航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫差異常的分析及處理

林成,李丹，霍玉鑫，劉立博，周建平，呂晶

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫差異常的分析及處理

林成,李丹，霍玉鑫，劉立博，周建平，呂晶

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試車過程中常出現(xiàn)渦輪后測(cè)溫鎧裝電偶與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶間的測(cè)溫差值超出設(shè)計(jì)規(guī)定的故障。本文通過理論分析與數(shù)值模擬，指出此故障主要源于溫度場(chǎng)分布特征與電偶位置分布間的不匹配；提出了調(diào)節(jié)整流支板進(jìn)氣口的改進(jìn)措施。經(jīng)試驗(yàn)試車驗(yàn)證，此改進(jìn)方法簡單有效，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性沒有影響。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；溫度；電偶；故障診斷

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，溫度是重要的狀態(tài)參數(shù)，需準(zhǔn)確、快速地測(cè)量[1]。渦輪出口燃?xì)鉁囟瓤梢苑从硿u輪進(jìn)口溫度的情況[2]，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能和試車過程監(jiān)控的重要參數(shù)之一，測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度[3]。在不同的測(cè)溫方法中，熱電偶測(cè)溫法測(cè)量精度高, 有較大的測(cè)量范圍，是發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)量領(lǐng)域中最常用的方法[4]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在試車過程中，頻繁出現(xiàn)擴(kuò)散器整流支板鎧裝電偶與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶測(cè)量溫度差值超出設(shè)計(jì)規(guī)定范圍的異常狀況。故障排除過程中通常采用更換火焰筒或更換鎧裝電偶的方法，但成功率較低、成本較高。

本文通過理論分析與數(shù)值仿真計(jì)算，提出通過調(diào)整擴(kuò)散器整流支板靠近中心錐體處鎧偶流道進(jìn)、出口面積比例的方法進(jìn)行問題處理。經(jīng)實(shí)踐證明，排故措施簡單有效，可操作性強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用可靠性及安全性沒有影響，縮減生產(chǎn)成本，可以作為常規(guī)的排故方案。

1 問題概述

發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試車過程中出現(xiàn)了鎧裝電偶所測(cè)渦輪后燃?xì)馄骄鶞囟扰c64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶所測(cè)平均溫度差值超出設(shè)計(jì)規(guī)定下限(△T=T鎧偶-T64點(diǎn)<-10℃)的異常情況，部分異常溫差情況見表1。

表1鎧偶測(cè)量溫度與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶測(cè)量溫度差值

發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)T鎧偶/℃T64點(diǎn)/℃差值△T/℃溫差規(guī)定值1793．5810-16．52795．8815．8-203797815-18-10℃≤△T<30℃4762782-205793805-126797811-14

2 問題原因的分析及處理

燃?xì)鈴娜紵遗懦?，有多種因素會(huì)影響燃燒室出口溫度分布[5-7]。通過高速旋轉(zhuǎn)的渦輪后，并不能使極不均勻的溫度場(chǎng)完全摻混，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口截面上溫度場(chǎng)是不均勻的[8]。這就要求在渦輪后應(yīng)合理的安排周向及徑向測(cè)點(diǎn)，以準(zhǔn)確測(cè)量燃?xì)獾钠骄鶞囟取?/p>

2.1 測(cè)溫點(diǎn)位置與燃燒室周向溫度分布關(guān)系

鎧偶和64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶安裝在擴(kuò)散器上，鎧偶安裝在整流支板內(nèi)，共有9支，64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶安裝在擴(kuò)散器殼體上，共有8支，與鎧偶的軸向距離為100 mm。燃燒室溫度場(chǎng)分布經(jīng)過渦輪后順航向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°，考慮旋轉(zhuǎn)量后燃燒室溫度場(chǎng)周向分布、鎧偶及64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶周向位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 燃燒室溫度場(chǎng)周向分布、鎧偶、64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶位置示意圖

從圖1中可以看出，燃燒室溫度場(chǎng)周向分布與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶位置對(duì)應(yīng)性較好，鎧偶有6支與燃燒室溫度場(chǎng)分布相對(duì)應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)明顯，燃燒室水平中心線上半?yún)^(qū)的溫度明顯比下半?yún)^(qū)要高?；鹧嫱蚕掳?yún)^(qū)的溫度分布與鎧偶重合性好，與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶重合性差，這可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)因鎧偶感受的溫度低而64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶感受溫度高出現(xiàn)△T超規(guī)定下限的故障。上述情況是燃燒室溫度場(chǎng)周向分布與鎧偶、64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶周向安裝位置之間匹配不當(dāng)造成的，此時(shí)只要更換適合的火焰筒使其周向溫度分布與鎧偶、64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶之間匹配恰當(dāng)，故障即可排除。

2.2 測(cè)溫點(diǎn)位置與燃燒室徑向溫度分布關(guān)系

鎧偶感受的溫度是整流支板上迎氣流的兩個(gè)進(jìn)氣口進(jìn)入的燃?xì)饨?jīng)混合滯止形成的，64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶每支沿徑向布置了8點(diǎn)感受渦輪后溫度。整流支板上兩個(gè)進(jìn)氣口的徑向位置及進(jìn)氣面積決定了鎧偶感受的溫度值，兩個(gè)進(jìn)氣口對(duì)應(yīng)著不同的燃?xì)鉁囟确植?，溫度差值隨燃燒室溫度場(chǎng)徑向分布不同而不同。改變兩個(gè)進(jìn)氣口的徑向位置，即改變其對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣溫度，則鎧偶感受的溫度會(huì)發(fā)生變化。不改變進(jìn)氣口徑向位置而是調(diào)整進(jìn)氣口的面積，則進(jìn)入整流支板內(nèi)的燃?xì)饬髁繒?huì)發(fā)生變化，如此鎧偶感受的溫度也會(huì)發(fā)生變化，可采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)其變化情況進(jìn)行分析。

2.3徑向進(jìn)氣口面積變化對(duì)鎧偶處溫度影響的數(shù)值模擬

2.3.1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

擴(kuò)散器每個(gè)空心整流支板上有3個(gè)漏斗口， 2個(gè)進(jìn)口用于引進(jìn)渦輪后燃?xì)饬?，靠近擴(kuò)散器殼體的出口用于排出燃?xì)饬?，結(jié)構(gòu)見圖2。燃?xì)饬鬟M(jìn)入整流支板后，先后撞擊兩個(gè)擋板折返后動(dòng)壓頭基本降低到零，燃?xì)饬鞒浞譁?，再?jīng)鎧偶測(cè)溫受感部位流出支板。

圖2 空心整流支板結(jié)構(gòu)示意

按照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的中間狀態(tài)設(shè)置邊界條件。進(jìn)口給定渦輪后總壓、總溫，出口給定渦輪后靜壓。考慮到渦輪后溫度沿徑向的梯度變化[9]及試車臺(tái)測(cè)得的數(shù)據(jù)，制定5種計(jì)算方案。其中，方案1～4保持進(jìn)口1和出口初始參數(shù)不變，按照5℃的溫差逐漸降低進(jìn)口2的初始溫度，方案5是將進(jìn)口2封閉，只有進(jìn)口1引進(jìn)燃?xì)?，進(jìn)氣參數(shù)不變。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3表示5種方案整流支板內(nèi)部的溫度分布示意圖。可以看出，高溫區(qū)出現(xiàn)在進(jìn)口1至傳感器區(qū)域，隨著進(jìn)口1和進(jìn)口2溫差的增大，支板內(nèi)的平均溫度逐漸變小，傳感器感受的溫度也在不斷的降低。盡管從橫截面積上講，進(jìn)口1的面積小于進(jìn)口2，但由于進(jìn)口1更靠近傳感器位置，因此傳感器感受到的溫度受進(jìn)口1的影響更大。方案5由于進(jìn)口2關(guān)閉，只有進(jìn)口1引進(jìn)燃?xì)?，整流支板?nèi)部溫度變化很小。

圖3 整流支板內(nèi)溫度分布

表2鎧裝電偶受感部平均溫度值

方案1方案2方案3方案4方案5平均溫度值/℃831．05828．45825．75823．05833．95與方案5溫差/℃2．95．58．210．9-

由表2可以看出，渦輪后燃?xì)鉁囟葓?chǎng)沿徑向分布的變化會(huì)影響整流支板內(nèi)鎧偶測(cè)得的溫度值，最大溫度差值達(dá)到10.9℃，其波動(dòng)范圍與溫差超差情況大致相當(dāng)(見表1)。因此，通過調(diào)整整流支板兩個(gè)進(jìn)氣口面積的方法，可以減少徑向溫度不均勻性對(duì)鎧偶測(cè)得溫度的影響，從而解決溫差異常的問題。

3 解決方案的實(shí)踐驗(yàn)證

3.1 更換火焰筒

經(jīng)過試車驗(yàn)證，通過調(diào)換火焰筒的方法調(diào)整溫度場(chǎng)與鎧偶、64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶之間匹配關(guān)系，部分發(fā)動(dòng)機(jī)可以符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但處理過程工作量大，周期較長，發(fā)動(dòng)機(jī)需全部重新分解、裝配，且換裝余下的火焰筒再次裝到其他發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)該問題一直存在，不能再次使用。統(tǒng)計(jì)分析了發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰筒溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，無法得出明顯的與異常狀況相關(guān)的規(guī)律性結(jié)論。所以，此種處理方法不確定性非常大，影響因素較多，調(diào)整周期長、費(fèi)用高，不宜作為最佳解決方案。

3.2 調(diào)整整流支板進(jìn)氣口面積的方法

渦輪后燃?xì)鉁囟葓?chǎng)試車數(shù)據(jù)顯示：整流支板上迎氣流的兩個(gè)進(jìn)氣口中，靠近中心內(nèi)錐的進(jìn)氣口對(duì)應(yīng)的燃?xì)鉁囟认鄬?duì)靠近擴(kuò)散器殼體的進(jìn)氣口對(duì)應(yīng)的燃?xì)鉁囟纫鸵恍?，兩者之間的溫差大約在20℃左右。針對(duì)測(cè)量溫度差值超出設(shè)計(jì)規(guī)定下限的問題，可以嘗試采用減小或關(guān)閉整流支板上靠近中心錐體一側(cè)進(jìn)氣口的面積的辦法進(jìn)行處理；而對(duì)于溫差超出上限的問題，則可以通過減小或關(guān)閉整流支板上靠近擴(kuò)散器殼體一側(cè)進(jìn)氣口面積的辦法。

進(jìn)氣口面積調(diào)整通過在整流支板進(jìn)氣口位置焊接薄片的方法來實(shí)現(xiàn)。更換火焰筒后仍然存在溫差異常的發(fā)動(dòng)機(jī)采用上述方法處理后，均經(jīng)過試車考核，調(diào)整進(jìn)氣口面積的措施能有效解決溫差異常的問題。

考慮到減小或封閉整流支板單側(cè)進(jìn)氣口以后，由于流量減少，且溫度屬于慢變信號(hào)[10]，可能會(huì)影響鎧偶與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。為驗(yàn)證排故措施的合理性，查閱了采取該解決措施發(fā)動(dòng)機(jī)的試車曲線，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)從慢車到中間狀態(tài)的鎧偶與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶溫度響應(yīng)時(shí)間，并與未出現(xiàn)故障的發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

表3鎧偶與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶感受溫度響應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)電偶感受溫度響應(yīng)時(shí)間/s(慢車→中間)備注128．32233．73出現(xiàn)△T超差發(fā)動(dòng)機(jī)330．15435．75531．63無異常合格發(fā)動(dòng)機(jī)627．47

對(duì)比表3可以看出，采取該方案的發(fā)動(dòng)機(jī)與正常發(fā)動(dòng)機(jī)的鎧偶與64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶感受溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在相同的時(shí)間范圍內(nèi)，說明調(diào)整整流支板進(jìn)氣口面積的方法對(duì)渦輪后燃?xì)鉁囟鹊臏y(cè)量無負(fù)面影響，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠運(yùn)行。

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)溫差(△T=T鎧偶-T64點(diǎn))超出設(shè)計(jì)規(guī)定的原因是由于燃燒室溫度場(chǎng)分布不均勻性與鎧偶、64點(diǎn)校準(zhǔn)電偶的周向及徑向位置匹配不當(dāng)造成。通過更換火焰筒，部分發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但工作量大，周期長，不確定因素較多，容易造成生產(chǎn)資源浪費(fèi)。采用調(diào)整擴(kuò)散器整流支板進(jìn)氣口面積的方法行之有效，排故方案經(jīng)過試車驗(yàn)證，試車結(jié)果與理論仿真計(jì)算結(jié)果吻合，且該方法工作量小，操作性強(qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用可靠性及安全性沒有影響。

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AnalysisandDisposalofAbnormalTemperatureDifferenceBehindtheTurbineinAero-engine

LINCheng,LIDan,HUOYu-xin,LIULi-bo,ZHOUJian-ping,LVJing

(AVICShenyangLimingAeroEngine(group)Co.,ltd.,Shenyang110043,China)

The failure issue, that the temperature difference between the sheathed thermocouple and calibrated thermocouple which is out of design limits,always occurs in turbojet engine tests. With theoretical analysis and numerical simulations, the reason for this failure has been demonstrated as the mismatch between the temperature filed distributions and the thermocouple locations. Furthermore, the adjustment of inlet frames is provided as a improvement method, which is experimentally proven effectively with simple efforts and without effects on engine reliability.

aero-engine;temperature;thermocouple;fault diagnosis

2014-04-22修訂稿日期2014-07-26

林成(1975～)，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及工程技術(shù)。

V23

A

1002-6339 (2014) 06-0530-03