整機條件下主燃燒室參數(shù)測量研究

門玉賓，柴 昕，張羽鵬，尹 東

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

0 引言

主燃燒室是航空發(fā)動機核心機的主要組成部分之一，其在整機上的表現(xiàn)，直接決定著發(fā)動機的性能和試車安全。所以主燃燒室部件不僅需要在部件試驗時進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量，也需要在整機條件下對其主要參數(shù)進(jìn)行測試，以便檢驗主燃燒室部件性能，并對其進(jìn)行修改和完善。

通常航空發(fā)動機整機試車時只測量主燃燒室進(jìn)口參數(shù)，其余部位參數(shù)在部件試驗中測量。在整機試驗過程中由于壓氣機出口氣流的擾動，增加了在整機上準(zhǔn)確測量的難度，而在零部件試驗中得到的數(shù)據(jù)又不能完全代表其在整機上的表現(xiàn)[1]。因此需要在整機條件下對主燃燒室參數(shù)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地測量。一些先進(jìn)的測試技術(shù)，如：先進(jìn)激光測試技術(shù)包括激光粒子圖像技術(shù)（PIV）[2-3]、激光多普勒測速技術(shù)（LDV）[4-6]、激光相位多普勒技術(shù)（PDPA）[7-9]和以激光為基礎(chǔ)的光譜測量技術(shù)等，可以測量發(fā)動機燃燒室內(nèi)的速度場、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，其高精度、易捕捉性是其他測量技術(shù)無法比擬的[10]，但由于受試驗條件的限制暫時還無法應(yīng)用到整機試驗中。在現(xiàn)有水平下，大部分試驗依舊采用比較傳統(tǒng)的壓力和溫度測量方法，在壓力測量方面仍采用探頭布點的方式；示溫漆測量是1種較為準(zhǔn)確、快速、可靠而且非常實用的測量技術(shù)，被普遍應(yīng)用于燃燒室部件溫度測量[11]；熱電偶測量技術(shù)精度高、應(yīng)用廣泛，可以測量燃燒室火焰筒壁溫和機匣內(nèi)外壁溫等多個參數(shù)[12-13]，可以得到所測位置的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)值。

本文運用現(xiàn)階段測量技術(shù)，提出了1種適合整機條件下主燃燒室參數(shù)測量的方法，并結(jié)合試驗結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 測量參數(shù)

航空發(fā)動機主燃燒室部件性能主要包括總壓恢復(fù)系數(shù)[14]、燃燒效率、燃燒室出口溫度分布系數(shù)（FOTDF）[14]和徑向溫度分布系數(shù)（FRTDF）等參數(shù)。在整機測試中可以通過測量而計算出總壓恢復(fù)系數(shù)、FOTDF，還可以直接測量與主燃燒室壽命相關(guān)的內(nèi)、外機匣壁溫和渦輪部件相關(guān)的2股腔道溫度、壓力等參數(shù)。

2 測點分布

在整機試驗中，需要測量主燃燒室部件的參數(shù)包括進(jìn)口總溫T3、總壓P3，出口總溫T4、總壓P4，以及2股腔道溫度、壓力等。具體的測量截面如圖1[15]所示。

圖1 燃燒室分布測試點位置

2.1 燃燒室前段

采用熱電偶和壓力探針技術(shù)測量T3、P3，為保證測量精度通常在周圍分布2～3個測點。具體測量位置為圖1中的1，即在整流葉片和擴壓器交界處。

考慮整流葉片尾跡對探頭的影響和測量誤差，本文提出當(dāng)Ma=0.2~0.3時，實際測量值與燃燒室進(jìn)口參數(shù)之比為0.97~0.98，此外還要考慮壓氣機出口不均度的影響，需要對進(jìn)口參數(shù)進(jìn)行修正（根據(jù)經(jīng)驗該系數(shù)取值為0.99），最終得到燃燒室進(jìn)口參數(shù)為

式中：P3c為進(jìn)口參數(shù)測量值。

2.2 燃燒室中段

采用壓力探針技術(shù)測量3股腔道的壓力。在周圍分布2～3處，其中每處均分布了3股腔道的測點，每股腔道角向位置一致，具體測量位置為圖1中的2～4，分別為中、內(nèi)、外環(huán)腔。根據(jù)測得的中、內(nèi)、外環(huán)腔壓力，并考慮3股腔流量的比例分配進(jìn)行加權(quán)平均，得到擴壓器出口壓力為

式中：η 為流量百分比。

2.3 燃燒室后段

主要測量火焰筒的P4、T4，具體測量位置為圖1中的8。

考慮整機試車條件，壓力和溫度測點無法在燃燒室部件上固定，因此將引線穿入高壓渦輪導(dǎo)向葉片，使其正對燃燒室火焰筒出口腔道；考慮出口溫度測點數(shù)無法與部件試驗數(shù)相比，因此在局部位置根據(jù)部件試驗的情況，對溫度較高的出口溫度區(qū)域加密布置引線測點，測量燃燒室出口的溫度分布。根據(jù)對上述所測參數(shù)數(shù)據(jù)分析基本可以評估燃燒室出口溫度場；在壓力損失方面，以P3、P4測點角向位置對應(yīng)的點為主要計算依據(jù)，并結(jié)合其他壓力測試點數(shù)值分析計算，減少了周向不均勻而造成的誤差。測點分布如圖2所示。

最后在燃燒室機匣上，通過噴涂示溫漆和安裝熱電偶的方法也可以得到機匣溫度分布數(shù)據(jù)，位置為圖1中的5。

圖2 P4和T4測試點分布

3 試車數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

通過整臺發(fā)動機試車，得到了主燃燒室部件在不同狀態(tài)下的壓力和溫度數(shù)據(jù)，繪制成曲線分別如圖3、4所示。

圖3 壓力損失與發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線（α 為無量綱常數(shù)）

圖4 FOTDF與發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線（β 為無量綱常數(shù)）

從圖3中可見，總壓損失隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而逐漸增加，其中擴壓器損失隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高所占的損失比例減小，火焰筒損失所占的比例逐漸增大。這是由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，火焰筒內(nèi)燃燒室熱負(fù)荷越大，隨之產(chǎn)生的熱阻損失就越大，進(jìn)而導(dǎo)致擴壓器損失所占的比例減小。

從圖4中可見，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，燃燒室出口溫度場分布系數(shù)（FOTDF）比例逐漸減小，說明出口溫度隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而趨于均勻。

此外，在部件試驗中測得的FOTDF和整機測試結(jié)果相當(dāng)，并沒有由于在地面進(jìn)行整機試驗而變大。結(jié)果表明：在燃燒室結(jié)構(gòu)一致，進(jìn)出口參數(shù)相當(dāng)時，類似結(jié)構(gòu)的燃燒室可以用部件試驗中獲得的FOTDF來代替地面整機參數(shù)。

主燃燒室內(nèi)、外環(huán)腔中的壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖5所示。從圖中可見，內(nèi)、外環(huán)腔的壓力恢復(fù)都隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增大，分析認(rèn)為這是由于擴壓器后2股腔道內(nèi)的損失只有沿程損失，而其隨溫度和壓力的變化相對較小所致。

圖5 內(nèi)、外環(huán)腔壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線（γ 為無量綱常數(shù)）

主燃燒室內(nèi)、外環(huán)腔的溫度隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖6所示。從圖中可見，內(nèi)、外環(huán)腔的溫度比例系數(shù)都隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增大，這是因為隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，火焰筒內(nèi)的溫度升高，其對外的輻射也增大，造成內(nèi)、外環(huán)腔的溫度略高于進(jìn)口溫度所致。

圖6 內(nèi)、外環(huán)腔溫度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化曲線（μ 為無量綱常數(shù)）

從圖5、6中比較可見，外環(huán)腔的壓力恢復(fù)系數(shù)和溫度比例系數(shù)均高于內(nèi)環(huán)腔的，即外環(huán)腔的壓力和溫度均高于內(nèi)環(huán)腔的，經(jīng)分析得出這與實際發(fā)動機燃燒室的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。該發(fā)動機主燃燒室為環(huán)形燃燒室，外環(huán)腔道比較流暢，腔道面大；而內(nèi)環(huán)腔道由于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)接和引氣方面的需要其結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜，腔道面積小，從而增加了流動損失，影響了氣體對流換熱和受到火焰筒壁輻射的效果，導(dǎo)致內(nèi)環(huán)腔的壓力和溫度都比外環(huán)腔的低。

燃燒室外機匣通過示溫漆判讀的局部如圖7所示，在不同轉(zhuǎn)速下燃燒室外機匣壁溫沿程變化曲線如圖8所示。在較高轉(zhuǎn)速時，熱電偶和示溫漆測量結(jié)果基本一致，說明試驗中測量的數(shù)據(jù)基本可靠，沒有發(fā)生發(fā)動機漏氣等現(xiàn)象，對測量精度沒有造成不良影響。

圖7 燃燒室示溫漆局部

圖8 燃燒室溫度沿程變化曲線（λ 為無量綱常數(shù)）

從圖8中可見，在3種狀態(tài)下燃燒室外機匣壁溫變化規(guī)律基本一致，都是在機匣的中前段存在1個最高點，分析認(rèn)為此處為火焰筒對機匣輻射最大的位置，由于整個機匣受到的對流換熱影響相當(dāng)，而機匣前后部分受到的輻射強度不一致，影響了機匣溫度梯度規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）本文通過研究適用于整機的燃燒室測量，得到了1種比較完整并能夠在整臺發(fā)動機上對主燃燒室進(jìn)行測量的方法，可操作性很強。通過整機試車數(shù)據(jù)分析驗證，測量結(jié)果能夠基本準(zhǔn)確地反映主燃燒室的狀態(tài)。

（2）通過試車試驗，得到了此結(jié)構(gòu)形式的主燃燒室主要參數(shù)包括壓力損失和FOTDF的曲線。該總壓力損失隨著整機轉(zhuǎn)速的提高而增大，而擴壓器的壓力損失所占比例隨著整機轉(zhuǎn)速的提高而減小，而火焰筒損失所占比例則相應(yīng)增大。

（3）測得了此結(jié)構(gòu)形式的主燃燒室內(nèi)、外環(huán)腔溫度和壓力數(shù)據(jù)。內(nèi)、外環(huán)腔的溫度、壓力都隨著整機轉(zhuǎn)速的提高而增大，而且內(nèi)、外環(huán)腔道的溫度均略大于主燃燒室進(jìn)口溫度。

（4）通過測得此結(jié)構(gòu)形式的主燃燒室機匣壁溫，得到了不同轉(zhuǎn)速下機匣的溫度梯度規(guī)律，表明在機匣的中前段存在1個最高溫度點。

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