燃燒室火焰筒頭部性能對(duì)比試驗(yàn)

付 靜 ，田建光 ，曾以明 ，趙婷杰 ，郭天水 ，何園源 ，2

（1.中國(guó)航發(fā)貴陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，貴陽(yáng) 550081；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

燃燒室是航空發(fā)動(dòng)機(jī)3 大部件之一，其主要功能是將燃料和空氣進(jìn)行混合燃燒，并使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槿細(xì)獾臒崮?，被喻為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性在很大程度上取決于燃燒室工作的可靠性[3]。其中，火焰筒作為燃燒室最主要的部件，主要負(fù)責(zé)完成油氣混合以及燃燒過(guò)程[4]?；鹧嫱差^部是燃油供入、油氣混合、火焰穩(wěn)定的主要區(qū)域，大部分燃油在主燃區(qū)內(nèi)完成燃燒，同時(shí)在摻混區(qū)通過(guò)合適的冷氣流摻混，調(diào)控出口溫度場(chǎng)[2-3]?；鹧嫱差^部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是完成火焰筒設(shè)計(jì)和決定火焰筒整體性能好壞的關(guān)鍵。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)展，燃燒室火焰筒在高溫、劇烈振動(dòng)和嚴(yán)重?zé)釠_擊等惡劣條件下工作的問(wèn)題越發(fā)突出，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，從而導(dǎo)致發(fā)生裂紋、變形、掉塊、燒蝕和腐蝕等故障[5-6]。因此，設(shè)計(jì)一種在滿足燃燒室工作可靠性和耐久性基本要求下，有效降低火焰筒壁面溫度的冷卻結(jié)構(gòu)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外的燃燒室火焰筒的冷卻形式已由最初的氣膜冷卻發(fā)展到?jīng)_擊、發(fā)散、氣膜及層板等多種冷卻的復(fù)合冷卻形式[7]，冷卻結(jié)構(gòu)也由最初的單層壁發(fā)展到雙層壁、浮動(dòng)壁[8-9]等冷卻結(jié)構(gòu)。Gustafsson等[10]研究了不同進(jìn)口溫度、速度和孔的傾向角度對(duì)多斜孔壁面溫度分布的規(guī)律；Mongia 等[11]運(yùn)用試驗(yàn)方法對(duì)比分析了致密微孔壁冷卻和Lamilloy 層板冷卻性能；齊海帆[12]研究了燃燒室頭部設(shè)計(jì)對(duì)燃燒室性能的影響；張凈玉[13]以航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室冷卻為背景，對(duì)帶導(dǎo)流環(huán)的沖擊/氣膜冷卻結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究；劉高恩[14]對(duì)燃燒的壁溫特性進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，燃燒室內(nèi)部流動(dòng)具有較強(qiáng)的渦旋，速度場(chǎng)分布極為復(fù)雜；李季[15]以某型3 級(jí)旋流燃燒室火焰筒冷卻方案設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)多斜孔、復(fù)合角和沖擊/氣膜3種冷卻方式開(kāi)展了3維數(shù)值模擬研究。

本文針對(duì)改進(jìn)后火焰筒頭部與原型火焰筒頭部進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)，為下一階段該型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒頭部穩(wěn)定性試驗(yàn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)在某單管燃燒試驗(yàn)器上進(jìn)行，所用試驗(yàn)件是在現(xiàn)有資源全環(huán)火焰筒上進(jìn)行切割得到，為扇形結(jié)構(gòu)，包括3 個(gè)頭部，切割后的燃燒室機(jī)匣扇形件和火焰筒扇形件兩側(cè)用相應(yīng)結(jié)構(gòu)的側(cè)板進(jìn)行封堵，封堵火焰筒扇形件的側(cè)板為雙層結(jié)構(gòu)，外層側(cè)板帶發(fā)散冷卻小孔，用于冷卻內(nèi)層側(cè)板。扇形火焰筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 扇形火焰筒結(jié)構(gòu)

其中，原型火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的孔板加擋濺板的形式，單個(gè)燃燒室頭部孔板開(kāi)均布44個(gè)?1.55 mm 的冷卻孔，56個(gè)?1.4 mm的冷卻孔，40個(gè)?1 mm 的冷卻孔，原型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在進(jìn)行降低冒煙數(shù)燃燒室頭部性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)燃燒室頭部擋濺板存在大面積高溫痕跡，表面凹凸不平，變形十分嚴(yán)重，擋濺板高溫變形情況如圖3所示。

圖2 原型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)

圖3 擋濺板高溫變形情況

通過(guò)對(duì)降低冒煙數(shù)燃燒室頭部性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到造成該情況的原因是火焰筒頭部出現(xiàn)了無(wú)效角渦導(dǎo)致火焰筒局部高溫導(dǎo)致的，從燃燒室頭部的冷卻氣流通過(guò)小孔沖擊冷卻已不滿足壁面的冷卻。因此，本文通過(guò)改進(jìn)火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)消除渦流器兩側(cè)的無(wú)效高溫角渦，以降低擋濺板的溫度，從而改善燃燒室頭部高溫?zé)g。改進(jìn)型火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)流孔板和導(dǎo)流護(hù)罩組成，導(dǎo)流孔板錐形段與燃燒室中心軸線的夾角為55°，在孔板上設(shè)計(jì)了30 個(gè)?2 mm 的小孔，導(dǎo)流護(hù)罩錐段與燃燒室中心軸線的夾角為56°，外表面與導(dǎo)流孔板內(nèi)表面形成收斂的冷卻間隙，導(dǎo)流護(hù)罩上設(shè)計(jì)了30 個(gè)?1 mm 的小孔，用于套筒的冷卻，改進(jìn)型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、空氣加溫系統(tǒng)、試驗(yàn)段、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置

進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣管路、流量調(diào)節(jié)閥、流量測(cè)量裝置、調(diào)節(jié)閥等組成。通過(guò)流量噴嘴測(cè)量空氣流量，測(cè)量精度為±1.5%；通過(guò)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和排氣蝶閥調(diào)節(jié)試驗(yàn)件進(jìn)口壓力；加溫系統(tǒng)可選用換熱器和直接加溫器或兩者組合的方式，直接加溫方式應(yīng)保證試驗(yàn)件進(jìn)口氣流的余氣系數(shù)大于7；試驗(yàn)段包括進(jìn)口轉(zhuǎn)接測(cè)量段、燃燒室試驗(yàn)件、出口轉(zhuǎn)接測(cè)量段。進(jìn)口轉(zhuǎn)接測(cè)量段采用漸進(jìn)的收斂流道，流道外壁根據(jù)燃燒室進(jìn)口尺寸按等外徑設(shè)計(jì)，通道內(nèi)壁按維托辛斯基收斂規(guī)律造型。出口轉(zhuǎn)接測(cè)量段采用水套冷卻的方式；采用回油調(diào)節(jié)的方式，柱塞泵量程為1800 L/h，質(zhì)量流量計(jì)量程為0～1200 L/h，精度為±0.2%；測(cè)控系統(tǒng)采用FCS2000 系統(tǒng)，精度為±0.05%。試驗(yàn)裝置臺(tái)架狀態(tài)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)裝置臺(tái)架狀態(tài)

2 試驗(yàn)內(nèi)容

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的試驗(yàn)方法根據(jù)試驗(yàn)條件一般可以分為原型試驗(yàn)法和物理模型試驗(yàn)法。原型試驗(yàn)法是在實(shí)際燃燒室上進(jìn)行各參數(shù)的測(cè)量，即在實(shí)際燃燒室上進(jìn)行全壓試驗(yàn)；物理模型試驗(yàn)法則采用原型尺寸的燃燒室，但在簡(jiǎn)化或縮小的工況參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)[16]。從國(guó)內(nèi)外燃燒室的發(fā)展來(lái)看，現(xiàn)有燃燒室試驗(yàn)條件，滿足不了現(xiàn)役及新型發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸燃燒室在地面起飛等大狀態(tài)下的全參數(shù)試驗(yàn)[17]，同時(shí)，在全壓（或全參數(shù)）條件下對(duì)燃燒室進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，雖然所得的結(jié)果可靠，但實(shí)際試驗(yàn)有很大的局限性，如對(duì)試驗(yàn)的氣源要求非常高、設(shè)備復(fù)雜、周期長(zhǎng)、費(fèi)用大等[18-20]。

在扇形段試驗(yàn)器上，用較低壓力和進(jìn)口流量所得到的燃燒室主要性能指標(biāo)和實(shí)際工況下對(duì)應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系既是模擬準(zhǔn)則所要解決的主要問(wèn)題。

本文采用等速度準(zhǔn)則作為?；囼?yàn)的方法，?；瘯r(shí)進(jìn)口流速與實(shí)際流速相等，供油情況、進(jìn)口溫度相同，燃燒室?guī)缀蜗嗨啤?/p>

式中：PM為?；髩毫?；PF為實(shí)際壓力；GM為?；罅髁?；GF為實(shí)際流量。

試驗(yàn)狀態(tài)的余氣系數(shù)和進(jìn)、出口溫度相同，?；蟮脑囼?yàn)參數(shù)及其他狀態(tài)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ?；蟮脑囼?yàn)參數(shù)及其他狀態(tài)試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 壁溫分布試驗(yàn)

燃燒室的火焰筒要在高溫、劇烈振動(dòng)和嚴(yán)重?zé)釠_擊等惡劣條件下工作，因而會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，容易導(dǎo)致火焰筒發(fā)生變形、開(kāi)裂、掉快、燒蝕和脫焊等故障?；鹧嫱脖跍嘏c其內(nèi)部燃燒組織及冷卻安排直接有關(guān)，它的高低是影響火焰筒壽命的關(guān)鍵。當(dāng)前，對(duì)火焰筒壁溫分布測(cè)量方法中，熱電偶測(cè)量因其精度高，測(cè)量火焰筒壁面上少數(shù)點(diǎn)的溫度比較方便，成為了最早和應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)量方式[21]。

在現(xiàn)實(shí)工作中，由于材料的差異，制造出的熱電偶具有不同的使用特性，適用于不同溫度范圍和工作環(huán)境。結(jié)合本文試驗(yàn)實(shí)際，對(duì)原型火焰筒頭部和改進(jìn)型火焰筒頭部按照表1 中的狀態(tài)1 參數(shù)，采用敷設(shè)K型鎳鉻-鎳硅熱電偶方式對(duì)2 個(gè)方案火焰筒的頭部壁溫進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為±0.75%。

原型火焰筒頭部測(cè)點(diǎn)位置在擋濺板上，每個(gè)頭部各布置4 個(gè)點(diǎn)，總共3 個(gè)頭部、12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在擋濺板上根據(jù)熱電偶位置加工4 個(gè)?1.2 mm 的小孔將引線引出，再在孔板上相應(yīng)位置開(kāi)4 個(gè)?1.2 mm 的小孔將引線引出，沿著火焰筒外壁面固定，最后從機(jī)匣上的測(cè)試引線管引出，12 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別用T1～T12命名，其半徑方向高度為L(zhǎng)=27.5 mm，R=22 mm，原型火焰筒頭部測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 原型火焰筒頭部測(cè)點(diǎn)位置

改進(jìn)型火焰筒頭部測(cè)點(diǎn)位置在孔板上，布置方式與原型火焰筒頭部相同，其半徑方向高度為L(zhǎng)=30.5 mm，R=27 mm，改進(jìn)型火焰筒頭部測(cè)點(diǎn)位置如圖8 所示。

圖8 改進(jìn)型火焰筒頭部測(cè)點(diǎn)位置

得到改進(jìn)前后2 頭部壁溫試驗(yàn)后狀態(tài)，原型火焰筒頭部壁溫測(cè)量后狀態(tài)和改進(jìn)型火焰筒頭部壁溫測(cè)量后狀態(tài)分別如圖9、10所示。

圖9 原型火焰筒頭部壁溫測(cè)量后狀態(tài)

圖10 改進(jìn)型火焰筒頭部壁溫測(cè)量后狀態(tài)

2頭部熱電偶壁溫測(cè)量曲線如圖11所示。

圖11 壁溫測(cè)量曲線

3.2 燃燒效率試驗(yàn)

對(duì)原型和改進(jìn)型火焰筒頭部依次按照表1中的狀態(tài)1進(jìn)行性能試驗(yàn)，通過(guò)精度為1%FS燃?xì)夥治鰞x測(cè)量得到燃?xì)庵蠧O、CO2、氮氧化物和未燃碳?xì)銾HC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為λCO、λCO2、λNOx、λVHC，見(jiàn)表2。然后利用燃?xì)獬煞钟?jì)算燃燒效率。

表2 燃?xì)獬煞仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)

式中：Hu為燃油燃燒凈熱值；EIi為排放指數(shù)，即1 kg燃油實(shí)際燃燒排放了i組分氣體。

燃燒效率測(cè)量結(jié)果表3。

表3 燃燒效率測(cè)量結(jié)果

3.3 地面點(diǎn)火試驗(yàn)

對(duì)原型和改進(jìn)型火焰筒頭部依次按照表1 中的狀態(tài)2 進(jìn)行地面點(diǎn)火試驗(yàn)，錄取燃燒室貧油點(diǎn)火邊界，本次地面點(diǎn)火試驗(yàn)共計(jì)選取6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，壓比取值2%、3%、4%、5%、6%、7%。通過(guò)判斷燃燒室出口每支熱電偶的溫升都大于80 ℃來(lái)確認(rèn)點(diǎn)火成功。本次試驗(yàn)通過(guò)在某余氣系數(shù)下點(diǎn)3 次，2 次以上點(diǎn)燃則認(rèn)為在該余氣系數(shù)下點(diǎn)火成功，取3 次點(diǎn)火余氣系數(shù)平均值，作為著火點(diǎn)余氣系數(shù)。地面點(diǎn)火邊界對(duì)比曲線如圖12 所示，橫坐標(biāo)余氣系數(shù)采用無(wú)量綱形式給出，僅作參考。

圖12 地面點(diǎn)火邊界對(duì)比曲線

3.4 貧油熄火試驗(yàn)

對(duì)原型和改進(jìn)型火焰筒頭部依次按照表1 中的狀態(tài)3 進(jìn)行貧油熄火試驗(yàn)，錄取燃燒室的貧油熄火邊界，選取6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，壓比取值2%、3%、5%、6%、8%、9%。本次試驗(yàn)通過(guò)逐漸減少供油量的方法來(lái)調(diào)節(jié)余氣系數(shù)，逐漸逼近熄火點(diǎn)，通過(guò)攝像頭拍攝觀察窗觀測(cè)火焰來(lái)判斷燃燒室熄火與否，從而得到不同壓比狀態(tài)的熄火余氣系數(shù)。地面慢車熄火邊界對(duì)比曲線如圖13 所示，油氣比不高于0.005，橫坐標(biāo)余氣系數(shù)采用無(wú)量綱形式給出，僅作參考。

圖13 地面慢車熄火邊界對(duì)比曲線

4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)件頭部零件材料采用GH3044 合金，可在900 ℃以下長(zhǎng)期工作[22]，由壁溫測(cè)量結(jié)果可知，原型燃燒室頭部結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性不能滿足燃燒室長(zhǎng)期工作要求。改進(jìn)型火焰筒頭部壁溫較原型火焰筒頭部顯著降低，冷卻效果有了較大改進(jìn)，試驗(yàn)完成后火焰筒表面狀態(tài)良好，未見(jiàn)明顯高溫區(qū)，頭部擋濺板不存在高溫?zé)g痕跡，也無(wú)變形。主要是因?yàn)樵突鹧嫱差^部冷卻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的孔板加擋濺板的形式，而優(yōu)化后的火焰筒頭部冷卻氣流通過(guò)導(dǎo)流孔板上沿周向均布的冷卻小孔沖擊導(dǎo)流護(hù)罩，增強(qiáng)了與導(dǎo)流護(hù)罩的對(duì)流換熱，沿導(dǎo)流孔板與導(dǎo)流護(hù)罩形成的夾層通道生成狹縫氣膜，對(duì)導(dǎo)流護(hù)罩下游起到了很好的保護(hù)，進(jìn)而降低了燃燒室頭部的高溫，增強(qiáng)燃燒室頭部的冷卻。

燃燒效率是評(píng)價(jià)燃燒室各項(xiàng)性能的重要指標(biāo)之一，通過(guò)燃燒效率測(cè)量可知，2 種火焰筒頭部在同一試驗(yàn)工況下燃燒效率均大于0.99，一致性較好，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。改進(jìn)型火焰筒在冷卻效果有了較大提升的基礎(chǔ)上，燃燒效率并未受到影響，燃燒效率相差0.38%的原因是由于2 頭部在幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)氣量的分配上存在微小差異造成的。

通過(guò)點(diǎn)火邊界曲線對(duì)比得出，在壓比2%和3%的狀態(tài)下，2頭部著火余氣系數(shù)相近，在壓比4%～7%的狀態(tài)下，改進(jìn)型著火余氣系數(shù)更大，點(diǎn)火邊界更寬。2 個(gè)方案采用相同的渦流器，流場(chǎng)形態(tài)相似，改進(jìn)型火焰筒頭部的點(diǎn)火性能略優(yōu)于原型火焰筒頭部，這是由于改進(jìn)頭部相比與原型頭部，其進(jìn)氣量略有減少，火焰筒頭部和燃燒區(qū)當(dāng)量比升高，有利于燃燒室的點(diǎn)火。從結(jié)果可以表明，燃燒室頭部冷卻結(jié)構(gòu)的改變對(duì)燃燒室的點(diǎn)火沒(méi)有造成負(fù)面影響。

通過(guò)熄火邊界曲線對(duì)比可知，原型和改進(jìn)型火焰筒頭部熄火邊界相當(dāng)。表明燃燒室頭部冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)燃燒室頭部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響較小，燃燒室流量分配基本沒(méi)變化，因而對(duì)燃燒室地面慢車貧油熄火邊界影響較小，這對(duì)后期燃燒室頭部冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

（1）2 種火焰筒頭部在同工況下壁溫分布存在較大差異，改進(jìn)型火焰筒頭部壁溫溫度較原型的有較大降低，且溫度分布更均勻。

（2）2 種火焰筒頭部在同工況下燃燒效率均大于0.99，相差0.38%。

（3）在同工況下改進(jìn)型火焰筒頭部著火余氣系數(shù)略大，點(diǎn)火邊界略寬，其性能優(yōu)于原型的。

（4）2 種火焰筒頭部在同工況下的貧油熄火邊界相當(dāng)。