某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒流量對(duì)比試驗(yàn)研究

郭強(qiáng)，陳代富，賀孝濤

（海軍裝備部，西安710054）

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒流量對(duì)比試驗(yàn)研究

郭強(qiáng)，陳代富，賀孝濤

（海軍裝備部，西安710054）

針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)在研制過程中頻繁發(fā)生單位燃油消耗率（SFC）過高的故障，在自行設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒流量測(cè)試試驗(yàn)器上，運(yùn)用模擬壓比和模擬馬赫數(shù)準(zhǔn)則，采用冷吹風(fēng)流量試驗(yàn)法，對(duì)比測(cè)試了某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室與原型燃燒室火焰筒空氣的流量，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒流量分布均勻，與原型燃燒室火焰筒流量相同。該試驗(yàn)法耗時(shí)短、成本低，對(duì)開展燃燒室火焰筒內(nèi)空氣流量研究具有借鑒意義。

燃燒室；火焰筒；流量；燃油消耗率；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件之一，其工作可靠性和性能穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)具有重要的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)單位燃油消耗率（SFC）是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要指標(biāo)，降低SFC是發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的重要參數(shù)，也是計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)，作為計(jì)算總推力和總耗油率的重要依據(jù)[1-2]。在某型發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中，頻繁發(fā)生SFC過高故障，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)交付和飛機(jī)戰(zhàn)技指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

本文從燃燒室內(nèi)火焰筒的流場(chǎng)入手[3]，設(shè)計(jì)了火焰筒流量分布對(duì)比試驗(yàn)器，通過冷吹風(fēng)流量試驗(yàn)法分析燃燒室流量分布對(duì)耗油率的影響。

1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)十分復(fù)雜，完全模擬不僅需要較長的周期和較高的費(fèi)用，還可能因選用的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法存在不足而產(chǎn)生偏差。采用對(duì)比測(cè)量法，可以直觀地反映燃燒室和原型燃燒室內(nèi)部流場(chǎng)的差異，加快故障定位。故分別選取10件無耗油率超標(biāo)的原型新火焰筒與耗油率超標(biāo)的火焰筒進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。通過冷吹風(fēng)流量對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量燃燒室的出口流量，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，對(duì)各火焰筒的流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比較其流量的均勻性，并以簡(jiǎn)單的流程分析燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與燃油消耗率的關(guān)系。

1.1試驗(yàn)器設(shè)計(jì)

火焰筒流量試驗(yàn)器系統(tǒng)設(shè)備配置包括試件工裝、穩(wěn)流段、整流柵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、減壓器等，如圖1所示。

在流量計(jì)進(jìn)、出口和火焰筒入口分別設(shè)置大于管路直徑10倍長的穩(wěn)流段。在火焰筒入口設(shè)置整流柵，以起到整流和穩(wěn)流目的。為測(cè)量火焰筒的入口壓力和溫度，在試驗(yàn)工裝同一截面環(huán)周均勻設(shè)置3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)和3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)取3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。

圖1 火焰筒流量試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2參數(shù)模擬

某型發(fā)動(dòng)機(jī)為環(huán)管式燃燒室，包括10個(gè)火焰筒和10個(gè)離心式雙路工作噴嘴?；鹧嫱矊?shí)際工作在亞聲速狀態(tài)，因此采用模擬壓比和模擬Ma準(zhǔn)則以確定模擬試驗(yàn)的參數(shù)。

1.2.1壓比模擬

在試驗(yàn)過程中，火焰筒的進(jìn)、出口壓比與火焰筒實(shí)際工作壓比近似相等。

1.2.2速度模擬

在試驗(yàn)中，火焰筒的出口Ma與火焰筒實(shí)際工作時(shí)出口Ma近似相等?；鹧嫱渤隹贛a為

近似認(rèn)為試驗(yàn)中氣流為等熵過程，則火焰筒出口總溫T2*等于火焰筒入口總溫T1*，試驗(yàn)中采用熱電偶測(cè)量溫度，同時(shí)，考慮到溫度測(cè)點(diǎn)截面氣體流速很小，為便于分析，近似認(rèn)為火焰筒入口總溫和靜溫相等，即T1*=T1。則火焰筒出口Ma為

取模擬狀態(tài)的馬赫數(shù)MaM與實(shí)際狀態(tài)的馬赫數(shù)MaH相等，將已知參數(shù)代入，則模擬試驗(yàn)時(shí)的火焰筒入口壓力P1=0.004065MPa。

根據(jù)以上分析，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)能覆蓋模擬區(qū)域，試驗(yàn)參數(shù)確定火焰筒入口P1=3、4、5 kPa。

1.3數(shù)據(jù)處理

為減少系統(tǒng)隨機(jī)誤差，對(duì)試驗(yàn)過程記錄的數(shù)據(jù)，每10 s做平均值，用吻合較好的2次數(shù)據(jù)再次做平均，作為1個(gè)火焰筒的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

每件火焰筒試驗(yàn)時(shí)間不盡相同，環(huán)境條件有所差異，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可比性，將所有實(shí)際記錄數(shù)據(jù)按照相似理論折算到大氣壓P02=101.325 kPa，溫度為15℃條件下。按照相似理論折算時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)P1、T1分別為靜壓和靜溫，設(shè)定折算的目標(biāo)值P2*、T2*為滯止參數(shù)。

（1）在折算時(shí)，用測(cè)量數(shù)據(jù)P1、T1和G1，計(jì)算測(cè)點(diǎn)P1、T1所在工裝截面的氣流Ma1，再通過Ma1和試驗(yàn)記錄大氣壓P01計(jì)算火焰筒入口的總壓和總溫。

式中：A1為測(cè)點(diǎn)P1；T1為所在工裝截面的面積。

試驗(yàn)時(shí)氣流流經(jīng)試驗(yàn)段時(shí)接近等熵絕熱過程，任意截面的同名滯止參數(shù)相等，分別等于P1*、T1*。

（2）采用火焰筒出口截面進(jìn)行折算，即試驗(yàn)和折算時(shí)，火焰筒不變，出口截面積相等，計(jì)算出折算流量G2。通過P1*和P01計(jì)算試驗(yàn)狀態(tài)火焰筒出口π（λ）1和q（λ）1。同樣通過P2*和P02計(jì)算折算狀態(tài)火焰筒出口π（λ）2和q（λ）2。

在所有數(shù)據(jù)折算完成后，對(duì)折算數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)誤差分析計(jì)算，火焰筒分為外購和國產(chǎn)2組，每組10件，分別計(jì)算各組的相對(duì)誤差。

相對(duì)誤差計(jì)算為取每件火焰筒的折算流量減去每組火焰筒的平均折算流量，再除以每組火焰筒的平均折算流量的百分?jǐn)?shù)。

1.4誤差分析

由于是對(duì)比試驗(yàn)，因此系統(tǒng)誤差可不作為重點(diǎn)考慮，被測(cè)參數(shù)的不確定度主要由隨機(jī)誤差確定。在試驗(yàn)過程中，火焰筒的試驗(yàn)總誤差可以認(rèn)為

式中：T1為壓力傳感器精度；T2為溫度傳感器精度；T3為渦輪流量計(jì)精度；T4為氣體變送器精度。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

在不同進(jìn)氣壓力條件下，對(duì)選取的各10件原型火焰筒與火焰筒的進(jìn)氣流量值進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理和誤差分析，如圖2～5所示。

圖2 在狀態(tài)1時(shí)火焰筒的進(jìn)氣流量值比較

圖3 在狀態(tài)2時(shí)火焰筒的進(jìn)氣流量值比較

圖4 在狀態(tài)3時(shí)火焰筒的進(jìn)氣流量值比較

圖5 原型火焰筒與火焰筒流量比較

從圖2～4中可見，在不同的進(jìn)氣壓力條件下，10件火焰筒進(jìn)氣流量值相對(duì)偏差都在±1.5%以內(nèi)，火焰筒流量的均勻性相當(dāng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖5中可見，在不同進(jìn)氣壓力下，10件原型火焰筒和10件火焰筒流量的均勻性相當(dāng)，單體相對(duì)偏差均在±1.5%范圍內(nèi)，二者之間性能沒有明顯差異。

通過以上分析看出火焰筒流量分配的均勻性不是造成該機(jī)耗油率高的主要原因。

3 結(jié)論

（1）在不同進(jìn)氣壓力下，原型火焰筒和火焰筒流量的均勻性相當(dāng)，單體相對(duì)偏差均在±1.5%范圍內(nèi)。

（2）某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒流量分配的均勻性不是造成該機(jī)耗油率高的主要原因。

（3）本測(cè)量方法簡(jiǎn)便、試驗(yàn)周期短、費(fèi)用低，得到的數(shù)據(jù)真實(shí)、可信。

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Com parative Experiment Study of Flame Tube Flow for an Aeroengine

GUO Q iang，CHEN Dai-fu，HE Xiao-tao
（M inistry of Naval Equipment,Xi′an 710054,China）

The air flow test device self-designed on the flame tube of aeroengine combustion chambers was introduced.The comparison test of the flame tube flow of aeroengine combustion chambers with prototype aeroengine was conducted by the cold blowing flow experimentmethod,the simulation pressure ratio and Mach number criterion,and the test data were analyzed.The test result show that the flame tube flow of aeroengine combustion chambers was uniform and relative with prototype flame tube,which is not the main reason leading to high specific fuel consumption(SFC).The test method of short-time consuming and low cost provid significance to study the air flow of combustion chamber flame tube.

combustion chamber；flame tube;flow;specific fuel consumption;aeroengine

2012-05-24

郭強(qiáng)（1975），男，碩士，工程師，從事航空裝備制造的管理和質(zhì)量監(jiān)督工作。