燃?xì)夥治龇ㄔ诟邷厣h(huán)燃燒室出口溫度場試驗(yàn)中的應(yīng)用

韓 冰，王明瑞，李亞娟，馬 征

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

燃?xì)夥治龇ㄔ诟邷厣h(huán)燃燒室出口溫度場試驗(yàn)中的應(yīng)用

韓 冰，王明瑞，李亞娟，馬 征

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

為了給某型高溫升全環(huán)燃燒室的出口溫度分布改進(jìn)優(yōu)化提供技術(shù)支持，采用燃?xì)夥治龇ê蜔犭娕挤?種測量方法測量出口溫度場。燃?xì)夥治龇ㄍㄟ^2支5點(diǎn)非混合式取樣器隨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°，采集燃燒室出口600點(diǎn)樣氣，測量CO2和CO 2種組分的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)而計(jì)算燃?xì)鉁囟?。在油氣?.03狀態(tài)下，燃?xì)夥治龇ㄅc熱電偶法測量的燃燒室出口溫度分布基本一致，在油氣比0.037狀態(tài)下，燃?xì)夥治龇y到的熱點(diǎn)溫度達(dá)到2285 K，經(jīng)誤差分析得出CO2和燃料熱值的測量偏差對燃?xì)夥治龇ǖ臏囟葴y量影響較大，采用的燃?xì)夥治龇y溫系統(tǒng)總誤差在1%以內(nèi)。研究結(jié)果表明:燃?xì)夥治龇ㄊ?種具有較高測試精度、可靠的高溫測試技術(shù)。

高溫升全環(huán)燃燒室；出口溫度分布；燃?xì)夥治觯蝗悠?；燃?xì)鉁囟龋徽`差分析；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

出口溫度場作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的重要性能指標(biāo)，直接影響第1級渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片的壽命及其可靠性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比持續(xù)增加，使得燃燒室的出口溫度不斷提高，推重比12的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室溫升達(dá)1150 K[1]，熱點(diǎn)溫度高達(dá)2300 K以上，而更高推重比的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室溫升將高達(dá)1400 K，熱點(diǎn)溫度將超過2500 K，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在氧化環(huán)境中具有較長壽命的鉑銠、銥銠等熱電偶的測溫極限，因此能用于燃燒環(huán)境，可測量2500 K乃至更高燃?xì)鉁囟鹊臏y溫技術(shù)成為了高溫升燃燒室研制中的瓶頸技術(shù)之一[2-3]。

在20世紀(jì)70年代初，GE公司已開始探索用燃?xì)夥治龇y量燃燒室出口溫度；在80年代NASA劉易斯研究中心對燃?xì)夥治龇ㄟM(jìn)行深入研究，使得燃?xì)夥治龀蔀?種高溫燃?xì)獬Ｒ?guī)測量技術(shù)；在90年代英國研究用全組分推算燃?xì)鉁囟?，分析各種因素對測溫的影響，編制相應(yīng)實(shí)用的計(jì)算程序，提高了測溫精度[4-5]。在中國，沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所在對燃?xì)夥治龇y試誤差進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，搭建了國內(nèi)第1套多通道、高精度的燃?xì)夥治龇ǜ邷販y試系統(tǒng)，并已用于扇形燃燒室出口溫度場的測試。

燃?xì)夥治龇ㄍㄟ^測量燃?xì)庵懈鞒煞值捏w積分?jǐn)?shù)，計(jì)算獲得燃?xì)獾臏囟?，?種間接測量燃燒過程溫度的方法，具有較高的精度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，可測量的最高溫度取決于1次受感部即燃?xì)馊悠鞯哪蜏啬芰?。本文采用多通道燃?xì)夥治鰷y溫系統(tǒng)測量了某高溫升全環(huán)燃燒室的出口溫度場，其熱點(diǎn)溫度達(dá)2285 K，對燃?xì)夥治鰷y溫系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析，并與熱電偶法的測量結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 燃?xì)夥治鰷y溫原理

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒短、氣流速度快，散熱損失小于0.1%，而且燃燒室的壓力損失小，因此燃燒室可以看作是1個(gè)絕熱等壓系統(tǒng)[6]。給定反應(yīng)混合物及初始溫度，通過測量獲得燃燒產(chǎn)物各組分的體積分?jǐn)?shù)，就可以獲得被測點(diǎn)的油氣比和燃燒效率，再利用熱力學(xué)第一定律就可以計(jì)算出燃燒產(chǎn)物的溫度。在高溫燃燒過程中，燃燒產(chǎn)物會(huì)發(fā)生熱離解以及離解物質(zhì)之間也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 H2、OH、CO、H、O、N、NO等，而這些離解產(chǎn)物是無法由現(xiàn)有燃?xì)夥治鰷y試儀器測量，因此需要通過化學(xué)平衡關(guān)系式，結(jié)合物質(zhì)守恒和能量守恒計(jì)算化學(xué)平衡組分，進(jìn)而得到燃?xì)獾慕^熱火焰溫度，建立的非線性方程組采用數(shù)值解技術(shù)，由程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)求解[7-9]。燃?xì)夥治龇☉?yīng)用在燃燒室的計(jì)算模型如圖1所示。

2 燃?xì)夥治鰷y試系統(tǒng)

燃?xì)夥治霾捎玫娜友b置如圖2所示。從圖中可見，取樣點(diǎn)在燃燒室出口腔道中按等環(huán)面布置徑向5點(diǎn)，每點(diǎn)對應(yīng)1個(gè)測試通道。取樣器采用水冷方式，一方面可以快速凍結(jié)燃?xì)?，防止繼續(xù)燃燒，另一方面是要保證取樣器在燃燒室出口溫度較高的情況下長時(shí)間持續(xù)采樣[10-11]，在試驗(yàn)過程中保持取樣器供水壓差在1 MPa左右。

燃?xì)夥治龇ú捎玫臏囟葓鰷y量系統(tǒng)如圖3所示[12-13]。在測量出口溫度場的過程中，2支5點(diǎn)非混合式取樣器相隔180°安裝在燃燒室出口處的1個(gè)水、氣雙冷自動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，由于該次試驗(yàn)采用5臺(tái)非分光式紅外氣體分析儀測量CO2和CO，因此試驗(yàn)時(shí)先采集1支取樣器的5路樣氣，轉(zhuǎn)過180°后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)，切換閥門采集另1支取樣器的5路樣氣。在試驗(yàn)過程中沿周向間隔3°采集1組，總計(jì)120組，共600點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，測點(diǎn)密度為0.432點(diǎn)/cm2,滿足燃燒室出口溫度測量的要求[14]。

樣氣采用浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)，保證進(jìn)入測試儀器的樣氣流量為1 L/min左右，其余的樣氣通過設(shè)置的旁路閥門在取樣管路的末端，進(jìn)入測試儀器前進(jìn)行放空處理，這樣做能提高樣氣在輸送管路中的流動(dòng)速度，減少燃?xì)夥治鰷y試時(shí)間。取樣器進(jìn)口到測試儀器的管路輸送距離為20 m，管路中流量為5 L/min，換算成流速是6.5 m/s，由此樣氣從取樣器到測試儀器所需時(shí)間不到4 s，再考慮儀器測試穩(wěn)定時(shí)間，在燃?xì)夥治鰷y試程序中設(shè)置樣氣采集等待時(shí)間為15 s，等待結(jié)束后開始記錄數(shù)據(jù)，在每個(gè)測點(diǎn)位置記錄10組數(shù)據(jù)，這樣能保證燃?xì)夥治龇ㄋ鶞y數(shù)據(jù)與所在測點(diǎn)位置相對應(yīng)，完整地錄取全環(huán)燃燒室的出口溫度場數(shù)據(jù)。即使設(shè)置旁路加快取樣管路中的樣氣流速，在試驗(yàn)時(shí)采集1次全環(huán)溫度場數(shù)據(jù)需要1.5 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在某全環(huán)燃燒室試驗(yàn)器上進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)口空氣由回?zé)崞骱碗娂訙仄鏖g接加溫，空氣流量采用孔板流量計(jì)測量，測量精度為2.5%；燃油流量采用渦輪流量計(jì)測量，測量精度為0.5%；燃燒室進(jìn)口溫度采用K型熱電偶測量，測量精度為0.5%。燃料的氫碳比為1.923，熱值為42650 kJ/kg。試驗(yàn)狀態(tài)見表1，分別采用燃?xì)夥治龇ê蜔犭娕挤y量了狀態(tài)序號1的溫度場，狀態(tài)序號2的溫度場只用燃?xì)夥治龇ㄟM(jìn)行了測量。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)

在試驗(yàn)中通過燃?xì)夥治龇y得的600點(diǎn)油氣比數(shù)據(jù)，經(jīng)算術(shù)平均后與通過直接測量燃油流量和空氣流量所得到的油氣比進(jìn)行對比，測試結(jié)果見表2，二者最大偏差為1.3%，按照文獻(xiàn)[15]給出的標(biāo)準(zhǔn)二者偏差小于5%的要求，表明試驗(yàn)取樣具有代表性。

表2 取樣代表性結(jié)果

2種測量方法得到的燃燒室溫度場結(jié)果對比見表3，在油氣比為0.03時(shí)燃?xì)夥治龇y得的平均溫度比熱電偶法測得的高27.7 K，最高溫度比熱電偶法測得的高103.5 K。熱電偶的測溫精度受燃燒室周圍環(huán)境的影響很大，偶絲結(jié)點(diǎn)在燃?xì)庵袝?huì)受到對流傳熱、熱傳導(dǎo)、輻射傳熱等因素的影響，這是1個(gè)熱平衡的過程，因此，熱電偶法直接測到的溫度結(jié)果是要低于燃?xì)鈱?shí)際的溫度，而高溫燃?xì)庵形慈冀M分如CO和UHC含量較少甚至沒有，燃?xì)夥治龇ㄍㄟ^建立1個(gè)化學(xué)平衡燃?xì)饽Ｐ?，利用能量守恒原理?jì)算燃?xì)獾慕^熱平衡溫度，即燃燒所能達(dá)到的最高溫度，綜上原因燃?xì)夥治龇ㄋ鶞y溫度是要大于熱電偶法所測溫度。

表3 測溫結(jié)果對比

全環(huán)燃燒室的出口溫度場分布云圖如圖4～6所示，從圖中可見，2種測量方式測得的熱點(diǎn)位置不同，但是測得的燃燒室出口溫度分布基本一致。

燃?xì)夥治龇ㄅc熱電偶法測得的燃燒室出口徑向分布系數(shù)對比如圖7所示。

4 誤差分析

通常燃?xì)夥治龇ㄐ枰獪y量的燃?xì)饨M分有CO2、CO、UHC、NOx，相應(yīng)的測試儀器分別為紅外氣體分析儀（CO2、CO）、火焰離子探測器（UHC）、化學(xué)發(fā)光儀（NOx），根據(jù)對大量燃?xì)夥治鲈囼?yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，燃燒室在高溫工作時(shí)氣態(tài)排放物中CO和UHC 2種未燃組分一般情況下摩爾含量都比較低，一般不超過0.01%；雖然隨著燃燒溫度的升高，NOx的摩爾含量會(huì)逐漸增加，但該組分的體積分?jǐn)?shù)基本在0.05%以下，并且由于生成NO過程的熱量變化很小，忽略NOx的測量對溫度的計(jì)算影響是很小的（下面誤差分析可以給出），因此在測量較大狀態(tài)下的燃燒室出口溫度場時(shí)可以簡化燃?xì)夥治鰷y試系統(tǒng)，僅配置紅外氣體分析儀測量的CO2、CO 2種組分。試驗(yàn)的樣氣預(yù)處理系統(tǒng)按照航標(biāo)HB 6117-1987的要求建立，可保證從取樣器到測試儀器過程中樣氣成分不發(fā)生變化，因此燃?xì)饨M分的測量誤差來源于測試儀器的誤差，在試驗(yàn)使用的紅外氣體分析儀精度為1%。

燃?xì)夥治龇y溫除了受到燃燒室出口燃?xì)饨M分的測量影響，進(jìn)口溫度、燃料熱值也會(huì)對燃?xì)鉁囟鹊臏y量造成影響，下面將分別分析各因素對溫度測量的影響。

4.1 燃?xì)饨M分對溫度測量的影響

4.1.1 CO2測量偏差對溫度的影響

CO2的測量偏差為1%對溫度計(jì)算的影響如圖8所示。從圖中可見，隨著油氣比從低到高，溫度計(jì)算誤差的變化趨勢是逐漸升高然后降低，最大誤差將近10 K，相對誤差變化趨勢也是先升高后降低，對誤差最大達(dá)到0.56%。

4.1.2 CO測量偏差對溫度的影響

CO的含量一般低于0.01%，經(jīng)計(jì)算結(jié)果表明：CO的測量偏差為1%對溫度的影響極小，可忽略不計(jì)。

4.1.3 UHC未測對溫度的影響

在試驗(yàn)中測量的CO摩爾含量比較低，一般不超過0.01%，由此推斷UHC也不會(huì)超過這個(gè)量級，假設(shè)燃?xì)庵蠻HC的含量為0.01%，未測量對溫度計(jì)算的影響如圖9所示。從圖中可見，溫度誤差和相對誤差基本都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是降低的，對溫度的影響不超過1K。

4.1.4 NOx未測量對溫度的影響

假設(shè)燃?xì)庵蠳Ox的含量為0.05%，未測量對溫度計(jì)算的影響如圖10所示，從圖中可見，溫度誤差和相對誤差基本都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是降低的,對溫度的影響不超過1 K。

4.2 進(jìn)口溫度對溫度測量的影響

試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)口溫度為733 K，進(jìn)口溫度測量采用的K型熱電偶測量誤差為±0.5%，對溫度計(jì)算的影響如圖11所示，從圖中可見，溫度誤差和相對誤差基本都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是降低的。

4.3 燃料熱值對溫度測量的影響

試驗(yàn)采用的燃料低熱值為42650 kJ/kg，測量偏差為1%,對溫度計(jì)算的影響如圖12所示，從圖中可見，溫度誤差和相對誤差都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是先升高后降低的，溫度誤差最大達(dá)到11 K，相對誤差最大達(dá)到0.65%。

綜上分析可以得出，CO2和燃料熱值的測量偏差對溫度計(jì)算的影響是比較大的，其余因素的影響程度是比較小的，綜合各個(gè)因素對燃?xì)鉁囟鹊目傉`差影響在1%以內(nèi)。

5 結(jié)論

通過燃?xì)夥治龇ㄔ谀掣邷厣h(huán)燃燒室出口溫度場試驗(yàn)中的應(yīng)用可以得到以下結(jié)論：

（1）采用的多通道燃?xì)夥治龇y溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱點(diǎn)溫度達(dá)2285 K的全環(huán)燃燒室出口溫度場的測試，證明燃?xì)夥治鍪?種可靠的高溫測試技術(shù)，并有用于更高燃?xì)鉁囟葴y試的潛力；

（2）燃?xì)夥治龇ê蜔犭娕挤?種測量方法得到的油氣比的最大偏差為在1.3%以內(nèi)，表明采用的燃?xì)夥治鰷y試系統(tǒng)具有較高的精度；

（3）在油氣比為0.03狀態(tài)時(shí)，燃?xì)夥治龇ㄅc熱電偶法所測得的燃燒室出口溫度分布基本一致，但燃?xì)夥治龇y到的平均溫度比熱電偶高27.7 K、熱點(diǎn)溫度高 103.5 K、OTDF高 0.07；

（4）誤差分析表明：CO2測量精度和燃料熱值的測量偏差是燃?xì)夥治鰷y溫系統(tǒng)主要的誤差來源，燃?xì)夥治龅臏y溫系統(tǒng)總誤差在1%以內(nèi)。

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Application of Gas Analysis Method on High Temperature Rise Full Annular Combustor Outlet Temperature Field Test

HAN Bing,WANG Ming-rui,LI Ya-juan,MA Zheng
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

Gas analysis method and thermocouple method were taken to measure outlet temperature field to provide the technical support for the optimization of outlet temperature distribution of high temperature rise full annular combustor.Two five-hole samplers were fixed on a traverse gear,swinging 180°and collecting six hundred gas samples from combustor outlet,the gas temperature were calculated by measuring carbon dioxide and carbon monoxide.The combustor outlet temperature distribution measured by gas analysis method and thermocouple method are consistent basically at fuel/air ratio 0.03.The hot-spot temperature measured by gas analysis method was 2285 K at fuel/air ratio 0.037.The error analysis show that the primary factors which affect oreatly gas analysis measuring temperature are carbon dioxide and fuel calorific value.The overall error of greatly gas analysis test system is better than 1%.The result show that gas analysis method is a reliable high temperature measurement technique with high precision.

high temperature rise full annular combustor;outlet temperature distribution;gas analysis;sampler;gas temperature;error analysis;aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.05.014

2017-02-10 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

韓冰（1987），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃?xì)夥治鰷y試技術(shù)工作；E-mail:303795845@qq.com。

韓冰，王明瑞，李亞娟，等.燃?xì)夥治龇ㄔ诟邷厣h(huán)燃燒室出口溫度場試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（5）：79-84.HAN Bing,WANG Mingrui,LI Yajuan,et al.Application of gas analysis method on high temperature rise full annular combustor outlet temperature field test[J].Aeroengine，2017，43（5）：79-84.

（編輯：張寶玲）