航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫升燃燒效率校準(zhǔn)方法研究

趙儉，劉重陽(yáng)，王玉芳，胡林陶，吳志珺

1.航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095

2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，綿陽(yáng) 621000

0 引言

燃燒效率是燃燒室的核心性能參數(shù)，燃燒效率計(jì)算準(zhǔn)確，不僅有利于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和品質(zhì)，還有利于節(jié)省燃油并減少排放量。如果不能準(zhǔn)確獲取燃燒效率，則會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力、油耗等關(guān)鍵指標(biāo)的評(píng)判結(jié)果。另外，燃燒效率與總壓恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)相互影響、相互制約，在匹配燃燒室的總體性能時(shí)，也要求對(duì)燃燒效率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[1-4]。

歐美各國(guó)在燃燒室部件氣動(dòng)性能參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方面進(jìn)行了大量研究，研究者將理論分析、流場(chǎng)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和可信度。美國(guó)航空航天局（NASA）針對(duì)溫度傳感器和壓力探針的校準(zhǔn)應(yīng)用、誤差分析等展開了研究，探討了探針支桿對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，但對(duì)測(cè)量位置及探針支桿直徑等關(guān)鍵測(cè)試細(xì)節(jié)，以及如何修正支桿對(duì)部件氣動(dòng)性能影響的處理方法未做詳細(xì)論述[5]。國(guó)外對(duì)氣流溫度、壓力等單參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度相對(duì)較高，如美國(guó)普拉特·惠特尼公司對(duì)燃燒室出口氣流溫度的（最高2 073 K）測(cè)量誤差不超過(guò) ± 0.5%[6]。近年來(lái)，非接觸式測(cè)量?jī)x器逐漸被應(yīng)用于燃燒室部件性能試驗(yàn)，如NASA 在燃燒室性能試驗(yàn)時(shí)引入了平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量?jī)x（PLIF）、相干反斯托克斯拉曼散射光譜測(cè)量?jī)x（CARS）等基于激光的測(cè)量?jī)x，德國(guó)宇航中心（DLR）在High-pressure Combustor Rig Stuttgart（HBK-S）上配置了相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、粒子圖像測(cè)速儀（PIV）、PLIF、CARS 和激光誘導(dǎo)白熾光煙霧粒子成像分析儀（LII）等光學(xué)測(cè)量?jī)x器[7]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫升燃燒效率為綜合參數(shù)，由不同測(cè)量截面的溫度計(jì)算得到。目前溫升燃燒效率的計(jì)算準(zhǔn)確性依靠單參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)來(lái)保證，但由于各參數(shù)間存在耦合，且實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)也存在差異，導(dǎo)致所獲燃燒效率的準(zhǔn)確性不夠高。在以燃燒室進(jìn)、出口溫度計(jì)算溫升燃燒效率時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燃燒效率大于1 的情況[8-9]。出現(xiàn)這種情況可能有2 種原因：一是對(duì)溫度傳感器測(cè)量結(jié)果修正過(guò)度，使得修正后的溫度高于實(shí)際溫度；二是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)存在火焰效應(yīng)，火焰輻射能量疊加于溫度傳感器敏感元件上，使得溫度傳感器測(cè)得的溫度偏高。由于溫升燃燒效率難以準(zhǔn)確獲取，目前國(guó)內(nèi)部分研究者不得不使用燃?xì)夥治龇ㄓ?jì)算燃燒效率。本文針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)采用高準(zhǔn)確度的現(xiàn)場(chǎng)參考溫度傳感器，提出測(cè)點(diǎn)修正因子，得到更為準(zhǔn)確的溫升燃燒效率。

1 校準(zhǔn)設(shè)備

校準(zhǔn)設(shè)備為某全環(huán)燃燒室。該燃燒室主要由4 部分組成：前轉(zhuǎn)接段、試驗(yàn)件、位移機(jī)構(gòu)和后轉(zhuǎn)接段，如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of calibration equipment

試驗(yàn)件主要由前置擴(kuò)壓器、頭部、火焰筒和機(jī)閘組成。火焰筒采用后端固定的方法定位。頭部設(shè)計(jì)考慮了拆裝的便捷性，主、副油路和頭部軸向渦流器采用一體化設(shè)計(jì)。

2 參考溫度傳感器

參考溫度傳感器包括進(jìn)、出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器，其中進(jìn)、出口參考溫度傳感器作為校準(zhǔn)時(shí)的參考標(biāo)準(zhǔn)，媒介溫度傳感器用于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)傳遞。

如圖2所示，進(jìn)口參考溫度傳感器為單點(diǎn)直型單屏蔽式結(jié)構(gòu)，偶絲為K 型。為使導(dǎo)熱誤差足夠小，偶絲伸出部分的長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì)為10，屏蔽罩進(jìn)、出氣口面積比直接影響內(nèi)流速度，進(jìn)而影響傳感器的輻射誤差、導(dǎo)熱誤差和速度誤差。根據(jù)傳熱與氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果，在進(jìn)口工況條件下，最佳進(jìn)、出氣口面積比為1。

圖2 進(jìn)口參考溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of inlet reference temperature sensor

如圖3所示，出口參考溫度傳感器為單點(diǎn)、大長(zhǎng)徑比的L 型雙屏蔽式結(jié)構(gòu)[10-12]，偶絲為B 型，外殼頭部為貴金屬材料。L 型長(zhǎng)徑比更大，可減小導(dǎo)熱誤差；雙屏蔽式結(jié)構(gòu)可減小輻射誤差。在給定工況下，通過(guò)仿真得到理想的內(nèi)流速度，使出口參考溫度傳感器的輻射誤差、導(dǎo)熱誤差和速度誤差等綜合測(cè)溫誤差最小[13-15]，適宜作為現(xiàn)場(chǎng)參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 出口參考溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of outlet reference temperature sensor

媒介溫度傳感器為五點(diǎn)水冷耙，如圖4所示，5 個(gè)測(cè)點(diǎn)等間距分布，所有測(cè)點(diǎn)均為單屏蔽式結(jié)構(gòu)，偶絲為B 型，屏蔽罩為貴金屬材料。為減小導(dǎo)熱誤差，被校溫度傳感器外形設(shè)計(jì)為大長(zhǎng)徑比的L 型結(jié)構(gòu)[16-19]。

圖4 媒介溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of medium temperature sensor

3 校準(zhǔn)原理

溫升燃燒效率校準(zhǔn)的原理是通過(guò)研制高準(zhǔn)確度參考溫度傳感器，與實(shí)測(cè)溫度傳感器一起安裝于燃燒室，利用參考溫度傳感器所測(cè)溫度計(jì)算溫升燃燒效率，與用實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度計(jì)算的溫升燃燒效率進(jìn)行比較，以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。

區(qū)別于用作參考標(biāo)準(zhǔn)的參考溫度傳感器，實(shí)測(cè)溫度傳感器指燃燒室試驗(yàn)時(shí)用于實(shí)際溫度測(cè)量的傳感器，亦即工作器具，一般設(shè)計(jì)為多點(diǎn)單屏蔽式結(jié)構(gòu)，其測(cè)量準(zhǔn)確度通常低于參考溫度傳感器。

根據(jù)相關(guān)不確定度分析可知[20]，溫升燃燒效率對(duì)出口溫度相對(duì)更為敏感。通過(guò)采用大長(zhǎng)徑比L 型雙屏蔽式結(jié)構(gòu)的出口參考溫度傳感器，并對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使傳感器達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。由于雙屏蔽式傳感器結(jié)構(gòu)受限，出口參考溫度傳感器僅能設(shè)計(jì)為單點(diǎn)式，需將其與媒介溫度傳感器相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，以得到整個(gè)截面上準(zhǔn)確的溫度值。

4 校準(zhǔn)方法

燃燒室進(jìn)、出口測(cè)量截面分別有3 個(gè)和4 個(gè)安裝座，進(jìn)口測(cè)量截面安裝座為固定式，出口測(cè)量截面安裝座可隨位移機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。進(jìn)口測(cè)量截面3 個(gè)固定式安裝座分別用于安裝進(jìn)口參考溫度傳感器、進(jìn)口參考?jí)毫μ结槨⑦M(jìn)口實(shí)測(cè)溫度傳感器，如圖5所示。進(jìn)口參考溫度傳感器和進(jìn)口參考?jí)毫μ结樧鳛閰⒖紭?biāo)準(zhǔn)，分別用于燃燒室進(jìn)口溫度和總壓測(cè)量；進(jìn)口實(shí)測(cè)溫度傳感器作為工作器具，用于測(cè)量燃燒室進(jìn)口溫度。

圖5 進(jìn)口測(cè)量截面安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of inlet measuring section

出口測(cè)量截面的4 個(gè)安裝座分別安裝出口參考溫度傳感器、媒介溫度傳感器、出口實(shí)測(cè)溫度傳感器及五點(diǎn)取樣耙。其中，出口參考溫度傳感器作為參考標(biāo)準(zhǔn)，用于測(cè)量燃燒室出口溫度；媒介溫度傳感器用于測(cè)點(diǎn)修正；出口實(shí)測(cè)溫度傳感器（五點(diǎn)單屏蔽式結(jié)構(gòu)，外殼水冷，其結(jié)構(gòu)型式與媒介溫度傳感器類似，但關(guān)鍵尺寸有所不同）作為工作器具，用于測(cè)量燃燒室出口溫度；五點(diǎn)取樣耙用于為燃?xì)夥治鰞x取樣。圖6 為出口測(cè)量截面安裝示意圖。

圖6 出口測(cè)量截面安裝示意圖Fig.6 Installation diagram of outlet measuring section

啟動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，記錄進(jìn)口測(cè)量截面和出口測(cè)量截面的數(shù)據(jù)。進(jìn)口測(cè)量截面采用固定安裝方式；出口測(cè)量截面采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式，每間隔3°記錄一次數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)1 周，傳感器每個(gè)測(cè)點(diǎn)可記錄周向120 個(gè)位置的數(shù)據(jù)。選取3 個(gè)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，3 個(gè)狀態(tài)按溫度由低到高分別記為低狀態(tài)、中狀態(tài)和高狀態(tài)。溫升燃燒效率ηT按下式計(jì)算：

式中：Tt4為出口截面平均溫度；Tt3為進(jìn)口截面平均溫度；Tt40為燃料完全燃燒時(shí)燃燒室出口溫度，可由理論公式計(jì)算得到，不受實(shí)際測(cè)量結(jié)果影響。

在校準(zhǔn)試驗(yàn)中，出口實(shí)測(cè)溫度傳感器與媒介溫度傳感器各測(cè)點(diǎn)徑向位置均一一對(duì)應(yīng)，出口參考溫度傳感器的徑向位置與出口實(shí)測(cè)溫度傳感器和媒介溫度傳感器的測(cè)點(diǎn)3 對(duì)應(yīng)。媒介溫度傳感器測(cè)點(diǎn)3 所測(cè)溫度與出口參考溫度傳感器所測(cè)溫度的比值f為：

式中：T4m3為媒介溫度傳感器測(cè)點(diǎn)3 所測(cè)溫度（周向平均）；T4r3為出口參考溫度傳感器所測(cè)溫度（周向平均）。

溫度傳感器的性能主要取決于結(jié)構(gòu)[21]，可認(rèn)為媒介溫度傳感器其他測(cè)點(diǎn)所測(cè)溫度與對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)出口參考溫度的比值也為f，稱f 為測(cè)點(diǎn)修正因子。按上述方法，推算出媒介溫度傳感器測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4 和測(cè)點(diǎn)5 所對(duì)應(yīng)位置的參考溫度：

式中：T4ri為媒介溫度傳感器測(cè)點(diǎn)i 所對(duì)應(yīng)位置的參考溫度（周向平均）；T4mi為媒介溫度傳感器測(cè)點(diǎn)i 所測(cè)溫度（周向平均）。

除保持媒介溫度傳感器各測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一致外，還需通過(guò)各測(cè)點(diǎn)加工裝配的一致性來(lái)保證測(cè)點(diǎn)修正因子的一致性，并于校準(zhǔn)試驗(yàn)前在熱校準(zhǔn)風(fēng)洞上進(jìn)行驗(yàn)證。

計(jì)算測(cè)點(diǎn)1～5 對(duì)應(yīng)位置參考溫度的算術(shù)平均值，得到修正后出口截面平均參考溫度T4ra：

得到參考溫度和實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度后，用式（1）計(jì)算參考溫升燃燒效率和被校溫升燃燒效率。作為比較，同時(shí)采用燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)測(cè)量燃燒產(chǎn)物各組分濃度，并根據(jù)各組分濃度計(jì)算燃燒效率。

燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)包括五點(diǎn)取樣耙、取樣管路、燃?xì)夥治鰞x、標(biāo)準(zhǔn)樣氣和數(shù)采系統(tǒng)。燃?xì)夥謩e由5 個(gè)取樣管取樣，混合后進(jìn)入燃?xì)夥治鰞x。分別采用非分光型紅外分析儀、化學(xué)發(fā)光分析儀、總碳?xì)浞治鰞x測(cè)量CO 和CO2、NOx、UHC 的體積分?jǐn)?shù)。利用全成分法計(jì)算燃燒效率：

式中：φ為該成分的體積分?jǐn)?shù)，h為燃燒室進(jìn)口空氣摩爾含濕量，n0為參與燃燒的干空氣摩爾數(shù)，m 為燃燒的碳原子數(shù)，z 為中間變量。

5 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器測(cè)得的各周向位置溫度如圖7～9所示，均值和方差如表1～3所示。將出口參考溫度傳感器旋轉(zhuǎn)至正上方時(shí)的位置定義為周向位置起點(diǎn)。

表1 出口參考溫度傳感器、媒介溫度傳感器所測(cè)溫度的均值和方差（低狀態(tài)）Table 1 Mean values and variances of temperatures measured by outlet reference temperature sensor and medium temperature sensor（low state）

表2 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測(cè)溫度的均值和方差（中狀態(tài)）Table 2 Mean values and variances of temperatures measured by outlet reference temperature sensor and medium temperature sensor（medium state）

表3 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測(cè)溫度的均值和方差（高狀態(tài)）Table 3 Mean values and variances of temperatures measured by outlet reference temperature sensor and medium temperature sensor（high state）

圖7 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測(cè)溫度（低狀態(tài)）Fig.7 Temperature measured by outlet reference sensor and medium temperature sensor（low state）

圖8 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測(cè)溫度（中狀態(tài)）Fig.8 Temperature measured by outlet reference sensor and medium temperature sensor（medium state）

圖9 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測(cè)溫度（高狀態(tài)）Fig.9 Temperature measured by outlet reference sensor and medium temperature sensor（high state）

出口參考溫度計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4 可以看出，媒介溫度傳感器的測(cè)量值高于出口參考溫度傳感器的測(cè)量值，這可能是由火焰效應(yīng)造成的：參考溫度傳感器由于采用了雙屏蔽式結(jié)構(gòu)，對(duì)火焰的屏蔽效果相對(duì)更好。隨著溫度升高，測(cè)點(diǎn)修正因子減小，這說(shuō)明對(duì)于單屏蔽式大長(zhǎng)徑比L 型結(jié)構(gòu)的溫度傳感器而言，溫度越高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果越好。

表4 出口參考溫度計(jì)算結(jié)果Table 4 Outlet reference temperature calculation results

實(shí)測(cè)溫度傳感器測(cè)得的各位置溫度如圖10～12所示，均值和方差如表5～7所示。類似的，將出口參考溫度傳感器旋轉(zhuǎn)至正上方時(shí)的位置定義為周向位置起點(diǎn)。

表5 實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度的均值和方差（低狀態(tài)）Table 5 Mean values and variances of temperatures measured by practical temperature sensor（low state）

表6 實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度的均值和方差（中狀態(tài)）Table 6 Mean values and variances of temperatures measured by practical temperature sensor（medium state）

表7 實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度的均值和方差（高狀態(tài)）Table 7 Mean values and variances of temperatures measured by practical temperature sensor（high state）

圖10 實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度（低狀態(tài)）Fig.10 Temperature measured by practical temperature sensor（low state）

圖11 實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度（中狀態(tài)）Fig.11 Temperature measured by practical temperature sensor（medium state）

圖12 實(shí)測(cè)溫度傳感器所測(cè)溫度（高狀態(tài)）Fig.12 Temperature measured by practical temperature sensor（high state）

燃燒效率校準(zhǔn)結(jié)果如表8所示。表8 中，Tt40為各狀態(tài)下燃料完全燃燒時(shí)的燃燒室出口溫度，T41a為出口實(shí)測(cè)溫度傳感器在整個(gè)截面上測(cè)量結(jié)果的平均值（簡(jiǎn)稱“實(shí)測(cè)溫度”），ηT41為采用實(shí)測(cè)溫度計(jì)算獲得的燃燒效率（簡(jiǎn)稱“實(shí)測(cè)溫升燃燒效率”），ηT4r為采用參考溫度計(jì)算獲得的燃燒效率（簡(jiǎn)稱“參考溫升燃燒效率”）。

表8 燃燒效率校準(zhǔn)結(jié)果Table 8 Combustion efficiency calibration results

由表8 可以看出，各狀態(tài)下實(shí)測(cè)溫度均高于燃料完全燃燒時(shí)的燃燒室出口溫度，說(shuō)明實(shí)測(cè)溫度傳感器在測(cè)量時(shí)存在誤差。實(shí)測(cè)溫升燃燒效率均大于1，且隨溫度升高而升高，這說(shuō)明高狀態(tài)下的溫升燃燒效率相對(duì)更難以準(zhǔn)確獲取；其直接原因是溫度越高，實(shí)測(cè)溫度偏離參考溫度越多。

燃?xì)夥治鋈紵视?jì)算結(jié)果如表9所示。表9中，余氣系數(shù)指進(jìn)入燃燒室的空氣量與燃燒室燃油完全燃燒所需空氣量之比，設(shè)備余氣系數(shù)指燃燒室的總余氣系數(shù)，燃?xì)夥治鲇鄽庀禂?shù)指燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)本地的余氣系數(shù)。由表9 可見，除低狀態(tài)外，另外2 個(gè)狀態(tài)的設(shè)備余氣系數(shù)和燃?xì)夥治鲇鄽庀禂?shù)偏差較小，表明取樣代表性較好。

表9 燃?xì)夥治鋈紵蕼y(cè)量計(jì)算結(jié)果Table 9 Gas analysis combustion efficiency measurement and calculation results

總體來(lái)看，參考溫升燃燒效率與燃?xì)夥治鋈紵氏鄬?duì)比較接近，二者相對(duì)偏差為0.3%～2.1%；實(shí)測(cè)溫升燃燒效率與燃?xì)夥治鋈紵氏嗖钶^大，二者的相對(duì)偏差為3.4%～6.9%。對(duì)于溫升燃燒效率，參考溫升燃燒效率均小于1，實(shí)測(cè)溫升燃燒效率均大于1。理論上，燃燒效率不應(yīng)大于1，因此實(shí)測(cè)溫升燃燒效率應(yīng)經(jīng)校準(zhǔn)、修正后使用。

6 結(jié)論

采用單點(diǎn)大長(zhǎng)徑比L 型雙屏蔽式結(jié)構(gòu)的出口參考溫度傳感器與媒介溫度傳感器相結(jié)合的方法，可以準(zhǔn)確獲取溫升燃燒效率。參考溫升燃燒效率與燃?xì)夥治鋈紵实膶?duì)比結(jié)果表明，二者的相對(duì)偏差為0.3%～2.1%。