暫沖式燃氣取樣系統設計與驗證

張 杰，朱 濤，王 軍，蒙正猛，馮大強

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

超燃沖壓發動機作為高超聲速飛行器可用動力系統方案之一，其工作原理極其復雜，如何準確評估其綜合性能是超燃沖壓發動機研制急需攻關的技術瓶頸。超燃沖壓發動機試驗屬于暫沖式試驗，試驗時間短至幾秒，出口總溫卻高達3 000 K[1]。目前，國內外評估超燃沖壓發動機綜合性能的方法主要有：①數值計算法[2]，即基于數值仿真計算軟件，構建仿真模型，簡化化學反應機理，推算性能參數；②非接觸式測量法，即以可調二極管吸收光譜技術(TD?LAS)、平面激光誘導熒光技術(PLIF)、紅外等非接觸式測量方式推算相關性能參數；③接觸式測量法，即直接測量出口總溫、沿程壁溫、組分等參數，推算發動機推力、燃燒效率等核心參數。

數值計算法[3]基本上只采用有限速率化學反應的燃燒動力學機理，忽略湍流與燃燒的耦合作用，計算結果不能真實反饋超燃沖壓發動機狀態，模型精度有待提高。TDLAS、PLIF、紅外等非接觸式測量法雖對發動機流場無干擾，但系統復雜、測量環境苛刻、光學儀器受環境干擾大，測量精度需進一步驗證[4]。出口總溫測量面臨熱電偶耐高溫、抗沖擊、催化效應、高溫校準和計算修正等問題[5]，其測量偏差高達5%。沿程壁溫測量忽略導熱，受測點布局和鋪設工藝的影響較大[6]。以上這幾種方法都不是優選的、行之有效的、能解決測試超燃沖壓發動機綜合性能的測量方法[7]。

組分測量法是利用取樣探針，獲取超燃沖壓發動機或燃氣輪機燃燒室出口能真實代表出口高溫流場的燃氣，利用各種分析儀器(如總碳氫分析儀、化學反光法分析儀、紅外分析儀或色譜儀等)分析所取燃氣中各組分的體積分數，基于全成分法和焓值守恒法，推算出超燃沖壓發動機或燃氣輪機燃燒室的燃燒效率、出口總溫、油氣比和污染排放指數等關鍵參數。該方法具備測量點多、響應時間快、在線式取樣等特點，是國內外研究的熱點。Colket等[8]利用氣體采樣系統測量燃燒中間產物，初步研究了超燃沖壓發動機燃燒室的組織燃燒過程。Mitani等[9]采用探針取樣-色譜分析的耦合技術手段，在超燃沖壓發動機燃燒室上驗證了探針取樣-色譜分析技術手段的有效性，初步利用組分測量法獲得了具有一定指導意義的燃燒效率。潘余等[10]設計了取樣探針系統，采用氣體取樣-色譜分析技術手段在超燃沖壓發動機燃燒室出口進行了取樣，通過CP3800色譜儀測量了所取燃氣中CO、CO2和UHC等成分的含量。林然等[11]研發了一套探針取樣分析系統，得到了超燃沖壓發動機出口截面的燃燒效率分布。這些研究所涉及的取樣系統的取樣流量多為毫升量級，采用非在線式色譜或質譜儀的技術手段實現組分測量與分析。

本文針對超燃沖壓發動機燃燒室進、出口組分測量需求，設計了一套固定取樣罐的暫沖式取樣系統，通過精準的時序控制，實現了超燃沖壓發動機燃燒室進、出口組分的測量，為超燃沖壓發動機燃燒室綜合性能評估提供了一種新的研究思路。

2 試驗條件

超燃沖壓發動機直連式試驗是將超燃沖壓發動機燃燒室與燃氣發生器出口的噴管直接相連，噴管出口產生均勻、無激波超聲速氣流，其馬赫數與燃燒室入口馬赫數相等，其含氧量與無污染空氣相等，是一種研究超聲速氣流流場特性，燃料噴射、混合、點火、燃燒過程的試驗方法[12]。其試驗系統主要包括空氣供給系統、氧氣供給系統、酒精供給系統、燃油供給系統、燃氣發生器、噴管、發動機燃燒室。

本文在噴管出口安裝測量段Ⅰ，并將測量段Ⅰ上安裝取樣探針的截面定義為測量截面Ⅰ；在發動機燃燒室出口安裝測量段Ⅱ，并將測量段Ⅱ上安裝取樣探針的截面定義為測量截面Ⅱ，如圖1所示?？諝夤┙o系統供給空氣，酒精供給系統供給酒精，氧氣供給系統供給氧氣。一定流量的空氣、酒精和氧氣在燃氣發生器內組織燃燒，燃燒后的高溫燃氣經噴管加速，在噴管出口處產生均勻超聲速氣流，并模擬設定的發動機燃燒室進口狀態。發動機燃燒室在給定的進口狀態條件下，與燃油供給系統給定的燃油一起在發動機燃燒室內組織燃燒，以滿足試驗測試條件。

圖1 系統原理及測量截面Fig.1 System principle and test sections

先獲取圖1中測量截面Ⅰ和測量截面Ⅱ的燃燒產物組分濃度，再基于全成分法和焓值守恒法得到表征超燃沖壓發動機燃燒室綜合性能的關鍵參數。測量截面參數及測量需求見表1。

表1 截面參數及測量需求Table 1 Cross section parameters and measurement requirements

受超燃沖壓發動機工作特性的影響，單次冷態試驗時間≯10.0 s，性能試驗試驗時間≯5.0 s。為實現測量截面的真實取樣，取樣有效時間控制在3.0 s內。結合燃氣分析系統的工作特性，由于在線式取樣分析工作時間≮60.0 s，故采用非在線式取樣方式，即將所取得的高溫燃氣暫存至恒溫取樣罐中，再利用真空泵抽取技術手段進行組分濃度測量。為滿足組分分析的最低流量需求，取樣流量應不低于2 L/s。

3 系統設計方案

3.1 系統原理及組成

暫沖式燃氣取樣系統基于管路時序控制技術，利用取樣探針獲取160±10℃的燃氣，經保溫管保溫后將燃氣暫存在取樣罐內，完成取樣過程。通過抽吸、稀釋、除水、干燥、過濾等一系列后處理，將處理后的燃氣導入氣體分析儀，測量各組分的體積分數，推算出燃燒室的油氣比、出口溫度和燃燒效率等性能參數。

暫沖式燃氣取樣系統分燃氣取樣和組分分析兩部分。燃氣取樣原理如圖2(a)所示，由取樣探針、取樣罐(A1～A6)、取樣管路(粉紅部分，含沿程閥門)、旁排管路(藍色部分，含沿程閥門)、公用管路(灰色部分，含真空泵B1)、真空泵(B1、B2)、保溫管(粉紅、藍色和灰色部分)、手動針閥(H1～H3)、氣動電磁閥(V1～V3)、壓力傳感器P、溫度傳感器T、測控系統等組成。燃氣流路由旁排管路、取樣管路和公用管路三部分組成。旁排管路由持續工作的真空泵B1保證非試驗取樣狀態時取樣罐前取樣管路的高真空條件(壓力≯10 Pa)，避免取樣流路中殘留空氣對測量結果帶來誤差。每次取樣前，取樣管路均需對取樣罐進行高真空度處理。公用管路為旁排管路和取樣管路公用部分，并在真空泵B1入口處監測管路壓力。其中，從取樣探針出口到電磁閥V1入口的管段長度S1為1.8 m，電磁閥V1出口到取樣罐入口的管段長度S2為1.2 m，手動針閥H2到電磁閥V2入口的管段長度S3為1.0 m，電磁閥V3出口到真空泵B1入口的管段長S4為4.0 m。取樣管路長度為3.0 m(S1+S2)，旁排管路和公用管路長度合計6.8 m(S1+S3+S4)。組分分析原理如圖2(b)所示，由取樣罐、手動針閥、分析管路(粉紅部分)、真空泵B2、減壓閥、預處理系統、氣體分析儀(測量CO2、CO和O2)等組成，操作流程按HB 6117-1987[13]執行。

圖2 暫沖式燃氣取樣系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of intermittent gas sampling system

3.2 結構設計

取樣探針采用了結構與性能相結合的設計方法。取樣探針結構設計包括取樣頭部、測點分布、傳熱計算、強度校核等。性能計算主要對所設計的取樣探針結構進行數值模擬，分析其結構對流場的影響。取樣探針設計指標如表2所示。

表2 取樣探針設計指標Table 2 The design specifications of the sampling probe

取樣流量設定為2 L/s，取樣小孔直徑取0.5 mm，測點密度為0.15點/cm2。探針結構見圖3。探針頭部外形采用30°前緣楔形結構，取樣流道采用10°和36°兩級擴張，擴張段區域內的馬赫數增大到4.8左右，靜溫最低至350 K以下，滿足對化學反應凍結的需求。探針使用GH3039材料加工，探針出口布置溫度和壓力安裝座用以監測燃氣的溫度和壓力。取樣探針殼體采用普通自來水的冷卻方式冷卻，結構強度校核結果滿足剛度＜1.5%、靜強度安全系數＞1.25的要求[14]。

圖3 取樣探針結構圖Fig.3 Sketch of the sampling probe structure

3.3 系統管路設計及附件選型

系統管路材料均選擇外徑為6.0 mm、內徑為4.0 mm的不銹鋼管，采用快速卡套式接頭連接。根據上述管路長度，計算得到取樣段管路的容積為0.037 L，取樣時間為0.018 5 s；抽負段管路的容積為0.084 L，取樣時間為0.041 9 s?？梢?，取樣時間均遠小于3.0 s，燃氣流經取樣系統的時間均可近似忽略不計，只考慮取樣罐的填充時間。

綜合考慮燃氣從取樣罐到氣體分析儀的響應時間約40.0 s，預處理系統管路長度約5.0 m，每臺分析儀器的最低流量為8.3×10-3L/s@200 kPa，燃氣總流量需求為2.5×10-2L/s@200 kPa。

真空泵B1的主要功能是保持足夠的抽氣速率，以減少取樣過程和抽負過程中管路內原有氣體的干擾。真空泵B2的主要功能是當取樣罐內燃氣壓力低于分析儀器正常工作所需的最低壓力200 kPa時，通過帶加熱的保溫抽吸，滿足氣體分析儀的成分分析過程。真空泵優選電動機帶動的薄膜真空泵，型號為KNF N036 ST.26E，最大抽氣速率為0.5 L/s，泵后最大壓力為600 kPa，滿足本文試驗要求的抽氣速率0.084 L/s和最低壓力200 kPa。在資源有限的情況下，兩臺真空泵可公用。

電磁閥是保證準確快速取樣的重要控制元件。選擇Swagelok SS-62PS6MM-31DHT電磁閥，實現取樣管路的快速開關。

氣體分析儀包括CO、CO2、O2氣體分析儀，其技術指標見表3。

表3 氣體分析儀技術指標Table 3 Gas analyzer specifications

3.4 測控系統設計

測控系統集閥門控制、數據采集和性能參數計算于一體，包括采集單元和控制單元。采集單元采集包括分析儀器輸出的4～20 mA信號、試驗臺架的溫度和壓力等、取樣罐中燃氣的壓力和溫度等；控制單元包括保溫管160℃的溫度控制、真空泵開關、電磁閥開關等。測控系統原理見圖4。

測控系統采用采集速率和穩定性高的PLC來實現功能。試驗前，通過控制單元控制保溫管加熱保溫至160℃；取樣試驗開始時，由試驗指揮系統給予暫沖式取樣系統24～30 V啟動觸發信號，PLC識別、接收觸發信號后觸發時序控制中的電磁閥開關完成自動取樣；組分分析時，控制PLC實現真空泵B2的開關，記錄分析儀器輸出組分的體積百分數。

圖4 測控系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of test control system

為保證獲取合適的取樣流量，消除試驗狀態穩定前取樣管路內的非有效取樣氣體對測試結果的影響，需要設計暫沖式取樣系統與燃氣發生器或發動機工作狀態相匹配的控制方案，來保證整個取樣過程處于燃氣發生器或發動機有效工作時間內。試驗準備過程中，控制PLC系統關閉電磁閥V1、V3和手動針閥H3，打開電磁閥V2和手動針閥H1、H2，對取樣罐抽真空，檢測真空泵B1入口處壓力p和取樣罐內壓力pi(i對應每個取樣罐)，使得取樣罐中壓力臨近真空(最低可至0.34 kPa)，再關閉電磁閥V2和手動針閥H2，完成抽負過程。待5 min后，觀察取樣罐中壓力是否發生變化，若壓力未發生變化，則抽負過程結束；若壓力發生變化，檢查并處理取樣管路，重新抽負，直至取樣罐壓力不變。

試驗開始前，關閉電磁閥V1、V2和手動針閥H2，打開電磁閥V3和手動針閥H3，取樣罐處于待取樣狀態，通過旁排管路(圖2(a)中藍色部分)和公共管路(圖2(a)中灰色部分)對取樣探針持續抽負。當試驗系統給予24～30 V觸發信號后，繼續對旁排管路抽負；當燃氣發生器或發動機穩定燃燒時，關閉電磁閥V2和V3，打開電磁閥V1，進行取樣，取樣時間根據實際工況設定。受取樣管路影響，試驗結束后管路內還有燃氣，取樣時間可略作延遲。

完成取樣后，打開電磁閥V3，關閉電磁閥V1和V2，對旁排管路進行抽負。待試驗結束后，關閉手動針閥H1和H2，取下取樣罐，連接真空泵B2、預處理系統和氣體分析儀，按取樣壓力選擇減壓管路或真空泵B2管路，按燃氣分析規程完成燃氣分析。

4 試驗驗證

4.1 暫沖式燃氣取樣系統調試試驗

為考核暫沖式燃氣取樣系統性能，取Proble-2流路開展調試試驗。取樣測點與測量通道如表4所示。調試前按原理圖連接系統管路，取樣管路前端連接取樣探針并置于大氣環境，取樣罐抽真空至壓力約3.27 kPa，取樣時間設定為3.0 s。取樣開始與結束的時間點通過測試的取樣罐內壓力變化作為判定依據，壓力開始升高表明取樣開始，壓力停止升高表示取樣結束。

表4 取樣測點與測量通道Table 4 Sample measurement points and measurement channels

調試過程測試參數變化曲線如圖5所示。由圖可知，8.8 s時刻觸發取樣信號，電磁閥V1開啟，電磁閥V3關閉，取樣罐內壓力立刻上升；11.8 s時刻電磁閥V1關閉，取樣罐內壓力升高到最高點。整個取樣時間為3.0 s，取樣時間有效；壓力信號采集平穩，電磁閥精準控制，控制信號反應靈敏。這說明暫沖式燃氣取樣系統性能可靠，能滿足暫沖式測試要求。

圖5 調試試驗測試參數變化曲線Fig.5 Commissioning test parameter change curve

取樣結束時刻，取樣罐內的燃氣在取樣罐的壓力吸附與自身重力的綜合影響下仍保持流動性，燃氣的分子間不停地作無規則、隨機、混雜的熱運動，取樣罐內處于熱不平衡狀態，壓力升高。直至取樣罐內燃氣達到熱力平衡狀態，取樣罐內燃氣壓力才會略有降低直至穩定，符合氣體熱力學變化規律。

4.2 燃氣發生器取樣試驗驗證

燃氣發生器取樣試驗過程僅燃氣發生器工作，發動機燃燒室不點火。試驗前，調節空氣、氧氣的試驗壓力，匹配試驗所需的酒精流量。將六點取樣探針安裝至測量截面Ⅰ，取樣測點與測量通道如表4所示。旁排管路抽負時間設為14.0 s，試驗時間設為5.5 s。由試驗臺架控制暫沖式燃氣取樣系統聯動，完成燃氣發生器取樣試驗。

取樣過程各測試參數變化曲線如圖6所示。從圖中可知，12.0 s時刻燃氣發生器點火成功，測量截面壁面靜壓開始急劇上升；13.8 s時刻暫沖式取樣系統觸發取樣信號，電磁閥V1開啟，電磁閥V3關閉，取樣罐內壓力立刻上升；15.8 s時刻電磁閥V1關閉，取樣結束，取樣罐內壓力升高到最高點；17.5 s時刻燃氣發生器熄火，試驗結束。取樣開始時刻燃氣發生器已處于穩定工作狀態，取樣結束時刻燃氣發生器仍在工作，整個取樣過程在燃氣發生器有效工作范圍內，壓力信號采集平穩，取樣有效。

圖6 燃氣發生器取樣試驗取樣過程各測試參數的變化曲線Fig.6 Changes in test parameters of sampling process in gas generator sampling test

暫沖式燃氣取樣系統的取樣時間為2.0 s，取樣罐內燃氣壓力約為104～127 kPa，測點間取樣壓力不均勻。其原因有：燃氣發生器自身流場不均勻；超聲速流場內安裝的取樣探針會造成流場干擾，可能會在取樣探針前沿產生脫體激波；取樣探針的加工精度也會對測量結果帶來一定影響。由于取樣探針取樣時各測點間獨立進樣，即使各取樣罐內的壓力有所差別，但在滿足氣體分析儀器最低流量的情況下，取樣壓力不均勻對測量結果無明顯影響。

將存有燃氣的取樣罐依次連接真空泵B2、預處理系統和氣體分析儀，測量燃氣發生器出口測量截面組分，結果見表5。燃氣發生器穩定工作后，來流空氣、過量氧氣與燃料酒精發生燃燒反應，燃燒產物中O2含量約為22%，CO含量約為0.2%，CO2含量約為2.0%。通過所測得的O2分布趨勢可以看出，燃氣發生器油氣分布較一致，燃氣發生器出口流場較均勻。而燃燒生成的CO含量較多，CO2含量不高，預估燃氣發生器的燃燒效率偏低，與燃氣發生器的工況、組織燃燒等有關。

表5 燃氣發生器出口測試截面組分測量結果Table 5 Component measurement results of gas generator outlet test corss-section

4.3 發動機燃燒室取樣試驗驗證

發動機燃燒室取樣試驗中，燃氣發生器提前啟動，待穩定工作后發動機燃燒室點火。試驗前，調節燃氣發生器所需的空氣、氧氣壓力，匹配酒精流量，預先調節好發動機燃燒室燃油流量。將六點取樣探針安裝至測量截面Ⅱ，取樣測點與測量通道如表4所示。將旁排管路抽負時間改為14.1 s，試驗時間1.4 s。由試驗臺架控制燃氣發生器、發動機燃燒室與暫沖式燃氣取樣系統三者聯動，完成發動機燃燒室取樣試驗。

圖7 發動機燃燒室取樣試驗取樣過程各測試參數變化Fig.7 Changes in test parameters of sampling process in engine combustor sampling test

取樣過程測試參數變化曲線如圖7所示。從圖中可知，14.0 s時刻發動機燃燒室點火成功，測量截面壁面靜壓開始急劇上升；14.1 s時刻暫沖式燃氣取樣系統觸發取樣信號，電磁閥V1開啟、電磁閥V3關閉，取樣罐內壓力立刻上升；15.3 s時刻燃氣發生器熄火，試驗結束；15.5 s時刻電磁閥V1關閉，取樣結束，取樣罐內壓力升高到最高點。取樣開始時刻發動機燃燒室已處于穩定工作狀態，取樣結束時刻晚于發動機燃燒室0.1 s結束。考慮到取樣管路充滿了燃氣、燃氣微粒較好的跟隨性、取樣罐內壓力為負壓等因素，滯后0.1 s內所抽取的燃氣仍為有效樣氣，即整個取樣過程取樣有效。

暫沖式燃氣取樣系統的取樣時間為1.4 s，取樣罐內燃氣壓力為49.59～55.76 kPa，測點間取樣壓力分布較均勻。將存有燃氣的取樣罐依次連接真空泵B2、預處理系統和氣體分析儀，測量發動機燃燒室出口組分，結果見表6。燃氣發生器穩定工作所生成的燃燒產物繼續與燃料航空煤油在發動機燃燒室內發生燃燒反應，燃燒產物中O2含量約為8%，CO含量約為2%，CO2含量約為10%。通過所剩余的O2含量，推算燃燒室油氣分布偏差≯5%，采用理論溫升法推算燃燒室出口溫度約為2 121 K。燃燒室生成的CO2含量高，但因未對UHC和NOx組分進行測量，暫無法定量評估發動機燃燒室的燃燒效率。

表6 發動機燃燒室出口測試截面組分測量結果Table 6 Component measurement results of combustor outlet test cross-section

5 結論

針對超燃沖壓發動機燃燒室綜合性能測試的需求，基于組分測量法設計了一套適用于超聲速流場取樣測量的暫沖式燃氣取樣系統，并開展了調試試驗以及燃氣發生器和發動機燃燒室試驗驗證。結果表明，取樣系統壓力信號采集平穩，電磁閥控制精準，控制信號反應靈敏，系統性能可靠，滿足超聲速流場取樣測試要求。利用測試獲得的組分分析結果，采用理論溫升法推算燃燒室出口溫度約為2 121 K。本研究為評估超燃沖壓發動機燃燒室性能提供了新的研究思路。