環管燃燒室火焰筒空氣流量試驗

陳 帆,武 越,張恒昕,杜昌昵

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

作為航空發動機燃燒室的重要組件，火焰筒是組織燃燒的場所，是保證空氣分股、燃燒充分、摻混均勻并使壁面得到有效冷卻的關鍵部件，燃燒室的可靠性、經濟性和壽命在很大程度上取決于火焰筒的可靠性和有效程度[1-2]。環管型燃燒室是一種常見的燃燒室形式，燃燒室內設置有多臺火焰筒，火焰筒流量特性的一致性直接決定燃燒室出口燃氣分布均勻性，從而影響發動機的性能與可靠性。因此，在火焰筒的研試、出廠鑒定、故障診斷等環節[3-6]，通常會進行空氣流量試驗，為保證火焰筒狀態的一致性，確保發動機質量，要求同批次火焰筒在同一工況下流量相對偏差小于±(1.5～4)%。目前，國內外通常采用模擬壓比、模擬馬赫數的方法，選取可覆蓋模擬區間的一系列工況點對火焰筒進行冷空氣流量試驗，通過相似理論將試驗結果折算至標準狀態進行比較[7-8]。但在數據折算中忽略了實際工況點偏差、流動損失等因素，影響了對火焰筒一致性的真實準確評估。

本文通過對現有火焰筒流量數學模型進行誤差傳遞分析，獲取產品入口壓力偏差對試驗結果的影響關系，設計一種基于兩級擴散整流集氣裝置的空氣流量試驗系統，以實現對入口壓力的精確控制，提高試驗效率與數據質量。

1 試驗原理及誤差分析

1.1 試驗原理

火焰筒結構如圖1所示，試驗時采用橡膠塞將火焰筒聯焰管口、燃油入口封死，火焰筒安裝于集氣裝置中，出口與大氣環境相通，通過試驗獲取旋流器、主燃孔、摻混孔等火焰筒實際工作狀態下的空氣總流量。

圖1 火焰筒結構示意圖Fig.1 Schematic of flame tube structure

壓比模擬法：試驗過程中，控制集氣裝置內壓力(即火焰筒入口空氣壓力)，使得火焰筒進、出口試驗壓比范圍可覆蓋實際工作壓比。

馬赫數模擬法：要求在試驗中火焰筒出口馬赫數與實際工作中該參數值近似相等，火焰筒出口馬赫數

(1)

(2)

由式(2)可獲得工作狀態馬赫數時火焰筒進、出口壓比值p1/p2。

綜合上述方法，計算后選擇火焰筒入口壓力分別為20 kPa，40 kPa，60 kPa和80 kPa，每個工況點維持10 s，重復2次。

1.2 數據處理方法

由于每個火焰筒試驗時間不盡相同，環境條件有所差異，為增強數據的可比性，將實際記錄數據按照相似理論折算到標準狀態(大氣壓為101.325 kPa，溫度15 ℃)。

火焰筒入口工裝截面處氣流馬赫數

(3)

式中：V為出口速度，c為當地聲速；qm為空氣流量；R為氣體常數；A1為測點p1和T1所在工裝截面的截面積。試驗壓力滯止參數

(4)

式中pa為環境大氣壓。試驗溫度滯目參數

(5)

氣體流量

(6)

式中:q(λ)為氣動函數;A為火焰筒出口截面積。根據速度因數λ與靜壓總壓之比關系

(7)

(8)

利用式(3)～式(8)，即可通過試驗實測值獲得火焰筒實際出口截面積A與常數K的乘積C，即

(9)

(10)

1.3 誤差分析

由于數據折算時假設流動為絕熱等熵過程，忽略了試件中的流動損失，真實狀態下C值還包含流動損失系數ξ(p)[10]，因為試驗過程中僅針對入口壓力p1進行調整，ξ(p)值的變化僅與入口壓力相關(試驗數據顯示，在額定工況區間內，該產品ξ(p)隨壓力的增加近似線性變大)，而實際p1值不可避免會與額定值存在偏差，當考慮p1偏差時，C值可表示為

C=ξ(p)AK

(11)

(12)

(13)

(14)

由誤差傳遞計算得到，單個試件折合流量相對偏差值δ的絕對誤差

(15)

(16)

上述分析獲得了入口壓力偏差對試件折合流量相對偏差δ的影響關系，記試件流量絕對誤差Δδ的絕對值為τ，對試件特性的判定如圖2所示。

圖2 產品特性判定分析Fig.2 Determination analysis of product feature

若忽略數據折算誤差時，試件的相對流量偏差δ在±1.5%的區間之內，認為產品合格。實際試驗過程中，若試驗測得的δ值位于區間[(-1.5+τ)%，(1.5-τ)%]，則試件δ實際值必位于[-1.5%，+1.5%]，試件合格。同理，當δ位于[-∞，-(1.5+τ)%]與[(1.5+τ)%，+∞]時，考慮誤差情況下，δ實際值也必然位于[-∞，-1.5%]與[+1.5%，+∞]，試件不合格；當δ位于[-(1.5+τ)%，(-1.5+τ)%]與[(1.5-τ)%，(1.5+τ)%]時，試件可能合格，亦可能不合格，此時若實際試驗入口壓力為正偏差，δ位于[-(1.5+τ)%，-1.5%]時，可判斷產品不合格(試驗入口壓力越靠近額定值時，實際流量將越小，與平均折合流量的偏差絕對值將越大)；若實際試驗入口壓力為正偏差，δ位于[(1.5-τ)%，1.5%]時，可判斷產品合格(試驗入口壓力越靠近額定值時，實際流量約小，與平均折合流量的偏差絕對值將越小)。同理，若實際試驗入口壓力為負偏差，實測δ位于[1.5%，(1.5+τ)%]時，可判斷產品不合格；實測δ位于[-1.5%，-(1.5-τ)%]時，可判斷產品不合格。下述兩種情況無法對產品特性進行判定：①當實際試驗入口壓力為負偏差，實測δ位于[(1.5-τ)%，1.5%]、[-(1.5+τ)%，-1.5%]；②當實際試驗入口壓力為正偏差，實測δ位于[-1.5%，-(1.5-τ)%]、[1.5%，(1.5+τ)%]時。此時，需盡量縮小入口壓力偏差值，對該試件重復試驗。

對試驗數據處理的誤差分析表明：提高試驗系統入口壓力精度可縮小不可判定區間，提高試驗效率和質量。

2 試驗系統原理

系統原理如圖3所示，系統由氣源、截止閥、流調閥、流量計、集氣裝置及管路組成。空氣氣源由不少于8個的容積4 m3、壓力不低于9 MPa高壓氣瓶組成(設計壓力35 MPa)，對于單個工況點試驗氣源每秒鐘相對壓降小于0.045%，可認為是恒壓，氣源截止閥后設置氣源壓力測點。為實現對入口壓力的精確控制，空氣通過兩臺電動流調閥進行粗調(TJ01)和精調(TJ02)，試驗中先通過TJ01調節閥將集氣裝置內壓力調至額定工況點附近，然后通過TJ02調節閥將最終壓力控制在要求范圍之內。采用高壓大容量氣源可省去傳統方案中流調閥前設置的減壓器設備，從而減少了誘發氣流壓力波動的來源，對提高入口壓力穩定性及控制入口壓力的精度具有積極意義。

圖3 系統原理圖Fig.3 Schematic of experimental system

流量調節閥通過電動執行機構調節閥芯開度，閥門采用等百分比調節方式，以保證在不同開度時具有相同的調節精度。集氣裝置結構原理如圖4所示，為提高產品入口區域流場壓力的精度與穩定性，根據相關資料結合本試驗自身特點，集氣裝置采用兩級擴散整流方案，由一級擴散段、二級擴散段、平直段、一級整流柵、二級整流柵及產品固定工裝組成，產品入口截面設置總溫、總壓測點，對來流參數進行監測。

圖4 集氣裝置示意圖Fig.4 Schematic of gas collecting device

為保證氣流在平直段前得到較好的流場品質，同時考慮擴散段整體長度，采用兩級擴散方案。根據相關文獻[11-12]，為縮短長度，擴散角可取20°～30°，一級擴散段長度為360 mm，擴張角選擇25°。一級擴散段末端設置一級整流柵，將前端紊亂不均勻的氣流穩定下來，衰減或降低流場中可能存在的漩渦或截面處的壓強梯度。通過一級擴散和整流后，氣流速度的方向和大小具有較好的均勻度，為進一步改善和提高流場品質，設置二級擴散段，為降低流速、減少能量損失，擴散角一般為5°～8°之間，二級擴散段擴散角選擇7.5°，最大直徑與平直段直徑相等。

火焰筒流量試驗過程中，為確保集氣裝置平直段內空氣流速較低且分布均勻，氣流總壓與靜壓近似相等，取平直段內平均氣流速度<5 m/s，結合該型火焰筒流量特性，平直段直徑D為600 mm。平直段長度L與產品箱內安裝狀態下的軸向長度L1和直徑D有關，根據相關資料，L=L1+0.6D，圓整后平直段長度取1 000 mm。平直段距離出口端面130 mm處設置總壓測點與總溫測點。

一級擴散段出口與平直段入口處均安裝孔板式整流柵。根據相關文獻[13-14]，一般要求開孔比，即整流孔總面積Ak與截面面積A2之比Ak/A2≈0.6～0.7。但根據實際經驗，為保證整流柵強度，開孔比不大于0.6，單孔直徑8 mm，開孔比為0.55，整流柵厚度15 mm。

3 試驗結果及分析

選取16臺火焰筒作為一組開展空氣流量試驗，圖5為入口壓力20 kPa，40 kPa，60 kPa和80 kPa下試驗數據。試驗數據顯示：試件入口壓力均值與額定工況點的偏差位于±0.05 kPa范圍之內，入口壓力脈動值隨入口壓力值的增大而增大，壓力脈動相對值小于0.25%，充分驗證了系統入口壓力的控制精度以及集氣裝置內氣流品質。

圖5 入口壓力p1與流量qm曲線Fig.5 Curves of inlet pressure p1 and flow qm

圖6為16臺試件在額定工況點下C值的實測值，由圖6可知，真實狀態下C值位于[167,177]的區間范圍內，且隨入口壓力的升高而近似線性增大，當試件入口壓力偏差為±0.05 kPa時，C值的相對誤差不大于±0.01%，系統可實現對產品高效、準確的判定。

4 結論

通過上述研究，可以得到以下結論：

1)對火焰筒流量試驗現有數學模型的誤差傳遞分析表明：受實際試驗中流動損失的影響，試驗模型存在不能對試件真實特性進行判定的區間，且試件入口壓力偏差越大，該區間范圍越寬。

圖6 火焰筒不同入口壓力下C值的變化Fig.6 Change of C value under different inlet pressure of flame tube

2)所建立的火焰筒流量試驗系統在額定工況范圍內，對試件入口壓力的控制精度可達±0.05 kPa，入口壓力脈動相對值小于0.25%。

3)在現有系統控制精度下，C值的相對誤差不大于±0.01%，可實現對產品高效、準確的判定。