微型燃?xì)獍l(fā)生器性能及試驗研究

吳 晴

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230000）

0 引言

微型渦輪發(fā)動機(jī)（Micro Turbine Engine，MTE）具有成本低、體積小、重量輕、易于維護(hù)與存儲等優(yōu)點，在推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等領(lǐng)域受到高度重視與廣泛應(yīng)用[1-2]。盡管其相關(guān)技術(shù)研究目前仍處于起步發(fā)展階段，卻已實現(xiàn)了8～10的推重比，因此，相比常規(guī)發(fā)動機(jī)，微型渦輪發(fā)動機(jī)的推重比具有更大的發(fā)展空間[3]。特別是直徑5cm～10cm的微型渦輪發(fā)動機(jī)，近年來得到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的高度重視。其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有三類:飛行器推進(jìn)動力、發(fā)電裝置、輔助動力裝置[4]。

微型渦輪發(fā)動機(jī)由其質(zhì)量輕、體積小、易于燃料補充等優(yōu)點[5-7]，除了作為推進(jìn)動力，在熱能供應(yīng)和利用上具有很高的價值，因此，采用微型渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)行空氣加熱器性能及試驗研究，具有一定的工程意義和經(jīng)濟(jì)效益。

1 MTE-C發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)的主要部件結(jié)構(gòu)如圖1，該微型渦輪發(fā)動機(jī)采用0-2-0的軸承支撐形式[8]，微型渦輪發(fā)動機(jī)的工作原理與常規(guī)航空發(fā)動機(jī)相同，采用的都是布萊頓循環(huán)。氣流經(jīng)離心/斜流壓氣機(jī)壓縮，在燃燒室內(nèi)，以恰當(dāng)?shù)挠蜌獗扰c燃油混合，燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)猓瑳_擊向心/軸流渦輪。渦輪獲得足夠的功率，并帶動聯(lián)軸的壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)工作。作為燃?xì)獍l(fā)生器，由于不需要提供推力，將渦噴發(fā)動機(jī)的收斂噴管改成直筒式，獲得最多的熱流量。

Fig.1 Micro turbine engine configuration

2 試驗系統(tǒng)及測試流程

2.1 試驗系統(tǒng)介紹

Fig.2 Ground operation system

該試驗系統(tǒng)主要由起動裝置、點火裝置、轉(zhuǎn)速測量裝置、供氣（丙烷氣）裝置、供油及油流量測量裝置、氣動熱力參數(shù)測量系統(tǒng)等組成，圖2為試車系統(tǒng)的原理圖，圖中ECU為電子控制單元，可以采集并傳輸以下幾個信號:轉(zhuǎn)速信號、溫度、推力，另外通過信號控制油泵、油閥、氣閥的開關(guān)，ECU的執(zhí)行通過相匹配的軟件進(jìn)行控制操作，如圖3。

Fig.3 ECU

點火器:點火器為電熱式陶瓷點火器，實驗表明該點火器體積小，重量輕，可以重復(fù)多次工作，性能穩(wěn)定可靠，基本不需要維護(hù)。該點火器工作電壓為9～12V，點火器內(nèi)部為電熱絲，外面包裹了一層耐高溫導(dǎo)熱陶瓷材料，起到保護(hù)電熱絲的作用，表面工作溫度可達(dá)800℃以上，如圖4。

Fig.4 Ceramic ignitor

轉(zhuǎn)速傳感器:開關(guān)磁阻傳感器；磁性材料安裝在壓氣機(jī)前螺母中，其安裝角度盡量正對磁阻傳感器，磁極相反，開關(guān)磁阻傳感器和調(diào)理電路固定于壓氣機(jī)罩殼安裝邊上；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，作用于開關(guān)磁阻傳感器上的磁場強(qiáng)度發(fā)生周期性變化，在磁場作用下其輸出電壓發(fā)生變化，經(jīng)調(diào)理電路輸出正弦電壓信號，電壓信號經(jīng)過放大、比較整形，產(chǎn)生方波信號。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個波形。實驗表明，該轉(zhuǎn)速測量裝置性能較穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧重量輕，如圖5。

Fig.5 Speed sensor

啟動電機(jī):啟動電機(jī)部分包含強(qiáng)磁高速動力強(qiáng)勁直流電機(jī),電機(jī)扭矩大，采用12V鋰電池或蓄電池供電，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速16500rpm。

Fig.6 Oil supply system

Fig.7 Rotating speed spectrum

供油系統(tǒng):主要包括齒輪泵系統(tǒng)（見圖6）、控制盒、油濾、油管等?？刂坪袑嵸|(zhì)為旋鈕控制內(nèi)置電位器，通過改變電位電壓控制齒輪泵運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；燃油由齒輪泵系統(tǒng)驅(qū)動，齒輪泵系統(tǒng)包含齒輪泵、電源與控制器。

2.2 試驗測試流程

基本試驗操作過程如下進(jìn)行:

2.2.1 電機(jī)啟動和丙烷點火

打開電機(jī)，電機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子至2000rpm左右，打開點火器（進(jìn)行預(yù)熱），同時關(guān)閉啟動電機(jī)。轉(zhuǎn)速為1600rpm左右時，打開氣閥，供入丙烷點火，再次打開電機(jī)，轉(zhuǎn)速至3000rpm時供油點火，完成點火。

2.2.2 加速

點火成功后，待燃燒穩(wěn)定，增大油門桿，加大轉(zhuǎn)速。到15000rpm時，關(guān)閉氣閥，并關(guān)閉丙烷氣罐閥門。待電機(jī)自動脫離發(fā)動機(jī)時，關(guān)閉電機(jī)電源。至需要的轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定油門桿，停止加速。

2.2.3 緩慢加大油門桿，至65000rpm左右穩(wěn)定1分鐘，然后慢推至80000rpm。

2.2.4 停車:快速減小油門桿，并關(guān)閉油閥。

Fig.8 Tertiary lobe ejector

Fig.9 Straight ejector

通過加熱性能試驗、長時間運轉(zhuǎn)可靠性試驗和引射試驗得到以微型渦輪發(fā)動機(jī)作為原型的燃?xì)獍l(fā)生器的加熱性能、多狀態(tài)下運轉(zhuǎn)特性和可靠性，并探索該型燃?xì)獍l(fā)生器采用兩種引射器的引射效果。

加熱性能試驗通過在燃?xì)獍l(fā)生器中測量了帶直噴管的微型燃?xì)獍l(fā)生器耗油量和排氣溫度與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系。

長時間點火運轉(zhuǎn)試驗，為適應(yīng)不同需求狀態(tài)，試驗按照預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速譜進(jìn)行試驗（如圖7），進(jìn)行4個小時的試車測試，了解該型燃?xì)獍l(fā)生器多狀態(tài)下長時間運轉(zhuǎn)的可靠性，分四個不同的轉(zhuǎn)速譜進(jìn)行，驗證該型燃?xì)獍l(fā)生器的可靠性。

另外，試驗嘗試使用兩種引射方案，一種為三級波瓣式引射器（如圖8），另一種為直筒式引射器（如圖9），使出口燃?xì)猥@得一定的速度和燃燒火焰穩(wěn)定性，保證燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的熱流。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 加熱性能試驗

試驗過程中記錄了微型渦噴發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、燃?xì)獬隹跍囟?、發(fā)動機(jī)進(jìn)口靜壓和燃油消耗量；圖10為轉(zhuǎn)速（N）、渦輪前溫度（T3*）、燃?xì)獬隹跍囟龋═9*）隨時間的變化趨勢:

從圖10中可以看出，發(fā)動機(jī)在65000rpm左右的時候穩(wěn)定了約1分鐘，這個時候的燃?xì)獬隹跍囟却蟾庞?20攝氏度，可以看出，在45000rpm到65000rpm發(fā)動機(jī)噴管出口燃?xì)鉁囟茸兓炔⒉淮螅３衷?00-700攝氏度之間，作為燃?xì)獍l(fā)生器，這是有利的條件。

Fig.10 The trends of N,T3＊and T9＊

通過試驗實測，發(fā)動機(jī)在40000rpm至65000rpm時可以穩(wěn)定工作，并基本呈線性輸出熱功率。發(fā)動機(jī)燃燒室燃燒效率高于90%，燃油燃燒率 （實際參與燃燒的燃油）約80%，傳導(dǎo)到外界大氣的熱量約5%，燃油熱值42MJ/kg。

在65000rpm時，燃油消耗率27.36kg/h，考慮各種效率，能夠產(chǎn)生的熱流為:

q=42×106×27.36×0.9×0.8×（1.0－0.05）＝786MJ／h

在40000rpm時，燃油消耗率14.18kg/h，考慮各種效率，能夠產(chǎn)生的熱流為:

q=42×106×14.18×0.9×0.8×（1.0－0.05）＝407MJ／h

可以得到以下結(jié)論:

微型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到40000rpm時，理想狀態(tài)下其加熱能力能達(dá)到407MJ/h。最大設(shè)計狀態(tài)65000rpm時，其加熱能力能達(dá)到786MJ/h。

微型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在40000rpm至65000rpm之間，其加熱能力可認(rèn)為是線性變化。

3.2 長時間運轉(zhuǎn)試驗

試驗按照正常試車方式進(jìn)行，試驗檢測尾噴管出口燃?xì)鉁囟取⑥D(zhuǎn)速和對應(yīng)燃油消耗量。初次試車階段，在第二個小時后期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，并且轉(zhuǎn)速出現(xiàn)緩慢降低的現(xiàn)象，加大油門桿，轉(zhuǎn)速恢復(fù)后依然出現(xiàn)轉(zhuǎn)速緩慢降低的現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)，長時間工作小油濾被累積的雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致供油減少，轉(zhuǎn)速緩慢降低，試驗中止。

第二次試驗，事先將燃油進(jìn)行了兩次過濾，并將小油濾從油路中除去，從圖11中可以看出，發(fā)動機(jī)起動過程時溫度呈線性上升，穩(wěn)定后溫度下降，發(fā)動機(jī)排氣溫度在25000rpm時溫度可達(dá)650攝氏度，并且看出在25000rpm-35000rpm溫度保持比較穩(wěn)定，在40000rpm以后溫度隨轉(zhuǎn)速升高而線性下降，65000rpm時溫度最低至550攝氏度。

3.3 燃?xì)獍l(fā)生器引射試驗

采用三級波瓣式引射器時，由于燃?xì)獍l(fā)生器出口截面較小，裝有波瓣引射器后有較明顯的氣流堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出口背壓增大，溫度升高，引射器二、三級引射效率低，并出現(xiàn)了二級波瓣局部燒紅的現(xiàn)象。

采用直筒式引射器，試驗持續(xù)18分鐘（包括起動慢車階段），窄縫外表面測點溫度達(dá)到200攝氏度，可以起到增大出口流量作用，火焰較為穩(wěn)定，該方案較為可靠，但是在混合均勻燃?xì)夂偷蜏乜諝獾淖饔蒙线€有待提升。

Fig.11 The data mapping of operation reliability test

4 結(jié)論

本文通過對以MTE-C微型渦輪發(fā)動機(jī)為原型的燃?xì)獍l(fā)生器地面試車試驗研究，進(jìn)行試驗系統(tǒng)的搭建，進(jìn)行了加熱性能試驗、長時間運轉(zhuǎn)可靠性試驗和引射試驗，描述了試驗中遇到的故障并分析了產(chǎn)生的原因，提出解決的方案:

4.1 經(jīng)過性能試驗和參數(shù)記錄分析，以發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速40000rpm至65000rpm為連續(xù)工作狀態(tài)，以65000rpm為最大連續(xù)工作狀態(tài)，最大連續(xù)工作狀態(tài)下，按實際加熱情況分析，可至少產(chǎn)生541.9MJ/h的熱流，按燃油熱值計算，則可以達(dá)到786MJ/h熱流，發(fā)動機(jī)來流的空氣流量為0.475kg/s，噴管出口溫度為620攝氏度。

4.2 發(fā)動機(jī)可按規(guī)定轉(zhuǎn)速譜連續(xù)工作4小時以上，并且可以隨時通過調(diào)節(jié)油門桿改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足不同加熱工況需求。

4.3 通過兩種引射方案，發(fā)現(xiàn)采用直筒式引射器，可以起到較好的引射作用，并應(yīng)用于微型渦輪機(jī)作為引射設(shè)備。

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