模擬航空發(fā)動機燃燒室出口溫度測量實驗臺

摘要：為準確測量高溫燃氣流，搭建燃氣溫度測量實驗臺，確定實驗臺測試段的初始參數(shù)和合適的氣態(tài)燃料。通過研究分析燃料的燃燒結果，確定高速燃燒噴嘴的基本參數(shù)，計算燃氣流的理論溫度，給實驗臺各主要部件材料的選擇提供參考建議。綜合考慮上述約束條件，對實驗臺各主要部件的總體結構和冷卻系統(tǒng)進行合理設計。

關鍵詞：航空發(fā)動機燃燒室；初始測試參數(shù)；總體結構；冷卻系統(tǒng)；燃氣溫度測量

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0060-05

引 言

現(xiàn)代航空發(fā)動機測試技術是發(fā)動機推進技術的重要支撐，也是整個發(fā)動機預研試驗研究和工程發(fā)展階段的重要環(huán)節(jié)。溫度是確定熱端部件性能和壽命的關鍵性參數(shù)，準確測量主燃燒室出口燃氣溫度有助于渦輪設計師選擇合適的渦輪葉片材料及冷卻手段，也有助于飛行員在各種飛行狀態(tài)下監(jiān)測渦輪是否處于允許的工作狀態(tài)；因此，燃燒室出口氣流溫度準確測量是現(xiàn)代航空發(fā)動機測試中的核心技術。實際測量航空發(fā)動機主燃燒室出口燃氣流溫度對測試手段及測量設備都有嚴格的要求，且發(fā)動機每次地面試車都要綜合考慮諸多因素，流程復雜，成本昂貴。沈陽航空航天大學張寶誠課題組已成功搭建某型號發(fā)動機主燃燒室1/6部分的測試實驗臺，基本能真實模擬燃燒室出口高溫、高壓、高速的測試環(huán)境。此外，要實現(xiàn)模擬真實發(fā)動機燃燒室出口測試環(huán)境需要很復雜的流程設計及配套的儀器設備，還要有充足的資金。本實驗臺設計側重研究準確測量高溫燃氣的新方法和新技術。

1.實驗臺總體設計

為研究在各種工況下準確測量高速高焓燃氣流溫度的新技術和新方法，根據(jù)已掌握的熱工流體理論和機械設計模擬燃燒室出口燃氣溫度測量實驗臺，如圖1所示。

實驗臺主要分為燃燒室、加速噴管、測試段等主要部分。實驗臺測試高速燃氣流溫度的具體過程如下：首先打開冷卻水泵開關，使冷卻循環(huán)水在實驗臺需要冷卻的各部件中循環(huán)流動；其次，打開高壓離心風機，調節(jié)蝶形閥確保實驗臺內流場流動順暢；然后打開天然氣儲氣瓶開關，調節(jié)減壓閥到指定壓強，扳動球形閥，使天然氣平穩(wěn)的進入燃燒室，點火箱自動點火；通過觀察測試段的燃氣流量計以確定試驗段燃氣流動速度，分別調節(jié)球形閥和蝶形閥，以確保天然氣與助燃空氣合適的比例；最后，溫度傳感器進行高溫燃氣溫度測試。

1.1 確定實驗臺測試段初始參數(shù)

高溫、高速、高壓的燃氣流從航空發(fā)動機主燃燒室出口噴向渦輪葉片，燃氣流的平均溫度基本都在1400K以上，燃氣流動速度基本都在0.5～0.9之間。通常傳感器測量燃氣流速Ma<0.2時，速度誤差可以忽略不計。設定測試段初始參數(shù)為：燃氣速度Ma=0.2，燃氣溫度T=lOOOK，燃氣流道直徑D=80mm，燃氣密度p=0.354kg/m3，則測試段燃氣的速度和質量流量分別為

1.2 氣態(tài)燃料的選取

目前，應用最廣泛的氣態(tài)燃料分別為：煤氣、石油液化氣、天然氣。石油液化氣和天然氣的熱值都高于煤氣，且石油液化氣的熱值高于天然氣，但其成分復雜，與空氣完全燃燒的體積比例不好準確調控，且對燃燒器噴嘴的要求更高；所以天然氣是最佳的選擇，它本身就是一種工業(yè)經(jīng)濟價值極高的氣態(tài)燃料，天然氣的主要成分是甲烷（CH4），體積分數(shù)一般在85%～98%，還有少量重碳氫化合物及H2、CO可燃氣體成分，不可燃成分很少，所以發(fā)熱量很高，熱值基本都在33000～46000 kj/m3。

1.3 燃燒計算

為了保證氣態(tài)燃料完全燃燒，所供給的實際空氣量都大于理論需要的空氣量。令Lo表示實際供給空氣量，Lo表示理論需要空氣量，則二者的比值稱為空氣消耗系數(shù)并用n表示，即：氣態(tài)燃料空氣消耗系數(shù)經(jīng)驗值一般為1.05～1.15。

假設lm3天然氣中，甲烷（CH4）占p1=0.90m3，氫氣（H2）占p2=0.05m3，一氧化碳（CO）占φ3=0.05m3，各成分完全燃燒化學反應平衡方程式為

根據(jù)質量流量守恒和化學平衡方程式

單位時間所需的燃燒理論功率：

Q=θmqi=393.984kW/h

（6）式中：Q——燃燒理論功率；

θm——所需天然氣的體積流量；

q1——天然氣燃燒熱值。

燃燒噴嘴的燃燒效率：

n=80%

滿足測試條件燃燒噴嘴的燃燒功率：

Q1=Q/n=492.480kW/h

為后期更全面的測試研究，選擇高速燃燒噴嘴燃燒額定功率為

Qo= 630 kW/h

高速燃燒噴嘴工程示意圖見圖2，基本參數(shù)為燃燒額定功率Qo=630kW/h；火焰噴口直徑D1=165mm；火焰噴口長度L1=100mm；火焰噴射長度Lge=200～1500mm；火焰噴射寬度D≈200mm；天然氣供應管徑D2=50mm；助燃空氣供應管徑D3=100mm；火焰噴射速度vge=70～lOOm/s。

查表知天然氣中各種成分燃燒熱值：

q（ch4）=35880kj/m3

q（h2）=10760kj/m3

q（co）=12770kj/m3

天然氣的燃燒熱值：

查表300K時空氣的平均比熱：

查表300K時天然氣中各成分的平均比熱為

c（cH4）=1.574kj/（m3·℃）

Cp（H2）=1.280kj/（m3·℃）

cp（co）=1.301kj/（m3.℃）

天然氣的平均比熱：

總熱含量：

i jl j2 j3=2274.18 kj/m3式中：i1、i2、i3如——每1m3天然氣燃燒后產(chǎn)生的混合

物中的化學熱qi、物理熱q2及空氣物理熱q3代

入的熱量；

Cp2、Cp3廠天然氣與空氣的平均比熱和溫度；

t2、t3——天然氣與空氣的平均溫度。

過剩的空氣占天然氣燃燒后產(chǎn)生混合物的體積分數(shù)：

查i一t圖表得到燃氣理論溫度：

tl≈1440℃或T1≈1713K

1.4 選擇實驗臺各部件的材料

實驗臺各部件材料的選擇原則是與高溫燃氣流接觸所需要選用高溫合金鋼，其他的選用性價比高的普通合金鋼。目前有多種高溫合金鋼供選擇，且從經(jīng)濟性和采購靈活性角度考慮，304鋼和321鋼是最佳的材料。304（OCr18N19）鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強度和機械特性，沖壓、彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性，普遍應用溫度為77～1073K。321（OCr19NilOTi）鋼在304鋼中添加鈦（Ti）元素以防止晶界腐蝕，適合在707～1173K溫度下使用。321鋼廣泛應用在航空器、排氣管、鍋爐汽包等方面。綜合考慮到兩種合金鋼的特性及實驗臺的測試環(huán)境的因素，321鋼比304鋼更合適。普通合金鋼選取用途廣泛的Q235鋼，其含碳量適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能都得到較好的配合。

1.5 實驗臺各主要部件的結構設計

本實驗臺主要由燃燒室、加速噴管、測試段等主要核心部件組成的。

1）燃燒室結構設計。根據(jù)確定功率燃燒噴嘴的相關技術參數(shù)，設計實驗臺燃燒室的具體結構尺寸，如圖3所示。

2）加速噴管結構設計。工業(yè)使用的高速燃燒噴嘴噴射燃氣流的速度達不到測試的基本要求，從燃燒室噴出的高溫燃氣要經(jīng)過加速噴管的進一步加速，根據(jù)以往機械加工經(jīng)驗及噴管理論，設計加速噴管的結構尺寸，如圖4所示。

3）測試段結構設計。實驗臺的測試段根據(jù)初始參數(shù)、加速噴管出口的尺寸結構及測試使用的總溫傳感器（包括總溫鉑銠系列熱電偶、藍寶石光纖傳感器，高溫光電傳感器等）的尺寸規(guī)格等條件，進行測試段結構尺寸設計，如圖5所示。

1.6 實驗臺的冷卻系統(tǒng)設計

綜合考慮實驗臺的安全性及高溫合金材料抗熱腐蝕老化條件，以達到延長實驗臺各部件使用壽命的目的。本實驗臺的燃燒室、加速噴管和測試段等部分需要實施必要的冷卻保護。高壓離心泵將冷卻水泵進供給棒中，供給棒上端的高壓水孔再將冷卻水沿著耐壓進水管推到各個需要冷卻的部位。完成冷卻任務的水流，經(jīng)實驗臺上端的排水孔，沿著耐壓排水管進入排離棒，排離棒中的冷卻水集中排到水槽里進行再次循環(huán)使用。

單位時間天然氣燃燒釋放總熱量：

Q=θmqI=393.984kj/s

測試段煙氣的熱量：

Q2=CpmΔT=1.246x0.220x700=191.884kj/s

冷卻循環(huán)水帶走的熱量：

AQ=Q-Q2=202.040kj/s

冷卻水質量流量：式中：cp（out）——冷卻水冷卻之后排出時的定壓比熱；

T（out）——冷卻水冷卻之后排IL時的溫度；

cp（in）——冷卻水未進行冷卻時的定壓比熱；

T（in）——冷卻水未進行冷卻時的溫度。

冷卻循環(huán)水管進iH口溫差為10K時，高壓離心泵供給水流量：

Om2=4.840xl0-3m3/s=17.424m3/h

冷卻循環(huán)水管進fH口溫差為20K時，高壓離心泵供給水流量：

Om3=2.420xl0-3m3/s=8.712m3/h

綜上所述，高壓離心水泵要根據(jù)實際需要冷卻水的流量進行合理選擇。

2.實驗臺附屬部件

燃氣溫度測量實驗臺運行和測量還需要一些附屬部件和測量儀表，如供應熱量的天然氣鋼瓶、減壓閥、電磁閥、球閥、點火箱，提供助燃空氣的高壓離心風機、蝶形閥、耐高溫的質量流量計，測試使用總溫探針或高溫傳感器及后處理的數(shù)據(jù)采集與顯示裝置等部件和測量儀表。實驗臺前期主要進行一些基礎性穩(wěn)態(tài)測試實驗，傳感器選用低成本的高溫光電傳感器和二級精度的鉑銠系列熱電偶；實驗臺后期會探索式進行一些瞬態(tài)測試實驗，傳感器將會考慮使用精度高、熱響應速度快的藍寶石光纖傳感器和一級精度的鉑銠系列熱電偶。數(shù)據(jù)采集裝置選用靈敏度高、穩(wěn)定性好的數(shù)據(jù)采集儀。

3.結束語

目前試驗臺正在搭建，燃燒計算表明此實驗臺可以提供l500～1700K的高溫燃氣，燃氣流速最高可以達到Ma≈0.4。這個實驗臺可用來近似模擬燃燒室出口氣流溫度測試環(huán)境、可當小型高溫風洞使用、可進行渦輪葉片的冷卻研究、可進行支板熱防護研究、可進行總溫傳感器的標定研究等。