進(jìn)口狀態(tài)對燃燒室壓力損失影響試驗(yàn)研究

朱 濤

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

燃燒室作為航空發(fā)動機(jī)的核心部件，其工作性能主要包括壓力損失、燃燒效率和出口溫升等?，F(xiàn)代軸流式發(fā)動機(jī)多采用布萊頓循環(huán)，假設(shè)燃燒室為定壓燃燒，其效率主要由渦輪前溫度決定?，F(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)燃燒室的效率可達(dá)99%以上，因此其壓力損失就成為影響整機(jī)性能的主要因素。燃燒室的壓力損失增加1%，則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)推力減小0.5%，或耗油率提高0.25%[1]，因此在燃燒室設(shè)計時需要盡量減少其總壓損失。一般來說，要減小燃燒室的總壓損失，1個有效的辦法是增加燃燒室橫截面積，即減小通過燃燒室的氣流速度，但過小的壓力損失對于空氣與燃料的摻混及燃燒均會造成不利影響，需要針對特定發(fā)動機(jī)使用特點(diǎn)，在這一矛盾的需求中尋求平衡。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對燃燒室的流動特性進(jìn)行了研究。Wilfred和William等[2]以等截面1維圓管流動為模型，從理論上分析了外加熱源對總壓損失的影響，表明加溫比對總壓損失的影響隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大而增加，如果在保持相同加溫比的情況下要減少總壓損失，則必須降低進(jìn)口氣流的速度；李毅等[3]采用1維氣體流動理論詳細(xì)計算了加熱阻力，表明采用詳細(xì)計算的加熱壓力損失比經(jīng)驗(yàn)公式估算的值要大，同時得到加熱導(dǎo)致的總壓損失隨著氣流進(jìn)口馬赫數(shù)的增大而增加的結(jié)論；丁國玉等[4]研究了進(jìn)口參數(shù)對3旋流燃燒室性能的影響，表明在常溫常壓下，燃燒室的總壓損失隨著進(jìn)口速度的增大呈線性增加，其總壓損失系數(shù)為0.022～0.042。

以上研究或?yàn)槔碚摲治龌驗(yàn)槌乩鋺B(tài)試驗(yàn)，而關(guān)于燃燒狀態(tài)下的燃燒室總壓損失試驗(yàn)尚未見報道。本文以3頭部矩形燃燒室為研究對象，針對不同的進(jìn)口氣流參數(shù)和燃燒狀態(tài)測量燃燒室的總壓損失，可為燃燒室設(shè)計提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件

試驗(yàn)在某高溫高壓試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)由前轉(zhuǎn)接段、前測量段、試驗(yàn)件、位移機(jī)構(gòu)、后轉(zhuǎn)接段、噴水段和測試接口等組成，其原理如圖1所示。

圖1 高溫高壓燃燒試驗(yàn)設(shè)備

為了更真實(shí)地模擬燃燒室內(nèi)的氣流流動過程，采用3頭部的矩形燃燒室，如圖2所示。其由進(jìn)口整流段、燃燒室機(jī)匣、火焰筒、噴油嘴等組成，其中在機(jī)匣上、下壁布置引線接口用于參數(shù)測量。

圖2 3頭部矩形燃燒室

擴(kuò)壓器的壓力測點(diǎn)布置在2股腔道入口處，本試驗(yàn)采用的燃燒室2股腔道內(nèi)的氣流馬赫數(shù)約為0.07，氣流靜壓與總壓之比為0.9966，因此可以將氣流靜壓近似視為與總壓相等，以降低測試成本同時達(dá)到適當(dāng)精度。

為減少測試裝置對進(jìn)口氣流的擾動，在燃燒室進(jìn)口參數(shù)采用總溫總壓復(fù)合耙；為減少受感部對火焰筒出口氣流的阻塞，出口總壓的測量采用高度方向7點(diǎn)的可移動式壓力測試耙。

2 試驗(yàn)狀態(tài)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 試驗(yàn)狀態(tài)

為了研究不同進(jìn)口參數(shù)對燃燒室流阻的影響，針對不同進(jìn)口氣流溫度、壓力、馬赫數(shù)及油氣比對流動特性進(jìn)行測試，具體試驗(yàn)狀態(tài)見表1。

表1 流阻試驗(yàn)狀態(tài)

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

由于采用3頭部矩形燃燒室試驗(yàn)件，火焰筒兩側(cè)的壁面會對氣流的流動產(chǎn)生干擾，因此在對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時舍去靠近側(cè)壁面的半個頭部內(nèi)的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，即取3～15號共13個截面的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示。

圖3 出口總壓測點(diǎn)分布

按照測點(diǎn)等面積分布的原則，出口平均總壓為

式中：i為測點(diǎn)水平位置編號；j為測點(diǎn)豎直位置編號；Pi為位于i、j處的總壓測量值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)口氣流馬赫數(shù)對壓力損失的影響

一般可將火焰筒折合成為1個氣體流動阻力元件[5]，其出口面積大于進(jìn)口面積。目前，描述燃燒室流動阻力的主要參數(shù)為總壓損失系數(shù)[6]

燃燒室進(jìn)口馬赫數(shù)對壓力損失影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖中可見，隨著進(jìn)口氣流馬赫數(shù)的增大，燃燒室的總壓損失增加，當(dāng)來流馬赫數(shù)從0.20增大到0.28時，燃燒室的總壓損失系數(shù)從0.036增至0.076，其規(guī)律為線性增加。根據(jù)不可壓伯努利方程可知，氣流的流動阻力與其馬赫數(shù)的平方成正比關(guān)系[7-11]，擴(kuò)壓器和火焰筒的流動損失規(guī)律與燃燒室的相似，壓力損失隨著氣流速度增大而增加，且總壓損失系數(shù)均與進(jìn)口馬赫數(shù)的平方存在線性關(guān)系。擴(kuò)壓器損失和火焰筒損失占燃燒室總損失的比例如圖5所示。

圖4 不同來流馬赫數(shù)下的壓力損失

圖5 不同來流馬赫數(shù)下壓力損失占總損失比例

從圖中可見，盡管隨著進(jìn)口速度的增大，壓力損失不斷加大，但是2部分的損失比例基本不變，在燃燒室總壓力損失中，擴(kuò)壓器損失占56%，火焰筒損失占44%。本試驗(yàn)件所用擴(kuò)壓器為典型的突擴(kuò)型擴(kuò)壓器，其壓力損失主要包括前置擴(kuò)壓器的摩擦損失、壁面附面層損失及突擴(kuò)段的突擴(kuò)損失，這幾種損失可以抽象為具有不同損失系數(shù)的局部阻力損失，而流體的局部損失規(guī)律一般可以概括為流體速度平方的函數(shù)。同理，火焰筒的壓力損失主要包括壁面的摩擦損失、冷卻孔和主燃孔和摻混孔等開孔的阻力損失[12-15]。根據(jù)不可壓縮伯努利方程可知，其壓力損失與氣流速度平方相關(guān)。因此，在擴(kuò)壓器與火焰筒內(nèi)流動的氣流在冷吹風(fēng)條件下具有相似的損失模式，其損失比例也基本相同。

3.2 進(jìn)口溫度對壓力損失的影響

在進(jìn)口壓力為0.6 MPa的條件下，針對進(jìn)口氣流溫度為300 K和500 K時，分別測量不同來流馬赫數(shù)下的燃燒室總壓損失，如圖6所示。

從圖中可見，進(jìn)口氣流溫度的變化對總壓損失的影響不是很大。一般來說，進(jìn)口氣流雷諾數(shù)很大，燃燒室處于流動的自?；癄顟B(tài)，雖然進(jìn)口溫度的提高增加了氣流的黏性，但是對于燃燒室內(nèi)的氣流流態(tài)并無影響。擴(kuò)壓器及火焰筒壓力損失的占比如圖7所示。

圖6 不同進(jìn)口氣流溫度下的壓力損失

圖7 不同進(jìn)口氣流溫度下壓力損失占總損失比例

從圖中可見，在自模化狀態(tài)下的燃燒室擴(kuò)壓器與火焰筒的流動損失占比基本不受來流溫度的影響。

3.3 進(jìn)口壓力的影響

在保證燃燒室進(jìn)口速度一定的條件下，測得進(jìn)口氣流總壓分別為0.4 MPa和0.6 MPa時的燃燒室壓力損失如圖8所示。

從圖中可見，進(jìn)口壓力對燃燒室總壓損失基本無影響。進(jìn)口壓力對擴(kuò)壓器及火焰筒的流阻損失分配基本無影響，如圖9所示。

圖8 不同來流壓力下的燃燒室壓力損失

圖9 不同來流壓力下的燃燒室各部分壓力損失比例

3.4 油氣比的影響

在進(jìn)口壓力為1.2 MPa，進(jìn)口溫度為800 K，進(jìn)口馬赫數(shù)為0.225的條件下測得不同油氣比對燃燒室總壓損失的影響結(jié)果，如圖10、11所示。

圖10 不同油氣比下的壓力損失

圖11 不同油氣比下的壓力損失占總損失比例

燃料燃燒時相當(dāng)于給火焰筒內(nèi)的氣流增加了額外的動量，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的分析，氣流的總壓損失會隨著加溫比的增大而增加。從試驗(yàn)結(jié)果可知，燃燒室的油氣比從0.020增大到0.026，燃燒室的總壓損失增加了5%。

從圖11中可見，隨著油氣比的增大，擴(kuò)壓器損失在整個燃燒室壓力損失中的占比逐漸減小，而火焰筒的損失占比逐漸增大，這是因?yàn)槿紵^程僅在火焰筒中進(jìn)行，則由燃燒導(dǎo)致的總壓損失也主要發(fā)生在火焰筒中，因此其比例隨著油氣比的增大也即溫升的增加而變大。

在進(jìn)口氣流溫度為500 K、進(jìn)口壓力為0.6 MPa的條件下，測得不同燃燒狀態(tài)下燃燒室總壓損失隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的變化規(guī)律，如圖12、13所示。

圖12 有無燃燒狀態(tài)下的壓力損失

圖13 有無燃燒狀態(tài)下的壓力損失占總損失比例

從圖12中可見，在燃燒狀態(tài)下燃燒室總壓損失比在冷態(tài)條件下的有所增加，在本試驗(yàn)條件下其增加約為3%，且主要體現(xiàn)在火焰筒的壓力損失上，而擴(kuò)壓器的損失基本不變。從圖13中可見，燃燒對火焰筒的壓力損失的影響較大，其損失比例增大。

4 結(jié)論

針對不同進(jìn)口氣流條件，采用試驗(yàn)方法對燃燒室的壓力損失進(jìn)行測量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）燃燒室總壓損失系數(shù)隨著氣流進(jìn)口馬赫數(shù)的增大而增加，且與進(jìn)口馬赫數(shù)的平方呈線性關(guān)系；

（2）擴(kuò)壓器與火焰筒的壓力損失規(guī)律與燃燒室損失規(guī)律基本相同，可將燃燒室的壓力損失視為擴(kuò)壓器與火焰筒損失的線性疊加；

（3）由于溫度升高導(dǎo)致的氣流黏性增加，但是對處于自模態(tài)的燃燒室的流動損失特性基本無影響；

（4）燃燒室進(jìn)口壓力對總壓損失及壓力損失的分配無影響；

（5）隨著油氣比增大也即溫升的提高，燃燒室總壓損失增加，在本試驗(yàn)條件下增加比例約為5%，燃燒時的總壓損失相比冷態(tài)時增加了3%，且主要發(fā)生在火焰筒上。