氣冷溫度探針設(shè)計及應(yīng)用

劉 巖，劉國陽，袁 帥

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

航空發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度是一個非常重要的參數(shù)，燃燒室出口燃?xì)庋貜较颉⒅芟虻臏囟确植紩u輪導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片的壽命產(chǎn)生明顯影響。因此，對于燃燒室出口徑向溫度分布、出口周向溫度分布的研究是重要的研究課題。利用試驗(yàn)測試得到的燃燒室出口溫度分布的數(shù)據(jù)，可以得到燃燒室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械性能和氣動性能的各種數(shù)據(jù)，以達(dá)到進(jìn)一步改進(jìn)和提高燃燒室性能的目的[1-4]。

目前，燃燒室出口溫度測量主要分為接觸式和非接觸式。非接觸式測溫技術(shù)由于使用環(huán)境的限制，應(yīng)用于燃燒室出口溫度測量并不成熟。國內(nèi)外燃燒室出口測溫技術(shù)主要采用接觸式[5-9]，但燃燒室出口燃?xì)饩哂懈邷馗邏旱奶攸c(diǎn)，最高壓力達(dá)到3.5 MPa，平均溫度達(dá)1 800 K，熱點(diǎn)溫度2 000 K以上，已經(jīng)遠(yuǎn)超出高溫合金的熔點(diǎn)。目前，能承受2 000 K以上溫度的材料主要是耐高溫陶瓷。在文獻(xiàn)[10]中，楊燦等設(shè)計了以耐高溫陶瓷作為支撐件的小型高溫?zé)犭娕紓鞲衅?，校?zhǔn)溫度達(dá)到了1 960.6 K。但該結(jié)構(gòu)僅作為校準(zhǔn)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)[11]，未在燃燒室出口測量中得到應(yīng)用。目前，主要采用氣冷結(jié)構(gòu)的氣冷溫度探針進(jìn)行燃燒室出口溫度測量。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以獲得很好的測量效果。國內(nèi)氣冷溫度探針的冷卻效果主要依據(jù)氣冷試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的公式進(jìn)行計算，但根據(jù)公式設(shè)計的氣冷溫度探針，冷卻效果一般。本文針對某單頭部燃燒室出口溫度測量需求，借鑒渦輪葉片的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，將CFX軟件引入氣冷溫度探針冷卻效果的計算分析，設(shè)計了適用于燃燒室出口的氣冷溫度探針。氣冷溫度探針成功應(yīng)用于單頭部燃燒室試驗(yàn)中。

1 氣冷溫度探針結(jié)構(gòu)

某單頭部燃燒室試驗(yàn)出口溫度測點(diǎn)分布如圖1所示。最大狀態(tài)氣動參數(shù)如下：溫度T*=2 020 K、總壓P*=2 MPa、速度M=0.35。

圖1 溫度測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of the temperature measurement points

氣冷溫度探針結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣冷溫度探針結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of air-cooling temperature probe

根據(jù)單頭部燃燒室出口溫度范圍，氣冷溫度探針熱電偶采用鉑銠30-鉑銠6。針對溫度測點(diǎn)分布情況，為最大限度減小氣冷溫度探針支桿對出口氣流的干擾、提高測量精度，氣冷溫度探針采用三個支桿結(jié)構(gòu)。氣冷溫度探針滯止室直接暴露在高溫燃?xì)庵校惺苤細(xì)獾母邷?，燃?xì)鉁囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過高溫合金的熔點(diǎn)，因此滯止室采用氧化鋁增韌陶瓷材料。為保證氣冷溫度探針支桿迎風(fēng)面的冷卻效果，支桿迎風(fēng)面開有氣膜孔，但支桿迎風(fēng)面氣膜孔吹出的冷氣直接與被測燃?xì)饣旌?，影響測量精度。因此，在支桿迎風(fēng)面安裝擋板，既可保證支桿迎風(fēng)面的冷卻效果，又可阻止冷卻氣與被測燃?xì)鈸交臁?/p>

2 冷卻計算

燃燒室出口氣冷溫度探針承受著高溫、高壓燃?xì)獾臎_擊作用，燃?xì)鉁囟冗h(yuǎn)高于氣冷溫度探針支桿材料的許用溫度。因此，冷卻效果直接關(guān)系到氣冷溫度探針的使用安全，十分重要。

2.1 支桿模型

本文氣冷溫度探針伸入流道內(nèi)為三個支桿。三個支桿所處氣動環(huán)境相同，因此只需分析其中一個支桿的冷卻效果即可。氣冷溫度探針每個支桿共有1 100多個氣膜孔。為了減少計算的工作量、提高計算效率，根據(jù)氣膜冷卻原理，在保證計算結(jié)果不受顯著影響的前提下，對支桿模型進(jìn)行一定簡化，可將離散氣膜孔按式(1)折算成當(dāng)量縫寬Se：

(1)

式中：Se為當(dāng)量縫寬；d為氣膜孔直徑；t為氣膜孔間距。

根據(jù)式(1)計算出單個氣膜孔當(dāng)量縫寬，在不改變氣膜孔總面積的前提下，進(jìn)一步簡化模型，將氣膜孔分區(qū)并且合并相鄰氣膜孔的縫寬。按照上述情況，建立氣冷溫度探針支桿用于冷卻計算的模型。

2.2 冷卻氣參數(shù)

本文確定借鑒渦輪葉片的設(shè)計方法，氣冷溫度探針冷卻氣壓力對于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片，一般冷卻氣與燃?xì)庵g壓比越高，氣膜冷卻保護(hù)效果越好。不過壓比太高會降低氣膜冷卻的保護(hù)效果。這是因?yàn)樯淞鲿撾x壁面進(jìn)入主流。壓比一般取1.02～1.10較為合適。試驗(yàn)臺提供的冷卻氣壓力可根據(jù)燃燒室出口燃?xì)鈮毫M(jìn)行調(diào)節(jié)，冷卻氣壓力可在大于燃?xì)鈮毫?.5 MPa的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺提供的冷卻氣溫度不大于303 K。

經(jīng)計算，本文單頭部燃燒室出口燃?xì)忪o壓P=1.9 MPa。結(jié)合渦輪葉片設(shè)計經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)臺提供冷卻氣能力，確定氣冷溫度探針冷卻氣壓力Pc=2.05 MPa、冷卻氣溫度Tc=303 K。

2.3 仿真計算

在CFX軟件建立氣冷仿真模型，進(jìn)行冷卻效果計算，根據(jù)燃燒室出口燃?xì)饧袄鋮s氣參數(shù)設(shè)置邊界條件。氣冷仿真計算模型如圖3所示。

圖3 氣冷仿真模型Fig.3 Air cooling simulation model

根據(jù)CFX軟件仿真計算的燃?xì)夂屠鋮s氣在支桿表面速度矢量圖可知，冷卻氣在支桿表面形成冷卻氣膜，將高溫燃?xì)馀c支桿表面隔離，防止高溫燃?xì)庵苯咏佑|支桿表面，對氣冷溫度探針支桿起到降溫保護(hù)作用。

支桿溫度云圖如圖4所示。最高溫度為1 202 K，處于材料的許用范圍之內(nèi)(支桿及擋板的材料均為GH3218，最高使用溫度1 223 K)。根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，氣冷溫度探針冷卻效果滿足單頭部燃燒室出口溫度測量的使用要求。

圖4 支桿溫度云圖Fig.4 Temperature cloud chart of support rod

3 強(qiáng)度校核

強(qiáng)度校核是測試探針設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到測試探針能否安全使用。燃燒室出口氣冷溫度探針支桿承受著高溫、高壓燃?xì)獾臍鈩虞d荷作用，因此強(qiáng)度校核非常重要。

氣冷溫度探針伸入流道內(nèi)的三個支桿所處氣動環(huán)境相同，因此氣冷溫度探針支桿的強(qiáng)度校核只需要校核其中一個支桿的強(qiáng)度即可。強(qiáng)度校核過程中，在不影響結(jié)果的前提下對支桿模型進(jìn)行了簡化，忽略了擋板和氣膜孔。

氣冷溫度探針試驗(yàn)過程中所受載荷主要是作用在支桿迎風(fēng)面上的氣動載荷。這部分載荷在數(shù)值上等于單頭部燃燒室出口燃?xì)獾膭訅?，即?/p>

PL=CX(P*-P)

(2)

(3)

式中：PL為燃?xì)鈩訅?；CX為阻力系數(shù)；P*為燃?xì)饪倝?；P為燃?xì)忪o壓；k為燃?xì)饨^熱指數(shù)；M為燃?xì)怦R赫數(shù)。

根據(jù)單頭部燃燒室出口燃?xì)鈪?shù)，由式(2)、式(3)計算單頭部燃燒室試驗(yàn)最大狀態(tài)時PL=0.319 2 MPa。采用Workbench軟件對氣冷溫度探針支桿強(qiáng)度計算設(shè)置邊界條件：安裝座施加位移限制約束；支桿迎風(fēng)面施加氣動載荷。

根據(jù)上述氣冷溫度探針支桿應(yīng)力和撓度計算結(jié)果可知，氣冷溫度探針強(qiáng)度滿足單頭部燃燒室出口溫度測量使用要求。

4 試驗(yàn)應(yīng)用

本文設(shè)計的氣冷溫度探針應(yīng)用于單頭部燃燒室試驗(yàn)中，單頭部燃燒室試驗(yàn)共進(jìn)行了8次，每次試驗(yàn)都達(dá)到了最大狀態(tài)，試驗(yàn)總時數(shù)為39.5 h。試驗(yàn)過程中，氣冷溫度探針安裝于單頭部燃燒室出口位置經(jīng)受高溫、高壓燃?xì)獾臎_擊，測量單頭部燃燒室出口的溫度。氣冷溫度探針試驗(yàn)過程中各測點(diǎn)測得的溫度數(shù)據(jù)連續(xù)，且溫度數(shù)據(jù)變化規(guī)律與試驗(yàn)狀態(tài)變化規(guī)律一致。試驗(yàn)測得單頭部燃燒室出口燃?xì)獾淖罡邷囟冗_(dá)2 005 K。

試驗(yàn)結(jié)束后，目視檢查氣冷溫度探針支桿表面未發(fā)現(xiàn)燒蝕、損傷和變形等情況，經(jīng)無損探傷檢查支桿表面未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。檢查結(jié)果表明，氣冷溫度探針試驗(yàn)過程中的冷卻效果良好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合理，滿足單頭部燃燒室試驗(yàn)使用要求，與冷卻和強(qiáng)度計算的結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

燃燒室試驗(yàn)過程中，出口燃?xì)饩哂懈邷亍⒏邏旱忍攸c(diǎn)，氣冷溫度探針受到高溫、高壓燃?xì)獾臎_擊作用，工作環(huán)境極為嚴(yán)苛。本文針對某單頭部燃燒室出口溫度測量需求，根據(jù)測點(diǎn)分布情況設(shè)計了三個支桿結(jié)構(gòu)的氣冷溫度探針。借鑒渦輪葉片的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)臺能力，確定冷卻氣參數(shù)，通過CFX軟件對氣冷溫度探針的冷卻效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，冷卻氣在支桿表面形成氣膜保護(hù)氣冷溫度探針支桿，冷卻后支桿的最高溫度小于材料許用溫度，無損壞隱患。通過Workbench軟件對氣冷溫度探針強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)計算。結(jié)果表明，支桿強(qiáng)度安全系數(shù)儲備充足，無安全隱患。

試驗(yàn)完成后對氣冷溫度探針進(jìn)行了詳細(xì)檢查，支桿表面經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)燒蝕、損傷等情況。冷卻計算、強(qiáng)度計算、試驗(yàn)應(yīng)用及試驗(yàn)后檢查結(jié)果證明：氣冷溫度探針的設(shè)計滿足燃燒室出口溫度測量需求，為后續(xù)氣冷溫度探針的設(shè)計提供參考和借鑒。