燃氣分析法在高溫升全環燃燒室出口溫度場試驗中的應用

韓 冰，王明瑞，李亞娟，馬 征

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

燃氣分析法在高溫升全環燃燒室出口溫度場試驗中的應用

韓 冰，王明瑞，李亞娟，馬 征

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

為了給某型高溫升全環燃燒室的出口溫度分布改進優化提供技術支持，采用燃氣分析法和熱電偶法2種測量方法測量出口溫度場。燃氣分析法通過2支5點非混合式取樣器隨旋轉機構旋轉180°，采集燃燒室出口600點樣氣，測量CO2和CO 2種組分的體積分數進而計算燃氣溫度。在油氣比0.03狀態下，燃氣分析法與熱電偶法測量的燃燒室出口溫度分布基本一致，在油氣比0.037狀態下，燃氣分析法測到的熱點溫度達到2285 K，經誤差分析得出CO2和燃料熱值的測量偏差對燃氣分析法的溫度測量影響較大，采用的燃氣分析法測溫系統總誤差在1%以內。研究結果表明:燃氣分析法是1種具有較高測試精度、可靠的高溫測試技術。

高溫升全環燃燒室；出口溫度分布；燃氣分析；取樣器；燃氣溫度；誤差分析；航空發動機

0 引言

出口溫度場作為航空發動機燃燒室的重要性能指標，直接影響第1級渦輪導向葉片和工作葉片的壽命及其可靠性。隨著發動機的推重比持續增加，使得燃燒室的出口溫度不斷提高，推重比12的航空發動機的燃燒室溫升達1150 K[1]，熱點溫度高達2300 K以上，而更高推重比的航空發動機的燃燒室溫升將高達1400 K，熱點溫度將超過2500 K，已經遠遠超過在氧化環境中具有較長壽命的鉑銠、銥銠等熱電偶的測溫極限，因此能用于燃燒環境，可測量2500 K乃至更高燃氣溫度的測溫技術成為了高溫升燃燒室研制中的瓶頸技術之一[2-3]。

在20世紀70年代初，GE公司已開始探索用燃氣分析法測量燃燒室出口溫度；在80年代NASA劉易斯研究中心對燃氣分析法進行深入研究，使得燃氣分析成為1種高溫燃氣常規測量技術；在90年代英國研究用全組分推算燃氣溫度，分析各種因素對測溫的影響，編制相應實用的計算程序，提高了測溫精度[4-5]。在中國，沈陽發動機研究所在對燃氣分析法測試誤差進行全面分析的基礎上，搭建了國內第1套多通道、高精度的燃氣分析法高溫測試系統，并已用于扇形燃燒室出口溫度場的測試。

燃氣分析法通過測量燃氣中各成分的體積分數，計算獲得燃氣的溫度，是1種間接測量燃燒過程溫度的方法，具有較高的精度和數據穩定性，可測量的最高溫度取決于1次受感部即燃氣取樣器的耐溫能力。本文采用多通道燃氣分析測溫系統測量了某高溫升全環燃燒室的出口溫度場，其熱點溫度達2285 K，對燃氣分析測溫系統進行了誤差分析，并與熱電偶法的測量結果進行了對比。

1 燃氣分析測溫原理

現代航空發動機燃燒室火焰筒短、氣流速度快，散熱損失小于0.1%，而且燃燒室的壓力損失小，因此燃燒室可以看作是1個絕熱等壓系統[6]。給定反應混合物及初始溫度，通過測量獲得燃燒產物各組分的體積分數，就可以獲得被測點的油氣比和燃燒效率，再利用熱力學第一定律就可以計算出燃燒產物的溫度。在高溫燃燒過程中，燃燒產物會發生熱離解以及離解物質之間也會發生化學反應生成 H2、OH、CO、H、O、N、NO等，而這些離解產物是無法由現有燃氣分析測試儀器測量，因此需要通過化學平衡關系式，結合物質守恒和能量守恒計算化學平衡組分，進而得到燃氣的絕熱火焰溫度，建立的非線性方程組采用數值解技術，由程序設計實現求解[7-9]。燃氣分析法應用在燃燒室的計算模型如圖1所示。

2 燃氣分析測試系統

燃氣分析采用的取樣裝置如圖2所示。從圖中可見，取樣點在燃燒室出口腔道中按等環面布置徑向5點，每點對應1個測試通道。取樣器采用水冷方式，一方面可以快速凍結燃氣，防止繼續燃燒，另一方面是要保證取樣器在燃燒室出口溫度較高的情況下長時間持續采樣[10-11]，在試驗過程中保持取樣器供水壓差在1 MPa左右。

燃氣分析法采用的溫度場測量系統如圖3所示[12-13]。在測量出口溫度場的過程中，2支5點非混合式取樣器相隔180°安裝在燃燒室出口處的1個水、氣雙冷自動旋轉機構上，由于該次試驗采用5臺非分光式紅外氣體分析儀測量CO2和CO，因此試驗時先采集1支取樣器的5路樣氣，轉過180°后旋轉機構反轉，切換閥門采集另1支取樣器的5路樣氣。在試驗過程中沿周向間隔3°采集1組，總計120組，共600點溫度數據，測點密度為0.432點/cm2,滿足燃燒室出口溫度測量的要求[14]。

樣氣采用浮子流量計調節，保證進入測試儀器的樣氣流量為1 L/min左右，其余的樣氣通過設置的旁路閥門在取樣管路的末端，進入測試儀器前進行放空處理，這樣做能提高樣氣在輸送管路中的流動速度，減少燃氣分析測試時間。取樣器進口到測試儀器的管路輸送距離為20 m，管路中流量為5 L/min，換算成流速是6.5 m/s，由此樣氣從取樣器到測試儀器所需時間不到4 s，再考慮儀器測試穩定時間，在燃氣分析測試程序中設置樣氣采集等待時間為15 s，等待結束后開始記錄數據，在每個測點位置記錄10組數據，這樣能保證燃氣分析法所測數據與所在測點位置相對應，完整地錄取全環燃燒室的出口溫度場數據。即使設置旁路加快取樣管路中的樣氣流速，在試驗時采集1次全環溫度場數據需要1.5 h。

3 試驗結果

在某全環燃燒室試驗器上進行試驗，進口空氣由回熱器和電加溫器間接加溫，空氣流量采用孔板流量計測量，測量精度為2.5%；燃油流量采用渦輪流量計測量，測量精度為0.5%；燃燒室進口溫度采用K型熱電偶測量，測量精度為0.5%。燃料的氫碳比為1.923，熱值為42650 kJ/kg。試驗狀態見表1，分別采用燃氣分析法和熱電偶法測量了狀態序號1的溫度場，狀態序號2的溫度場只用燃氣分析法進行了測量。

表1 試驗狀態

在試驗中通過燃氣分析法測得的600點油氣比數據，經算術平均后與通過直接測量燃油流量和空氣流量所得到的油氣比進行對比，測試結果見表2，二者最大偏差為1.3%，按照文獻[15]給出的標準二者偏差小于5%的要求，表明試驗取樣具有代表性。

表2 取樣代表性結果

2種測量方法得到的燃燒室溫度場結果對比見表3，在油氣比為0.03時燃氣分析法測得的平均溫度比熱電偶法測得的高27.7 K，最高溫度比熱電偶法測得的高103.5 K。熱電偶的測溫精度受燃燒室周圍環境的影響很大，偶絲結點在燃氣中會受到對流傳熱、熱傳導、輻射傳熱等因素的影響，這是1個熱平衡的過程，因此，熱電偶法直接測到的溫度結果是要低于燃氣實際的溫度，而高溫燃氣中未燃組分如CO和UHC含量較少甚至沒有，燃氣分析法通過建立1個化學平衡燃氣模型，利用能量守恒原理計算燃氣的絕熱平衡溫度，即燃燒所能達到的最高溫度，綜上原因燃氣分析法所測溫度是要大于熱電偶法所測溫度。

表3 測溫結果對比

全環燃燒室的出口溫度場分布云圖如圖4～6所示，從圖中可見，2種測量方式測得的熱點位置不同，但是測得的燃燒室出口溫度分布基本一致。

燃氣分析法與熱電偶法測得的燃燒室出口徑向分布系數對比如圖7所示。

4 誤差分析

通常燃氣分析法需要測量的燃氣組分有CO2、CO、UHC、NOx，相應的測試儀器分別為紅外氣體分析儀（CO2、CO）、火焰離子探測器（UHC）、化學發光儀（NOx），根據對大量燃氣分析試驗數據分析的結果，燃燒室在高溫工作時氣態排放物中CO和UHC 2種未燃組分一般情況下摩爾含量都比較低，一般不超過0.01%；雖然隨著燃燒溫度的升高，NOx的摩爾含量會逐漸增加，但該組分的體積分數基本在0.05%以下，并且由于生成NO過程的熱量變化很小，忽略NOx的測量對溫度的計算影響是很小的（下面誤差分析可以給出），因此在測量較大狀態下的燃燒室出口溫度場時可以簡化燃氣分析測試系統，僅配置紅外氣體分析儀測量的CO2、CO 2種組分。試驗的樣氣預處理系統按照航標HB 6117-1987的要求建立，可保證從取樣器到測試儀器過程中樣氣成分不發生變化，因此燃氣組分的測量誤差來源于測試儀器的誤差，在試驗使用的紅外氣體分析儀精度為1%。

燃氣分析法測溫除了受到燃燒室出口燃氣組分的測量影響，進口溫度、燃料熱值也會對燃氣溫度的測量造成影響，下面將分別分析各因素對溫度測量的影響。

4.1 燃氣組分對溫度測量的影響

4.1.1 CO2測量偏差對溫度的影響

CO2的測量偏差為1%對溫度計算的影響如圖8所示。從圖中可見，隨著油氣比從低到高，溫度計算誤差的變化趨勢是逐漸升高然后降低，最大誤差將近10 K，相對誤差變化趨勢也是先升高后降低，對誤差最大達到0.56%。

4.1.2 CO測量偏差對溫度的影響

CO的含量一般低于0.01%，經計算結果表明：CO的測量偏差為1%對溫度的影響極小，可忽略不計。

4.1.3 UHC未測對溫度的影響

在試驗中測量的CO摩爾含量比較低，一般不超過0.01%，由此推斷UHC也不會超過這個量級，假設燃氣中UHC的含量為0.01%，未測量對溫度計算的影響如圖9所示。從圖中可見，溫度誤差和相對誤差基本都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是降低的，對溫度的影響不超過1K。

4.1.4 NOx未測量對溫度的影響

假設燃氣中NOx的含量為0.05%，未測量對溫度計算的影響如圖10所示，從圖中可見，溫度誤差和相對誤差基本都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是降低的,對溫度的影響不超過1 K。

4.2 進口溫度對溫度測量的影響

試驗狀態進口溫度為733 K，進口溫度測量采用的K型熱電偶測量誤差為±0.5%，對溫度計算的影響如圖11所示，從圖中可見，溫度誤差和相對誤差基本都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是降低的。

4.3 燃料熱值對溫度測量的影響

試驗采用的燃料低熱值為42650 kJ/kg，測量偏差為1%,對溫度計算的影響如圖12所示，從圖中可見，溫度誤差和相對誤差都是隨著油氣比的升高，變化趨勢是先升高后降低的，溫度誤差最大達到11 K，相對誤差最大達到0.65%。

綜上分析可以得出，CO2和燃料熱值的測量偏差對溫度計算的影響是比較大的，其余因素的影響程度是比較小的，綜合各個因素對燃氣溫度的總誤差影響在1%以內。

5 結論

通過燃氣分析法在某高溫升全環燃燒室出口溫度場試驗中的應用可以得到以下結論：

（1）采用的多通道燃氣分析法測溫系統實現了熱點溫度達2285 K的全環燃燒室出口溫度場的測試，證明燃氣分析是1種可靠的高溫測試技術，并有用于更高燃氣溫度測試的潛力；

（2）燃氣分析法和熱電偶法2種測量方法得到的油氣比的最大偏差為在1.3%以內，表明采用的燃氣分析測試系統具有較高的精度；

（3）在油氣比為0.03狀態時，燃氣分析法與熱電偶法所測得的燃燒室出口溫度分布基本一致，但燃氣分析法測到的平均溫度比熱電偶高27.7 K、熱點溫度高 103.5 K、OTDF高 0.07；

（4）誤差分析表明：CO2測量精度和燃料熱值的測量偏差是燃氣分析測溫系統主要的誤差來源，燃氣分析的測溫系統總誤差在1%以內。

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Application of Gas Analysis Method on High Temperature Rise Full Annular Combustor Outlet Temperature Field Test

HAN Bing,WANG Ming-rui,LI Ya-juan,MA Zheng
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

Gas analysis method and thermocouple method were taken to measure outlet temperature field to provide the technical support for the optimization of outlet temperature distribution of high temperature rise full annular combustor.Two five-hole samplers were fixed on a traverse gear,swinging 180°and collecting six hundred gas samples from combustor outlet,the gas temperature were calculated by measuring carbon dioxide and carbon monoxide.The combustor outlet temperature distribution measured by gas analysis method and thermocouple method are consistent basically at fuel/air ratio 0.03.The hot-spot temperature measured by gas analysis method was 2285 K at fuel/air ratio 0.037.The error analysis show that the primary factors which affect oreatly gas analysis measuring temperature are carbon dioxide and fuel calorific value.The overall error of greatly gas analysis test system is better than 1%.The result show that gas analysis method is a reliable high temperature measurement technique with high precision.

high temperature rise full annular combustor;outlet temperature distribution;gas analysis;sampler;gas temperature;error analysis;aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.05.014

2017-02-10 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

韓冰（1987），男，碩士，工程師，從事航空發動機燃燒室燃氣分析測試技術工作；E-mail:303795845@qq.com。

韓冰，王明瑞，李亞娟，等.燃氣分析法在高溫升全環燃燒室出口溫度場試驗中的應用[J].航空發動機，2017，43（5）：79-84.HAN Bing,WANG Mingrui,LI Yajuan,et al.Application of gas analysis method on high temperature rise full annular combustor outlet temperature field test[J].Aeroengine，2017，43（5）：79-84.

（編輯：張寶玲）