煤基合成油燃燒性能試驗研究

劉金林，馬小森，趙 鵬，楊志民

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著航空飛行器飛行速度和發動機推重比的逐漸增大，航空發動機主燃燒室總油氣比也顯著提高，向著高溫升、高熱容的方向發展。為此，對主燃燒室冷卻技術設計提出了挑戰。研究人員提出液態碳氫燃料在進入燃燒室燃燒之前先冷卻火焰筒壁面等高溫部件[1-4]，使得液態碳氫燃料不再僅作為推進劑，還要用作冷卻劑為發動機或飛行器的高溫部件降溫冷卻，這就要求液態碳氫燃料要有優良的熱安定性能[5]。

中國側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，通過化學加工過程使其液化，轉變為汽油、柴油和煤油等液態烴類燃料和高附加值的化工產品[9]。目前中國的煤基合成油產能已經初具規模，其產品性能指標的熱安定性高于常用作航空燃料的3號噴氣燃料的[10]。

燃料性能對發動機的安全有極大影響[6-8]，與燃料最直接相關的發動機部件就是燃燒室，所以熱安定性燃料不僅應達到其在受熱情況下的熱氧化安定性，還應該保證其燃燒性能不變。因此，利用航空發動機主燃燒室試驗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燃燒室試驗件，對燃用RP3航空煤油和煤基合成油進行燃燒性能對比試驗研究。

1 試驗流程及試驗方法

航空發動機主燃燒室試驗臺的試驗原理如圖1所示。試驗時，燃燒室試驗件進口有長直管段和整流裝置，能夠保證試驗件進口空氣溫度和壓力均勻，滿足進口流場均勻性的要求。進口空氣流量和壓力的調節通過進氣、放氣和排氣閥門的配合來實現。

圖1 試驗原理

試驗前要對試驗件及試驗器各系統進行檢查。管路吹風加熱，同時檢查管路的密封性。確認無問題后開始試驗。

燃燒室進口空氣流量由安裝在進氣管道上的標準孔板測量，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。

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

燃燒室試驗件出口測量段是1個水、氣雙冷的旋轉測量裝置。旋轉機構上布置4支梳狀熱電偶，電偶沿徑向有5個測點，測點位于測量通道等環面的中心。熱電偶沿周向間隔3°采集，通過旋轉測量得到周向120個測量位置。燃燒室壁溫由預埋的K型熱電偶測量。

試驗燃油系統主要由總進油閥、燃油過濾器、燃油流量計、回油調節閥、電磁閥、渦輪流量計、燃油泵、變頻電機及管路等組成。試驗時通過調節燃油泵的電機頻率和回油調節閥的開度來控制燃油流量，使其達到試驗狀態要求。

2 試驗工況

試驗用的煤基合成油是根據RP3航空煤油的理化特性特制的，因此在試驗過程中，試驗程序參數對2種燃油密度、熱值和碳氫比的設置相同，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、副油路的全環燃燒室試驗件，分別進行RP3航空煤油和煤基合成油燃料的燃燒室性能與壁溫試驗，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值。試驗狀態見表1。

表1 試驗狀態參數

3 試驗結果分析

3.1 火焰筒壁溫數據分析

在火焰筒壁溫試驗中，火焰筒壁溫在狀態1、2下，均不超過火焰筒材料的許用溫度。2種狀態下的壁溫對比如圖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別。

圖2 火焰筒壁溫對比

3.2 燃燒室性能數據分析

在航空發動機主燃燒室試驗中評價燃燒室的性能參數主要以燃燒室出口溫度分布和燃燒效率等參數為主。

燃用RP3航空煤油和燃用煤基合成油在2種狀態下的出口溫度場分布分別如圖3、4所示。受噴嘴結構和燃料、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，如在出口溫度分布云圖的10點鐘方向一直存在1個高溫區，這是由于點火器安裝位置引起了流場畸變所造成，但此現象不影響燃料的燃燒性能對比試驗研究。通過對比2圖可知，在相同試驗狀態下燃用RP3航空煤油和燃用煤基合成油的出口溫度分布熱點相同，熱區分布一致。在不同試驗狀態下燃用同種燃油的熱點位置相同，熱區分布一致，唯有熱點溫度值略有不同。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1下的出口溫度場

圖4 在狀態2下的出口溫度場

2種狀態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%，但數值上相差不大。考慮到在試驗過程中還存在一定的系統誤差，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論。

圖5 燃燒效率對比

熱點（λOTDF）是衡量燃燒室出口溫度分布品質的關鍵指標之一，該指標的好壞關系到渦輪導葉的壽命。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，在相同試驗狀態下，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；在不同試驗狀態下，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航空煤油在熱點品質方面相差不大。

圖6 燃燒室出口平均溫度和λOTDF對比

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

4 結論

在航空發動機主燃燒室試驗臺上用全環燃燒室試驗件開展了RP3航空煤油和煤基合成油的燃燒性能試驗，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上的差異，得出以下主要結論：

（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別。

（2）在同一試驗狀態下，燃用2種燃料的出口平均溫度和燃燒效率無較大區別。

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

（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都可以正常起動。

為全面了解煤基合成油的燃燒性能，進一步深入研究本課題，建議對煤基合成油的熄火和點火性能進行對比試驗，并繼續完成排放、熄火和采用扇形段的可靠性加速模擬試驗。