渦扇發(fā)動機涵道比與紅外輻射特征的關系實驗

王 豐，吉洪湖，黃 偉

(南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

為了發(fā)展發(fā)動機排氣系統紅外隱身技術，國內外圍繞發(fā)動機排氣系統的紅外輻射展開了大量研究。李偉等［1］通過數值計算的方法研究了不同鋸齒對二元噴管紅外特征的影響。黃偉等［2］通過數值計算的方法研究了表面溫度和發(fā)射率對排氣系統紅外輻射的抑制作用。單勇等［3］通過實驗研究了中心錐氣膜冷卻結構對紅外輻射的影響。劉福城等［4］通過數值計算的方法研究了二元引射噴管對紅外輻射的影響。黃偉等［5］通過實驗研究了在噴管內加入對流輻射板對熱噴流紅外輻射的抑制效果。陳翾等［6］通過數值計算的方法研究了基于涂料性能參數的紅外隱身技術。以上的研究工作均是針對特定發(fā)動機排氣系統模型開展的，極大制約了發(fā)動機紅外隱身能力的發(fā)展。

Decher等［8］在發(fā)動機總體性能設計階段通過選擇發(fā)動機總體設計參數來降低發(fā)動機的紅外輻射，可大大降低發(fā)動機的紅外輻射特征。毫無疑問，在發(fā)動機總體設計階段就考慮紅外隱身的思想是極具價值的。

發(fā)動機總體性能參數包括涵道比、渦輪前溫度、增壓比等。本文通過兩組實驗研究了涵道比對發(fā)動機壁面溫度和紅外輻射特征的影響。

1 實驗測量系統

實驗測量系統包括渦扇發(fā)動機系統模擬實驗臺、紅外輻射測量系統和帶加力燃燒室的排氣系統腔體模型。

1.1 渦扇發(fā)動機排氣系統模擬實驗臺

實驗采用的是筆者所在課題組開發(fā)的渦扇發(fā)動機排氣系統模擬實驗臺。該實驗臺由發(fā)動機排氣模擬子系統、主流子系統、外涵子系統等組成，可對渦扇發(fā)動機排氣系統的結構和噴流流場進行實驗模擬，實驗臺結構如圖1所示。詳細的設計過程見文獻［9］。

內涵子系統由控制臺、燃燒室、內涵風機、內涵道和孔板流量計等部件組成。外涵子系統由孔板流量計、軟管、外涵風機和穩(wěn)壓腔等部件組成。實驗臺實物照片如圖2所示。內外涵風機均可提供1 kg/s左右的流量，并且流量大小可調。燃燒室出口的溫度可達800～850 K。

圖1 渦扇發(fā)動機排氣系統模擬實驗臺結構

圖2 實驗臺實物照片

1.2 紅外輻射測量系統

紅外輻射測量系統如圖3所示，由傅里葉變換紅外光譜輻射計、采集電腦和標定黑體組成。光譜輻射計由加拿大BOMEM公司生產，型號為MR-104。標定黑體由上海福源光電研究所研制，型號為HFY-301A。

傅里葉變換紅外光譜輻射計是一種可用于測量點目標光譜輻射強度的儀器，它應用傅里葉變換實現光譜測量，其測量原理建立在對雙光束干涉度量的基礎之上。相對于其他依據光的折射或衍射而設計的光學測量儀器，該儀器具有多通道同時測量、高通量、高信噪比等優(yōu)點，并且對于高精度的紅外光譜測量而言，它幾乎是目前唯一的選擇。紅外光譜輻射計對3～5 μm波段的中紅外輻射信號的光電轉換是通過銻化銦探測器來完成的，這類探測器具有微秒級的響應時間和非常高的信噪比。由于銻化銦探測器必須在溫度小于100 K的情況下才能正常工作，因此在實驗過程中必須用液氮對其進行制冷［10］。

1.3 帶加力燃燒室的排氣系統腔體模型

帶加力燃燒室的基準排氣系統模型的結構如圖4所示，由支板、中心錐、內外涵內外涵分界面、火焰穩(wěn)定器、加力筒體和噴管等部件組成。

圖3 紅外輻射測量系統

圖4 帶加力燃燒室的基準排氣系統模型的結構

2 排氣系統紅外輻射特征測量方案

2.1 實驗條件

內涵氣流設置燃燒室出口溫度為810 K，流量為1 kg/s;外涵氣流溫度為300 K，流量為0.4和0.5 kg/s。

2.2 黑體標定

用傅里葉變換紅外光譜輻射計測量時通常需要進行二次標定，即首先用高低溫黑體進行標定，在實驗數據測量過程中，再采用一個中溫黑體進行實時比對，獲得實時的修正系數［11-13］。實驗中還需注意的問題就是對背景輻射進行屏蔽，排除外露熱壁面對測量結果的影響。圖5給出了本研究采用的背景屏蔽方法，即在噴管出口處設置大面積的刷黑漆木板，對實驗臺外部熱壁面的紅外輻射進行遮擋。

2.3 壁面溫度測量點的布置

實驗中，在中心錐、內外涵分界面、支板、加力筒體和噴管壁面上共布置了30個熱電偶測點，各個測點的布置情況如圖6所示。其中加力筒和噴管為軸對稱幾何形狀，被認為周向分布均勻，所以沿軸線布置一系列熱電偶。

圖5 背景屏蔽板

圖6 熱電偶布置位置示意圖

2.4 紅外輻射強度測量點的布置

紅外輻射測量點的布置如圖7所示。探測角α的定義為探測器與發(fā)動機噴管出口的連線與發(fā)動機軸線的夾角。因為噴管為軸對稱噴管，只要測量一個空間面上紅外輻射分布即可表示出整個空間紅外輻射特征的分布，所以共測量10個方向上的紅外輻射強度，分別是 α =0°，5°，10°，15°，20°，30°，45°，60°，75°，90°。

圖7 紅外輻射測量點

3 實驗結果與分析

3.1 溫度測量結果及分析

各測點的溫度測量結果見表1和表2。由表1可見:中心錐的溫度最高，約在810 K左右，沿著排氣系統軸向逐漸降低;加力筒體的溫度因為內外涵氣流沿著軸向摻混逐漸加強，故加力筒體壁面溫度沿軸向逐漸升高;噴管的溫度最初因為內外涵氣流摻混沿著軸向先升高，之后噴管截面積縮小，受加速氣流的影響，溫度沿軸向降低。

對比表1和表2可以發(fā)現:當涵道比增加后，越靠近排氣系統噴管出口，加力筒和噴管壁面溫度降低的幅度越大。這是因為:在加力筒前端內外涵氣流剛開始摻混，高溫內涵氣流熱量沒有傳到加力筒和噴管壁面附近的外涵冷氣流，各壁面的溫度接近外涵氣流溫度;當沿著軸線方向逐漸靠近噴管出口時，內外涵氣流摻混越來越充分，高溫內涵氣流與外涵氣流摻混換熱，提高了加力筒和噴管壁面附近溫度，從而影響到加力筒和噴管壁面溫度。當涵道比增加時，外涵冷氣流增加，在內涵氣流流量和溫度不變的情況下，促使內外涵氣流摻混后整體氣流的溫度下降，越靠近噴管出口摻混越充分，摻混后整體氣流溫度下降幅度就越大。

表1 涵道比為0.4時各測點的溫度值

表2 涵道比為0.5時各測點的溫度值

3.2 積分輻射強度的空間分布

圖8為實驗排氣系統腔體模型的紅外輻射強度空間分布，其中:徑向坐標為輻射強度;周向坐標為空間角度。圖9為實驗模型各部件投影面積隨探測角度的變化，其中:橫坐標為方向角;縱坐標為投影面積。

從圖8可以看到:α=0°的輻射強度最大;隨著探測角度的增加，紅外輻射強度迅速降低;但在α=30°處，出現了輻射強度大于α=20°時的輻射強度的現象，這是因為受投影面積的影響。如圖9所示，在30°方向上加力筒和噴管的投影面積有所增加，使探測器探測到的紅外輻射強度增加。各方向積分輻射強度如表3所示。

圖8 實驗排氣系統腔體模型的紅外輻射強度空間分布

圖9 實驗模型的各部件投影面積隨探測角度的變化

表3 不同涵道比各方向的紅外輻射強度值

由圖8并結合表3可以看出:隨著涵道比的增加，冷氣流量增加，發(fā)動機后體空間0°～90°方向的紅外積分輻射強度均有減少，并且因為噴管壁面有效輻射的影響，在0°～30°方向降幅為10% ～15%，在30°～80°方向降幅為15% ～30%，在70°方向降幅最大。這是因為，在0°～30°方向，發(fā)動機輻射主要來自受內涵熱氣流影響的中心錐、渦輪等高溫部件的輻射，涵道比的增加只是增加了外涵冷氣流，內涵熱氣流的溫度并沒有改變，僅在中心錐下游，內外涵氣流摻混后增加了氣流對高溫部件輻射的吸收，間接降低了到達探測器的輻射能量，所以此角度范圍內，紅外輻射強度降幅相對很小。在30°～80°方向降幅較大，這是因為在這個角度范圍內，探測器只能探測到受內外涵氣流摻混后的溫度影響的加力筒和噴管壁面，涵道比變化對加力筒和噴管壁面溫度的影響較大，所以降幅最大。在80°～90°方向降幅很小，這是因為，在此范圍內隨著角度增加，探測器能探測到的排氣系統固體壁面越來越小，到達90°方向時，只能看到噴流，固體壁面影響消失。

4 結論

通過實驗測量了帶加力燃燒室結構的渦扇發(fā)動機排氣系統的壁面溫度分布、紅外輻射的光譜和空間分布。得到以下結論:隨著涵道比增加，外涵冷氣流量增加，壁面溫度降低，紅外輻射特征降低，并且在排氣系統加力筒之后，越靠近噴管出口，氣流摻混越充分，壁面溫度降幅越大;紅外積分輻射強度在0°～30°方向內降幅為10% ～15%，在30°～80°方向降幅較大，在15% ～30%范圍內，在70°方向降幅最大。

本文研究可以在發(fā)動機總體設計階段預先分析涵道比變化對渦扇發(fā)動機紅外輻射特征的影響，從而為更大幅度地降低發(fā)動機紅外輻射提供參考。

［1］李偉，張勃，吉洪湖，等.不同鋸齒對二元噴管實際腔體紅外輻射特征影響數值模擬［J］.航空動力學報，2014，29(8):1810-1816.

［2］黃偉，吉洪湖，斯仁，等.降低表面溫度和發(fā)射率抑制排氣系統紅外輻射的研究［J］.推進技術，2011，32(4);550-556.

［3］單勇，張靖周，邵萬仁，等.渦扇發(fā)動機排氣系統中心錐氣膜冷卻結構的氣動和紅外輻射特性實驗［J］.航空動力學報，2012，27(1):9-15.

［4］劉福城，吉洪湖，林蘭之，等.二元引射噴管幾何特征參數對推力及紅外特性的影響［J］.航空動力學報，2011，26(6):1244-1250.

［5］黃偉，吉洪湖，羅明東，等.對流輻射板抑制渦扇發(fā)動機熱噴流紅外輻射的實驗［J］.航空動力學報，2007，22(12):2000-2005.

［6］陳翾，張健，王艷武，等.基于涂料性能參數的紅外隱身技術［J］.光學精密工程，2009，17(2):280-285.

［7］羅明東，吉洪湖，黃偉.非加力渦輪發(fā)動機排氣系統紅外輻射強度的數值計算［J］.航空動力學報，2007，22(10):1609-1616.

［8］Decher R.Infrared emissions from turbofans with high aspect ratio nozzles［J］.Journal of Air-craft，1981，18(12):1025-1031.

［9］宮禹.渦扇發(fā)動機排氣系統紅外隱身實驗裝置的總體設計及性能仿真研究［D］.南京:南京航空航天大學，2007.

［10］Series M R.FT-Spectro Radiometer Design Overview and Theory(Version 3.0)［M］.［S.l.］:ABB Bomen Inc，1998.

［11］羅明東.無人機排氣系統紅外隱身技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2006.

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［13］白濤濤.小型渦扇發(fā)動機排氣系統流場及紅外輻射特征研究［D］.南京:南京航空航天大學，2009.