷嘴的结构设计以及确定实际运行参数时，需予以重视，否则内套管气体将会断流或回流，导致设备损坏甚至发生运行事故。

图6 试验1结果

4 结语

针对几种常见的气体喷嘴结构进行了试验研究，得出了供应压力和流量的对应关系。尤其对于双套管式组合喷嘴，研究了组合形式(内管的缩进与否)及供应压力对于各自喷嘴流量的影响关系。对于组合喷嘴(供应不同种类的气体)设计时，需要重点关注，避免供应气体流量的不足，造成某种气体的断流甚至回流，引起设备的损坏或生产事故的发生。

图7 试验2-6结果

图8 试验7-9结果

本文的试验研究结果，对于设计组合式气体喷嘴，有一定的参考意义。