煤基合成油燃燒性能試驗(yàn)研究

劉金林，馬小森，趙 鵬，楊志民

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著航空飛行器飛行速度和發(fā)動機(jī)推重比的逐漸增大，航空發(fā)動機(jī)主燃燒室總油氣比也顯著提高，向著高溫升、高熱容的方向發(fā)展。為此，對主燃燒室冷卻技術(shù)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。研究人員提出液態(tài)碳?xì)淙剂显谶M(jìn)入燃燒室燃燒之前先冷卻火焰筒壁面等高溫部件[1-4]，使得液態(tài)碳?xì)淙剂喜辉賰H作為推進(jìn)劑，還要用作冷卻劑為發(fā)動機(jī)或飛行器的高溫部件降溫冷卻，這就要求液態(tài)碳?xì)淙剂弦袃?yōu)良的熱安定性能[5]。

中國側(cè)重于通過改善煉制工藝來提高噴氣燃料的熱安定性[6]。煤基合成油是以煤炭為主要原料，通過化學(xué)加工過程使其液化，轉(zhuǎn)變?yōu)槠?、柴油和煤油等液態(tài)烴類燃料和高附加值的化工產(chǎn)品[9]。目前中國的煤基合成油產(chǎn)能已經(jīng)初具規(guī)模，其產(chǎn)品性能指標(biāo)的熱安定性高于常用作航空燃料的3號噴氣燃料的[10]。

燃料性能對發(fā)動機(jī)的安全有極大影響[6-8]，與燃料最直接相關(guān)的發(fā)動機(jī)部件就是燃燒室，所以熱安定性燃料不僅應(yīng)達(dá)到其在受熱情況下的熱氧化安定性，還應(yīng)該保證其燃燒性能不變。因此，利用航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗(yàn)臺研究燃燒煤基合成油對燃燒室性能的影響就顯得尤為重要[11-15]。本文使用同一個全環(huán)燃燒室試驗(yàn)件，對燃用RP3航空煤油和煤基合成油進(jìn)行燃燒性能對比試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)流程及試驗(yàn)方法

航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗(yàn)臺的試驗(yàn)原理如圖1所示。試驗(yàn)時，燃燒室試驗(yàn)件進(jìn)口有長直管段和整流裝置，能夠保證試驗(yàn)件進(jìn)口空氣溫度和壓力均勻，滿足進(jìn)口流場均勻性的要求。進(jìn)口空氣流量和壓力的調(diào)節(jié)通過進(jìn)氣、放氣和排氣閥門的配合來實(shí)現(xiàn)。

圖1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)前要對試驗(yàn)件及試驗(yàn)器各系統(tǒng)進(jìn)行檢查。管路吹風(fēng)加熱，同時檢查管路的密封性。確認(rèn)無問題后開始試驗(yàn)。

燃燒室進(jìn)口空氣流量由安裝在進(jìn)氣管道上的標(biāo)準(zhǔn)孔板測量，通過測量孔板前靜壓、溫度和孔板前后靜壓差，利用該孔板的計算公式計算。

試驗(yàn)供油量由安裝在試驗(yàn)件燃油總管前的渦輪流量計測量，燃燒室進(jìn)口氣流總壓由壓力受感部及壓力掃描閥采集，進(jìn)口氣流總溫由總溫受感部采集，然后通過數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行處理和傳送。所有受感元件的堵塞面積不大于通道面積的5%。

燃燒室試驗(yàn)件出口測量段是1個水、氣雙冷的旋轉(zhuǎn)測量裝置。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上布置4支梳狀熱電偶，電偶沿徑向有5個測點(diǎn)，測點(diǎn)位于測量通道等環(huán)面的中心。熱電偶沿周向間隔3°采集，通過旋轉(zhuǎn)測量得到周向120個測量位置。燃燒室壁溫由預(yù)埋的K型熱電偶測量。

試驗(yàn)燃油系統(tǒng)主要由總進(jìn)油閥、燃油過濾器、燃油流量計、回油調(diào)節(jié)閥、電磁閥、渦輪流量計、燃油泵、變頻電機(jī)及管路等組成。試驗(yàn)時通過調(diào)節(jié)燃油泵的電機(jī)頻率和回油調(diào)節(jié)閥的開度來控制燃油流量，使其達(dá)到試驗(yàn)狀態(tài)要求。

2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)用的煤基合成油是根據(jù)RP3航空煤油的理化特性特制的，因此在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)程序參數(shù)對2種燃油密度、熱值和碳?xì)浔鹊脑O(shè)置相同，只是在熱安定性能上有所不同，RP3航空煤油滿足260℃、2.5 h、壓力降不大于3.3 kPa的要求，而煤基合成油則滿足355℃、3.5 h壓力降不大于3.3 kPa的要求。

采用有主、副油路的全環(huán)燃燒室試驗(yàn)件，分別進(jìn)行RP3航空煤油和煤基合成油燃料的燃燒室性能與壁溫試驗(yàn)，錄取燃燒室出口的溫度分布和燃燒效率，并記錄壁面溫度的數(shù)值。試驗(yàn)狀態(tài)見表1。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 火焰筒壁溫數(shù)據(jù)分析

在火焰筒壁溫試驗(yàn)中，火焰筒壁溫在狀態(tài)1、2下，均不超過火焰筒材料的許用溫度。2種狀態(tài)下的壁溫對比如圖2所示。從圖中可見，燃用RP3航空煤油和燃用煤基合成油的火焰筒壁溫在同狀態(tài)下溫度基本相同，說明二者在火焰筒壁面溫度分布方面無較大區(qū)別。

圖2 火焰筒壁溫對比

3.2 燃燒室性能數(shù)據(jù)分析

在航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗(yàn)中評價燃燒室的性能參數(shù)主要以燃燒室出口溫度分布和燃燒效率等參數(shù)為主。

燃用RP3航空煤油和燃用煤基合成油在2種狀態(tài)下的出口溫度場分布分別如圖3、4所示。受噴嘴結(jié)構(gòu)和燃料、空氣量分配等的影響，在燃燒室出口溫度分布方面會存在部分高溫區(qū)，如在出口溫度分布云圖的10點(diǎn)鐘方向一直存在1個高溫區(qū)，這是由于點(diǎn)火器安裝位置引起了流場畸變所造成，但此現(xiàn)象不影響燃料的燃燒性能對比試驗(yàn)研究。通過對比2圖可知，在相同試驗(yàn)狀態(tài)下燃用RP3航空煤油和燃用煤基合成油的出口溫度分布熱點(diǎn)相同，熱區(qū)分布一致。在不同試驗(yàn)狀態(tài)下燃用同種燃油的熱點(diǎn)位置相同，熱區(qū)分布一致，唯有熱點(diǎn)溫度值略有不同。說明燃油種類的不同對燃燒室出口溫度分布無影響。

圖3 在狀態(tài)1下的出口溫度場

圖4 在狀態(tài)2下的出口溫度場

2種狀態(tài)下的燃燒效率對比如圖5所示。從圖中可見，燃用RP3航空煤油和煤基合成油的燃燒效率都在99%以上。在狀態(tài)1、2下，燃用煤基合成油的燃燒效率比燃用RP3航空煤油的分別高0.15%、0.18%，但數(shù)值上相差不大?？紤]到在試驗(yàn)過程中還存在一定的系統(tǒng)誤差，可以得出燃用煤基合成油在燃燒室燃燒效率方面無較大影響的結(jié)論。

圖5 燃燒效率對比

熱點(diǎn)（λOTDF）是衡量燃燒室出口溫度分布品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，該指標(biāo)的好壞關(guān)系到渦輪導(dǎo)葉的壽命。其計算公式為

式中：t4max、t4ave分別為燃燒室出口的最高和平均溫度；為燃燒室進(jìn)口的平均溫度。

燃燒室出口平均溫度和λOTDF對比如圖6所示。從圖中可見，在相同試驗(yàn)狀態(tài)下，燃用RP3航空煤油和煤基合成油的出口平均溫度基本相同，λOTDF相差不大；在不同試驗(yàn)狀態(tài)下，燃用煤基合成油的λOTDF比燃用RP3航空煤油的稍高，但其差值較小，說明燃用煤基合成油與燃用RP3航空煤油在熱點(diǎn)品質(zhì)方面相差不大。

圖6 燃燒室出口平均溫度和λOTDF對比

在主燃燒室試驗(yàn)流程中，要求先起動燃燒室試驗(yàn)件再起動加溫器進(jìn)行加溫。而在本項(xiàng)試驗(yàn)研究過程中，燃燒室試驗(yàn)件無論燃用RP3航空煤油還是煤基合成油在相同的主燃燒室起動狀態(tài)下都能順利起動，說明燃用2種燃料的主燃燒室起動狀態(tài)相似。

4 結(jié)論

在航空發(fā)動機(jī)主燃燒室試驗(yàn)臺上用全環(huán)燃燒室試驗(yàn)件開展了RP3航空煤油和煤基合成油的燃燒性能試驗(yàn)，通過對比2種燃料在火焰筒壁溫、燃燒室出口溫度分布和燃燒效率等參數(shù)上的差異，得出以下主要結(jié)論：

（1）火焰筒壁溫未超過材料許用溫度值，燃用2種燃料時火焰筒的壁溫分布無較大區(qū)別。

（2）在同一試驗(yàn)狀態(tài)下，燃用2種燃料的出口平均溫度和燃燒效率無較大區(qū)別。

（3）在同一試驗(yàn)狀態(tài)下，燃用2種燃料的燃燒室出口溫度分布熱點(diǎn)位置相同，熱區(qū)分布一致；在不同試驗(yàn)狀態(tài)下燃用同種燃油的熱點(diǎn)位置相同，熱區(qū)分布一致，唯有熱點(diǎn)溫度值略有不同。

（4）燃用RP3航空煤油和煤基合成油燃料在相同的主燃燒室起動狀態(tài)都可以正常起動。

為全面了解煤基合成油的燃燒性能，進(jìn)一步深入研究本課題，建議對煤基合成油的熄火和點(diǎn)火性能進(jìn)行對比試驗(yàn)，并繼續(xù)完成排放、熄火和采用扇形段的可靠性加速模擬試驗(yàn)。