渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比與紅外輻射特征的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

王 豐，吉洪湖，黃 偉

(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016)

為了發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身技術(shù)，國(guó)內(nèi)外圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射展開了大量研究。李偉等［1］通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同鋸齒對(duì)二元噴管紅外特征的影響。黃偉等［2］通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了表面溫度和發(fā)射率對(duì)排氣系統(tǒng)紅外輻射的抑制作用。單勇等［3］通過實(shí)驗(yàn)研究了中心錐氣膜冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)紅外輻射的影響。劉福城等［4］通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了二元引射噴管對(duì)紅外輻射的影響。黃偉等［5］通過實(shí)驗(yàn)研究了在噴管內(nèi)加入對(duì)流輻射板對(duì)熱噴流紅外輻射的抑制效果。陳翾等［6］通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了基于涂料性能參數(shù)的紅外隱身技術(shù)。以上的研究工作均是針對(duì)特定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)模型開展的，極大制約了發(fā)動(dòng)機(jī)紅外隱身能力的發(fā)展。

Decher等［8］在發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)階段通過選擇發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)參數(shù)來降低發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射，可大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射特征。毫無疑問，在發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)階段就考慮紅外隱身的思想是極具價(jià)值的。

發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能參數(shù)包括涵道比、渦輪前溫度、增壓比等。本文通過兩組實(shí)驗(yàn)研究了涵道比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度和紅外輻射特征的影響。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)包括渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)和帶加力燃燒室的排氣系統(tǒng)腔體模型。

1.1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)采用的是筆者所在課題組開發(fā)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣模擬子系統(tǒng)、主流子系統(tǒng)、外涵子系統(tǒng)等組成，可對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和噴流流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程見文獻(xiàn)［9］。

內(nèi)涵子系統(tǒng)由控制臺(tái)、燃燒室、內(nèi)涵風(fēng)機(jī)、內(nèi)涵道和孔板流量計(jì)等部件組成。外涵子系統(tǒng)由孔板流量計(jì)、軟管、外涵風(fēng)機(jī)和穩(wěn)壓腔等部件組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物照片如圖2所示。內(nèi)外涵風(fēng)機(jī)均可提供1 kg/s左右的流量，并且流量大小可調(diào)。燃燒室出口的溫度可達(dá)800～850 K。

圖1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物照片

1.2 紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)

紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，由傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)、采集電腦和標(biāo)定黑體組成。光譜輻射計(jì)由加拿大BOMEM公司生產(chǎn)，型號(hào)為MR-104。標(biāo)定黑體由上海福源光電研究所研制，型號(hào)為HFY-301A。

傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)是一種可用于測(cè)量點(diǎn)目標(biāo)光譜輻射強(qiáng)度的儀器，它應(yīng)用傅里葉變換實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量，其測(cè)量原理建立在對(duì)雙光束干涉度量的基礎(chǔ)之上。相對(duì)于其他依據(jù)光的折射或衍射而設(shè)計(jì)的光學(xué)測(cè)量?jī)x器，該儀器具有多通道同時(shí)測(cè)量、高通量、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)于高精度的紅外光譜測(cè)量而言，它幾乎是目前唯一的選擇。紅外光譜輻射計(jì)對(duì)3～5 μm波段的中紅外輻射信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換是通過銻化銦探測(cè)器來完成的，這類探測(cè)器具有微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間和非常高的信噪比。由于銻化銦探測(cè)器必須在溫度小于100 K的情況下才能正常工作，因此在實(shí)驗(yàn)過程中必須用液氮對(duì)其進(jìn)行制冷［10］。

1.3 帶加力燃燒室的排氣系統(tǒng)腔體模型

帶加力燃燒室的基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由支板、中心錐、內(nèi)外涵內(nèi)外涵分界面、火焰穩(wěn)定器、加力筒體和噴管等部件組成。

圖3 紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)

圖4 帶加力燃燒室的基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)

2 排氣系統(tǒng)紅外輻射特征測(cè)量方案

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

內(nèi)涵氣流設(shè)置燃燒室出口溫度為810 K，流量為1 kg/s;外涵氣流溫度為300 K，流量為0.4和0.5 kg/s。

2.2 黑體標(biāo)定

用傅里葉變換紅外光譜輻射計(jì)測(cè)量時(shí)通常需要進(jìn)行二次標(biāo)定，即首先用高低溫黑體進(jìn)行標(biāo)定，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量過程中，再采用一個(gè)中溫黑體進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，獲得實(shí)時(shí)的修正系數(shù)［11-13］。實(shí)驗(yàn)中還需注意的問題就是對(duì)背景輻射進(jìn)行屏蔽，排除外露熱壁面對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖5給出了本研究采用的背景屏蔽方法，即在噴管出口處設(shè)置大面積的刷黑漆木板，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)外部熱壁面的紅外輻射進(jìn)行遮擋。

2.3 壁面溫度測(cè)量點(diǎn)的布置

實(shí)驗(yàn)中，在中心錐、內(nèi)外涵分界面、支板、加力筒體和噴管壁面上共布置了30個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的布置情況如圖6所示。其中加力筒和噴管為軸對(duì)稱幾何形狀，被認(rèn)為周向分布均勻，所以沿軸線布置一系列熱電偶。

圖5 背景屏蔽板

圖6 熱電偶布置位置示意圖

2.4 紅外輻射強(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)的布置

紅外輻射測(cè)量點(diǎn)的布置如圖7所示。探測(cè)角α的定義為探測(cè)器與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口的連線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的夾角。因?yàn)閲姽転檩S對(duì)稱噴管，只要測(cè)量一個(gè)空間面上紅外輻射分布即可表示出整個(gè)空間紅外輻射特征的分布，所以共測(cè)量10個(gè)方向上的紅外輻射強(qiáng)度，分別是 α =0°，5°，10°，15°，20°，30°，45°，60°，75°，90°。

圖7 紅外輻射測(cè)量點(diǎn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度測(cè)量結(jié)果及分析

各測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量結(jié)果見表1和表2。由表1可見:中心錐的溫度最高，約在810 K左右，沿著排氣系統(tǒng)軸向逐漸降低;加力筒體的溫度因?yàn)閮?nèi)外涵氣流沿著軸向摻混逐漸加強(qiáng)，故加力筒體壁面溫度沿軸向逐漸升高;噴管的溫度最初因?yàn)閮?nèi)外涵氣流摻混沿著軸向先升高，之后噴管截面積縮小，受加速氣流的影響，溫度沿軸向降低。

對(duì)比表1和表2可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)涵道比增加后，越靠近排氣系統(tǒng)噴管出口，加力筒和噴管壁面溫度降低的幅度越大。這是因?yàn)?在加力筒前端內(nèi)外涵氣流剛開始摻混，高溫內(nèi)涵氣流熱量沒有傳到加力筒和噴管壁面附近的外涵冷氣流，各壁面的溫度接近外涵氣流溫度;當(dāng)沿著軸線方向逐漸靠近噴管出口時(shí)，內(nèi)外涵氣流摻混越來越充分，高溫內(nèi)涵氣流與外涵氣流摻混換熱，提高了加力筒和噴管壁面附近溫度，從而影響到加力筒和噴管壁面溫度。當(dāng)涵道比增加時(shí)，外涵冷氣流增加，在內(nèi)涵氣流流量和溫度不變的情況下，促使內(nèi)外涵氣流摻混后整體氣流的溫度下降，越靠近噴管出口摻混越充分，摻混后整體氣流溫度下降幅度就越大。

表1 涵道比為0.4時(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度值

表2 涵道比為0.5時(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度值

3.2 積分輻射強(qiáng)度的空間分布

圖8為實(shí)驗(yàn)排氣系統(tǒng)腔體模型的紅外輻射強(qiáng)度空間分布，其中:徑向坐標(biāo)為輻射強(qiáng)度;周向坐標(biāo)為空間角度。圖9為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞑考队懊娣e隨探測(cè)角度的變化，其中:橫坐標(biāo)為方向角;縱坐標(biāo)為投影面積。

從圖8可以看到:α=0°的輻射強(qiáng)度最大;隨著探測(cè)角度的增加，紅外輻射強(qiáng)度迅速降低;但在α=30°處，出現(xiàn)了輻射強(qiáng)度大于α=20°時(shí)的輻射強(qiáng)度的現(xiàn)象，這是因?yàn)槭芡队懊娣e的影響。如圖9所示，在30°方向上加力筒和噴管的投影面積有所增加，使探測(cè)器探測(cè)到的紅外輻射強(qiáng)度增加。各方向積分輻射強(qiáng)度如表3所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)排氣系統(tǒng)腔體模型的紅外輻射強(qiáng)度空間分布

圖9 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鞑考队懊娣e隨探測(cè)角度的變化

表3 不同涵道比各方向的紅外輻射強(qiáng)度值

由圖8并結(jié)合表3可以看出:隨著涵道比的增加，冷氣流量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)后體空間0°～90°方向的紅外積分輻射強(qiáng)度均有減少，并且因?yàn)閲姽鼙诿嬗行л椛涞挠绊懀?°～30°方向降幅為10% ～15%，在30°～80°方向降幅為15% ～30%，在70°方向降幅最大。這是因?yàn)椋?°～30°方向，發(fā)動(dòng)機(jī)輻射主要來自受內(nèi)涵熱氣流影響的中心錐、渦輪等高溫部件的輻射，涵道比的增加只是增加了外涵冷氣流，內(nèi)涵熱氣流的溫度并沒有改變，僅在中心錐下游，內(nèi)外涵氣流摻混后增加了氣流對(duì)高溫部件輻射的吸收，間接降低了到達(dá)探測(cè)器的輻射能量，所以此角度范圍內(nèi)，紅外輻射強(qiáng)度降幅相對(duì)很小。在30°～80°方向降幅較大，這是因?yàn)樵谶@個(gè)角度范圍內(nèi)，探測(cè)器只能探測(cè)到受內(nèi)外涵氣流摻混后的溫度影響的加力筒和噴管壁面，涵道比變化對(duì)加力筒和噴管壁面溫度的影響較大，所以降幅最大。在80°～90°方向降幅很小，這是因?yàn)椋诖朔秶鷥?nèi)隨著角度增加，探測(cè)器能探測(cè)到的排氣系統(tǒng)固體壁面越來越小，到達(dá)90°方向時(shí)，只能看到噴流，固體壁面影響消失。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了帶加力燃燒室結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的壁面溫度分布、紅外輻射的光譜和空間分布。得到以下結(jié)論:隨著涵道比增加，外涵冷氣流量增加，壁面溫度降低，紅外輻射特征降低，并且在排氣系統(tǒng)加力筒之后，越靠近噴管出口，氣流摻混越充分，壁面溫度降幅越大;紅外積分輻射強(qiáng)度在0°～30°方向內(nèi)降幅為10% ～15%，在30°～80°方向降幅較大，在15% ～30%范圍內(nèi)，在70°方向降幅最大。

本文研究可以在發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)階段預(yù)先分析涵道比變化對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射特征的影響，從而為更大幅度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射提供參考。

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