基于燃?xì)夥治龇ǖ暮娇瞻l(fā)動機(jī)燃燒室性能研究

李亞娟，王明瑞，葛　新，韓　冰，馬　征，賈琳妍

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

基于燃?xì)夥治龇ǖ暮娇瞻l(fā)動機(jī)燃燒室性能研究

李亞娟，王明瑞，葛新，韓冰，馬征，賈琳妍

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

為深入了解燃燒室性能，用燃?xì)夥治龇y量了燃燒室在高壓狀態(tài)下的氣態(tài)污染物排放和排氣冒煙，用熱電偶法測量了燃燒室出口溫度場。混合式取樣器安裝于擺盤上，隨擺盤沿周向勻速旋轉(zhuǎn)采集樣氣，通過測試儀器分析樣氣組分，計(jì)算得到了燃燒室的油氣比、燃燒效率、污染物排放指數(shù)及冒煙數(shù)。通過比較采用燃?xì)夥治龇ê土髁糠ǖ玫降挠蜌獗取⑷紵实臏y試結(jié)果，分析了慢車狀態(tài)誤差偏高的原因，結(jié)果表明：燃?xì)夥治龇ㄊ?種準(zhǔn)確、可靠的燃燒室性能測試方法。改進(jìn)了混合式取樣器結(jié)構(gòu)，提高了排氣冒煙測試的精度。

燃?xì)夥治觯粴鈶B(tài)污染物；冒煙數(shù)；擺動測量；取樣器；航空發(fā)動機(jī)

0　引言

隨著高性能航空發(fā)動機(jī)的研制不斷推進(jìn)，軍用航空燃?xì)廨啓C(jī)向著大推重比方向發(fā)展，燃燒室出口平均溫度已達(dá)到2000 K，熱點(diǎn)溫度已達(dá)到2300 K，對溫度場測量提出了很大挑戰(zhàn)，燃?xì)夥治龇ǔ蔀榇鬆顟B(tài)溫度場測量的主要手段。隨著對環(huán)境保護(hù)的日益重視，各國對燃?xì)廨啓C(jī)的污染物排放提出了更加嚴(yán)格的要求，2014年開始實(shí)施的發(fā)電廠用燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以油為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組，氮氧化物（以NO2計(jì)）排放不超過120 mg/m3；以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組，氮氧化物排放不超過50 mg/m3；其它氣體燃料氮氧化物排放不超過120 mg/m3；以油、氣體為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組的林格曼黑度不超過1［1］。低污染燃燒室的研制成為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的方向之一，而作為檢測污染物排放的燃?xì)夥治龇椒ǔ蔀槿細(xì)廨啓C(jī)研制過程中最重要的測試手段之一［2～6］。

本文介紹了氣態(tài)污染物排放和燃燒效率燃?xì)夥治鰷y試系統(tǒng)以及排氣冒煙測試系統(tǒng)，利用燃?xì)夥治龇ê碗娕挤▽δ澈娇瞻l(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1　燃?xì)夥治鰷y試系統(tǒng)

燃?xì)夥治龇ㄊ峭ㄟ^取樣裝置把燃?xì)庖霚y量儀器進(jìn)行成分分析，再利用燃?xì)獬煞謹(jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算燃燒效率、油氣比、燃燒溫度以及污染物排放等參數(shù)的1種測量方法。燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)（如圖1所示）一般由取樣裝置、取樣管路、分析儀器、標(biāo)準(zhǔn)樣氣和數(shù)采系統(tǒng)組成。其中取樣管路是取樣裝置出口到分析儀器進(jìn)口的1段管路和附件的總稱，一般由保溫管路、調(diào)節(jié)閥門、無油真空泵、冷凝器、流量計(jì)以及各種接頭等組成。

圖1　氣態(tài)污染物及排氣冒煙測試系統(tǒng)

1.1取樣裝置

取樣裝置為5點(diǎn)混合式取樣器，如圖2所示。取樣孔按等環(huán)面積分布，5根取樣管結(jié)構(gòu)一致，使管內(nèi)樣氣流量相等，以保證取樣有代表性。樣氣在混合腔內(nèi)均勻混合后輸出，經(jīng)過預(yù)處理進(jìn)入燃?xì)夥治鰷y試儀器。將取樣器設(shè)計(jì)成扁平結(jié)構(gòu)，在提高腔體強(qiáng)度的同時(shí)，還有效減少了迎風(fēng)面積。取樣器采用水冷方式，內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流板，同時(shí)取樣器邊角采用圓弧或斜板結(jié)構(gòu)，能有效避免渦流的產(chǎn)生和聚集，提高冷卻效果。此種結(jié)構(gòu)的取樣器已成功應(yīng)用于熱點(diǎn)溫度達(dá)2100℃的燃燒室燃?xì)馊印?/p>

圖2　燃?xì)馊悠?/p>

圖3　擺盤及取樣器安裝

燃?xì)馊硬捎脭[動方式，將混合式取樣器安裝于測量段的擺盤上，2只取樣器呈180°分布，在試驗(yàn)過程中擺盤連續(xù)勻速擺動，以實(shí)現(xiàn)燃燒室整個(gè)出口截面上燃?xì)獾牟杉洳傻玫娜細(xì)饨?jīng)混合器混合后進(jìn)入測試儀器進(jìn)行樣氣組分的實(shí)時(shí)分析。擺盤旋轉(zhuǎn)180°完成1次樣氣采集，約耗時(shí)4 min，可實(shí)現(xiàn)270～280個(gè)采樣點(diǎn)的測量，擺動測試方式如圖3所示。

1.2氣態(tài)污染物測試系統(tǒng)

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測量一氧化碳和二氧化碳、氮氧化物、未燃碳?xì)涞捏w積分?jǐn)?shù)（以CH4當(dāng)量表示）。采用非分光型紅外分析儀測量得到的是干基濃度，在樣氣進(jìn)入儀器前，需用冷凝器將樣氣冷卻到4℃左右，除去水分，然后再自然升溫。進(jìn)入化學(xué)發(fā)光分析的樣氣溫度保持在65±15℃，進(jìn)入總碳?xì)浞治鰞x的樣氣溫度保持在160±15℃。

1.3排氣冒煙系統(tǒng)

排氣冒煙系統(tǒng)由主、副流路組成，主流路上安裝有能夾持濾紙的松緊夾頭。主、副流路的管道彎曲半徑不小于取樣管徑的10倍［7-9］。主、副流路間的切換通過PC機(jī)控制高溫電磁閥實(shí)現(xiàn)。在管路出口處設(shè)有溫度、壓力傳感器和浮子流量計(jì)來監(jiān)控來流溫度、壓力和流量。為避免未燃碳?xì)湓诠鼙谏夏Y(jié)影響取樣，管路保溫在100℃左右，排氣冒煙系統(tǒng)如圖1所示。由于主流路電磁閥正對氣流，試驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)氣流由副流路流出時(shí)，會有極微量的固體顆粒集聚在主流路電磁閥處，為減小在電磁閥積存的顆粒物對測量結(jié)果的影響，在每次測試前，先接通主路，吹除沉積的顆粒物。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

在某高壓全環(huán)燃燒室上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)器主要由進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)用航空煤油的熱值為42650 kJ/kg，氫碳摩爾比為1.923，L0=14.67139。試驗(yàn)中擺盤順時(shí)針擺動采集記為01，逆時(shí)針擺動采集記為02，具體試驗(yàn)狀態(tài)見表1。

表1　燃燒室試驗(yàn)狀態(tài)

2.1油氣比及燃燒效率的測試結(jié)果分析

油氣比通過燃?xì)夥治龇ê土髁糠?種方式進(jìn)行測試，燃燒效率通過燃?xì)夥治龊碗娕挤y量。燃?xì)夥治龇ㄍㄟ^測量燃?xì)饨M分計(jì)算得到燃燒效率與油氣比，具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)［10］。

流量法油氣比通過測量燃燒室進(jìn)口燃油流量和空氣流量計(jì)算得到。燃油流量采用渦輪流量計(jì)測得，精度為±0.5%，空氣流量采用流量孔板測量，試驗(yàn)前流量孔板用臨界流文丘里噴嘴校準(zhǔn)，其誤差分布如圖4所示。從圖中可見，當(dāng)空氣流量大于20 kg/s時(shí)，空氣流量的測量誤差小于1%；而在小于20 kg/s時(shí)，空氣流量的測量誤差較大；當(dāng)空氣流量在10 kg/s時(shí)，誤差約為2.5。在燃油流量控制精確的情況下，試驗(yàn)的油氣比誤差將由空氣流量誤差導(dǎo)致。

圖4　試驗(yàn)噴嘴相對標(biāo)準(zhǔn)噴嘴誤差

油氣比和燃燒效率的試驗(yàn)結(jié)果分別見表2、3。從表2、3中可見，在狀態(tài)2～5%下，油氣比的偏差為-0.95%～-1.41%，燃燒效率的偏差為3.94%～4.85%，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，而在狀態(tài)1下，油氣比較其他狀態(tài)的平均偏差大3.32%，燃燒效率的偏差較其他狀態(tài)的平均偏差大3.76%。

表2　油氣比數(shù)據(jù)

表3　燃燒效率數(shù)據(jù)

燃?xì)夥治稣`差精度在1.1%以內(nèi)［11］，燃油流量的測量誤差小于0.5%，通常熱電偶測量的溫度誤差隨著測量溫度的升高而增大，在慢車狀態(tài)下由于排氣溫度較低，測量溫度的精度較高，8.13%的燃燒效率偏差明顯不合理，初步確定燃燒效率和油氣比的偏差擴(kuò)大是由空氣流量測量誤差引起的。

首先以燃?xì)夥治鲇蜌獗葹榛鶞?zhǔn)，以慢車狀態(tài)與狀態(tài)2～5的平均偏差的差值對慢車狀態(tài)的流量法油氣比進(jìn)行修正，在慢車狀態(tài)下的油氣比為0.01099，再以此油氣比及熱電偶測量的燃?xì)鉁囟韧ㄟ^焓值法重新計(jì)算得到的燃燒效率為91.07%，與采用燃?xì)夥治龇ǖ玫降娜紵实钠钭優(yōu)?.27%。燃?xì)夥治龇ㄓ?jì)算燃燒溫度在不高于1200℃時(shí)，采用平均定壓比熱法，在高于1200℃時(shí)，考慮熱離解作用采用焓值法，熱電偶燃燒溫度的計(jì)算采用焓值法。熱電偶燃燒效率修正后顯示隨著燃?xì)鉁囟鹊奶岣撸捎脽犭娕紲厣y量的燃燒效率與采用燃?xì)夥治龇y量的燃燒效率偏差有增大的趨勢，這是由熱電偶的測量原理引起的，熱電偶測溫精度的影響因素較多，如環(huán)境溫度、偶絲固定端溫度、隔熱罩黑度、氣流外壁面溫度、偶絲表面的催化效應(yīng)等［12］，隨著被測燃?xì)鉁囟鹊纳撸瑹彷椛浜蛯α鲹Q熱損失的增加導(dǎo)致測量溫度與燃?xì)鈱?shí)際溫度誤差增大，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒效率的誤差變大。燃?xì)夥治鰷y量不受環(huán)境因素影響，誤差來源較為穩(wěn)定。

通常航空發(fā)動機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)主燃燒室燃燒效率在慢車狀態(tài)下的設(shè)計(jì)指標(biāo)為98.5%，在其他狀態(tài)下為99.5%以上［13-15］，試驗(yàn)件在慢車狀態(tài)下的燃燒效率僅為94.34%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，表明在慢車狀態(tài)下燃油霧化和油氣匹配需要改善。

此外，由于燃燒室在不同工作狀態(tài)下的空氣流量變化很大，而試驗(yàn)器用于測量空氣流量孔板的量程比一般為3，超過工作范圍就會導(dǎo)致測量精度大幅下降，應(yīng)采用分級測量或更換更大量程比的流量測量裝置，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)燃燒室的工作范圍。

2.2氣態(tài)污染物測試結(jié)果分析

航空發(fā)動機(jī)氣態(tài)污染物測試包括對一氧化碳、氮氧化物和未燃碳?xì)涞呐欧藕康臏y試。用燃?xì)夥治龇y得幾種物質(zhì)的排放指數(shù)，計(jì)算公式見文獻(xiàn)［10］。

氣態(tài)污染物隨油氣比的變化趨勢如圖5所示。氣態(tài)污染物排放指數(shù)見表4，CO和THC的排放指數(shù)隨著油氣比的增大而減小，NOx的排放指數(shù)隨著油氣比的增大而增大。當(dāng)油氣比大于0.028時(shí)，CO和THC的排放指數(shù)接近于0。

圖5　氣態(tài)污染物隨油氣比的變化趨勢

表4　氣態(tài)污染物排放指數(shù)

2.3排氣冒煙測試結(jié)果

用取樣器進(jìn)行燃?xì)馊樱瓿?次燃?xì)饷盁煍?shù)的測試（分別如圖2、6所示）。取樣器混合腔為方形結(jié)構(gòu)（圖2），燃?xì)夂苋菀自诜叫谓Y(jié)構(gòu)的邊角處形成旋渦，在測航空發(fā)動機(jī)燃燒室排氣冒煙時(shí)，固體的燃?xì)忸w粒會積聚在方形結(jié)構(gòu)的邊角處，造成冒煙數(shù)的測量值偏低。考慮到混合腔的影響，對取樣器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將混合腔改為錐形結(jié)構(gòu)，如圖6所示。依照HB6116-1987要求對燃燒室排氣冒煙進(jìn)行測試。2次排氣冒煙測試數(shù)據(jù)見表5，第1次測試采用如圖2所示的取樣器，第2次測試采用如圖6所示的取樣器，2次測試均無可見冒煙。但第2次測試的冒煙數(shù)明顯大于第1次測試的，并且冒煙數(shù)隨著試驗(yàn)油氣比的增大而增大，符合燃燒室排放規(guī)律，證實(shí)了在測量航空發(fā)動機(jī)固態(tài)污染物時(shí)，錐形混合腔結(jié)構(gòu)要優(yōu)于方形混合腔結(jié)構(gòu)，使取樣器結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化，提高了排氣冒煙的測試精度。

圖6　改進(jìn)后的取樣器結(jié)構(gòu)

表5　排氣冒煙測試結(jié)果

3　結(jié)論

（1）通過分析慢車狀態(tài)誤差偏高的原因，表明了燃?xì)夥治龇ㄊ?種準(zhǔn)確、可靠的燃燒室性能測試方法；

（2）改進(jìn)的取樣器混合方式有效地防止了固體顆粒物在混合腔內(nèi)的堆積，提高了排氣冒煙的測試精度；

（3）擺動測量方式能實(shí)現(xiàn)整個(gè)取樣截面上的樣氣收集，使取樣更具代表性，測試結(jié)果更接近真實(shí)值。

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（編輯：張寶玲）

Research on Aeroengine Combustor Performance Based on Gas Analysis Method

LI Ya-juan，WANG Ming-rui，GE Xin，HAN Bing，MA Zheng，JIA Lin-yan
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

In order to understand combustor performance，a gas analysis system was used to measure gaseous emission and smoke，the thermocouple was used to measure temperature field for understanding combustion performance in high pressure state.The mixed sampler was installed on a swing plate which moved regularity in circle.The gas component was got through test instrument.The fuel air ratio，combustor efficiency，gaseous emission and smoke number were calculated.The fuel air ratio was compared by gas analysis and measuring flow as well as the combustor efficiency by gas analysis and thermocouple.The reason of high error was analyzed in ground idle condition.It indicates that the gas analysis method is an accurate and reliable method of testing combustion performance.Mixed sampler was improved to get exact smoke number.

gas analysis；gaseous pollutant；smokenumber；swing measurement；sampler；aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.008

2015-06-04基金項(xiàng)目：航空動力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

李亞娟（1988），女，工程師，從事燃?xì)夥治龉ぷ鳎籈-mail：liyajuanhit@163.com。

引用格式：李亞娟，王明瑞，葛新，等.基于燃?xì)夥治龇ǖ暮娇瞻l(fā)動機(jī)燃燒室性能研究［J］.航空發(fā)動機(jī)，2016，42（1）：37-41.LI Yajuan，WANG Mingrui，GE Xin，et al.Research on aeroengine combustor perfermance based on gas analysis method［J］.Aeroengine，2016，42（1）：37-41.