孟剛，趙聰聰，孫用軍，董干，孫鑫，張瑜

（上海中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司試驗(yàn)測(cè)試中心，上海201108）

國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器綜述

孟剛，趙聰聰，孫用軍，董干，孫鑫，張瑜

（上海中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司試驗(yàn)測(cè)試中心，上海201108）

為適應(yīng)不同用途先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研制，美、英、法、德、俄等國(guó)建設(shè)了大量的燃燒室試驗(yàn)器。概述了國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)主要的燃燒室試驗(yàn)器類型，詳細(xì)介紹了各類試驗(yàn)器的總體參數(shù)、系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)布局、加溫方式、測(cè)試系統(tǒng)和特種測(cè)量等，分析了國(guó)內(nèi)燃燒室試驗(yàn)器的現(xiàn)狀及其與國(guó)外的差距，并提出相關(guān)建議。對(duì)我國(guó)新一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器的規(guī)劃和建設(shè)，具有一定的參考和借鑒意義。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒室試驗(yàn)器；性能測(cè)試；設(shè)備建設(shè)；美國(guó)；英國(guó)；俄羅斯

1　引言

燃燒室試驗(yàn)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制不可或缺的重要設(shè)備，歷來(lái)受到世界各先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制國(guó)的高度重視，并不惜投入巨資發(fā)展。近幾十年，燃燒室試驗(yàn)器的發(fā)展取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，主要體現(xiàn)在：①試驗(yàn)設(shè)備的能力進(jìn)一步提高?？諝鈮毫土髁吭黾樱諝忸A(yù)熱和制冷能力及承受高溫和高壓的能力增強(qiáng)［1］。②測(cè)試手段更先進(jìn)，參數(shù)測(cè)量精細(xì)化程度越來(lái)越高。燃燒室流態(tài)測(cè)量由粗放的水流模擬定性觀察逐步改進(jìn)為速度、壓力等的空間分布光學(xué)定量測(cè)量，無(wú)干擾式測(cè)量代替干擾式測(cè)量，固定式定點(diǎn)測(cè)量發(fā)展為旋轉(zhuǎn)掃描式測(cè)量，全環(huán)燃燒室出口溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)密度逐漸提高等。③數(shù)據(jù)采集與處理水平不斷提高。系統(tǒng)操作和控制的自動(dòng)化程度更高；傳感器體積更小，在試驗(yàn)件上可布置的數(shù)量更多；采集精度和速度進(jìn)一步提高，每次試驗(yàn)獲得的信息數(shù)據(jù)量更多。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)燃燒室的性能要求越來(lái)越高。原有的降壓降溫模擬試驗(yàn)已不能滿足新一代發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制需要，現(xiàn)代燃燒室試驗(yàn)都朝著全溫全壓的方向發(fā)展，這就對(duì)燃燒室性能試驗(yàn)測(cè)試方法及試驗(yàn)器相關(guān)指標(biāo)提出了更高的要求。為此，美、英、俄等航空強(qiáng)國(guó)，都建設(shè)了多套試驗(yàn)?zāi)芰軓?qiáng)的燃燒室試驗(yàn)設(shè)備，且還在不斷籌建參數(shù)水平更高的燃燒室試驗(yàn)器［2-4］。

本文結(jié)合近幾年航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器發(fā)展的最新訊息，對(duì)美、英、法、德、俄等航空強(qiáng)國(guó)的燃燒室試驗(yàn)器進(jìn)行了全面和細(xì)致的介紹，以期為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制提供思路和幫助。

2　國(guó)外燃燒室試驗(yàn)器

2.1美國(guó)

美國(guó)擁有航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器的主要機(jī)構(gòu)，有NASA格林研究中心、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司（GEAE）、普惠公司和羅·羅艾利遜發(fā)動(dòng)機(jī)公司。

2.1.1NASA格林研究中心

NASA格林研究中心擁有世界領(lǐng)先水平的多臺(tái)燃燒室試驗(yàn)器，能完成包括單頭部、扇形、全環(huán)三種形式的各種燃燒室性能試驗(yàn)，承擔(dān)過(guò)UEET、LEAP、JSF、RBCC等項(xiàng)目的試驗(yàn)研究任務(wù)。

2.1.1.1噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸燃燒室試驗(yàn)器［5］

該試驗(yàn)器（圖1）建于上世紀(jì)60年代末，主要用于考察噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸燃燒室高空點(diǎn)火、加速、耐久性和冒煙等方面問(wèn)題。試驗(yàn)器最高進(jìn)氣壓力0.8 MPa，最高進(jìn)氣溫度922 K，最大進(jìn)氣流量129 kg/s；可模擬先進(jìn)超聲速飛行器燃燒室除起飛狀態(tài)外的各種飛行狀態(tài)，模擬的最高飛行馬赫數(shù)為3，最高飛行高度為18 240 m；可承受的燃燒室最高平均出口溫度、熱點(diǎn)溫度分別為1 589 K和1 755 K，后經(jīng)設(shè)備改造這兩項(xiàng)指標(biāo)均又提高了555 K。

圖1　噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸燃燒室試驗(yàn)器總體布局Fig.1 Tester layout for full-scale combustor of turbojet engine

試驗(yàn)器進(jìn)氣預(yù)熱采用無(wú)污染間接加溫方式。基地的公用加溫系統(tǒng)可將氣源站來(lái)氣加溫至589 K，然后由試驗(yàn)器輔助加溫系統(tǒng)進(jìn)一步加溫至922 K。輔助加溫系統(tǒng)使用2臺(tái)管殼式換熱器，分別由2臺(tái)以天然氣為燃料的帶加力燃燒室的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱源，其標(biāo)準(zhǔn)升溫速率為44 K/min。換熱器管程走高溫燃?xì)?，進(jìn)口溫度達(dá)1 089 K；殼程走試驗(yàn)空氣，進(jìn)口溫度589 K，出口溫度最高922 K。

試驗(yàn)件進(jìn)氣溫度采用兩種方式調(diào)節(jié)：一種為通過(guò)輔助加溫系統(tǒng)調(diào)溫，即通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)供油量控制出口燃?xì)鉁囟葋?lái)調(diào)節(jié)空氣溫度；另一種為摻混調(diào)溫，即將流經(jīng)輔助加溫系統(tǒng)的主氣和不經(jīng)過(guò)輔助加溫系統(tǒng)的較冷空氣進(jìn)行摻混，并調(diào)節(jié)各自流量來(lái)達(dá)到調(diào)溫的目的。前者調(diào)溫速率較慢，適合大幅度調(diào)溫時(shí)使用；后者調(diào)溫速率較快，適合小范圍調(diào)試時(shí)使用。

燃燒室在試驗(yàn)器上除可模擬進(jìn)口狀態(tài)外，還可模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)出口環(huán)境。為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出口氣流速度分布，在燃燒室環(huán)形進(jìn)口通道的上下兩側(cè)裝有篩網(wǎng)。通過(guò)篩網(wǎng)的目數(shù)和徑向尺寸兩個(gè)參數(shù)很好地匹配，就能形成預(yù)期的壓氣機(jī)出口徑向流動(dòng)分布。篩網(wǎng)可固定在燃燒室機(jī)匣壁面上，或夾在燃燒室進(jìn)口法蘭之間。在燃燒室出口旋轉(zhuǎn)測(cè)溫耙之后和噴淋降溫之前的中間位置，裝有環(huán)形節(jié)流噴管，用于模擬渦輪第一級(jí)導(dǎo)葉的節(jié)流效應(yīng)。

燃燒室出口總壓和總溫由安裝在旋轉(zhuǎn)鼓筒上的3支水冷探針測(cè)量。旋轉(zhuǎn)鼓筒也帶有水冷套，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可正反向旋轉(zhuǎn)120°。出口探針位置最典型的是布置在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪一級(jí)導(dǎo)葉截面上，每支探針裝5個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)和5個(gè)總溫測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置按徑向等面積原則確定。移位探針系統(tǒng)用于及時(shí)測(cè)量燃燒室出口燃?xì)鉁囟确植迹灿?支均布的測(cè)量耙，每支可在120°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)3°，約7 min就可完成360°周向掃描。該裝置可測(cè)量的最高燃?xì)馄骄鶞囟葹? 500 K，熱點(diǎn)溫度為1 800 K。

試驗(yàn)件排氣管道采用循環(huán)冷卻水套+直接噴水相結(jié)合的方式降溫。燃?xì)饨禍睾罅鹘?jīng)排氣閥經(jīng)消聲處理后排向大氣。排氣閥為調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)試驗(yàn)件入口壓力。

試驗(yàn)器測(cè)試系統(tǒng)通道配置很豐富。采用一個(gè)64通道的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量差壓、非氣動(dòng)壓力和燃燒室出口探針的角向和線性位置，其中48個(gè)通道用于數(shù)據(jù)采集，16個(gè)通道用于監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況。氣動(dòng)壓力測(cè)量系統(tǒng)共有290個(gè)壓力測(cè)試通道，測(cè)量范圍0.002～1.300 MPa，測(cè)試精度達(dá)±0.1%FS。6通道高頻壓力測(cè)試系統(tǒng)用于測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，頻率范圍從穩(wěn)態(tài)到5 kHz。溫度測(cè)試系統(tǒng)采用3種不同類型熱電偶以適應(yīng)不同測(cè)溫范圍（常溫～1 921 K）。高溫（1 921 K）測(cè)量有48點(diǎn)，精度為讀數(shù)的±0.3%；中溫（355～1 478 K）測(cè)量有304點(diǎn)，精度為讀數(shù)的±0.4%。此外還有12個(gè)液體流量測(cè)試通道，48個(gè)振動(dòng)測(cè)試通道和40個(gè)溫度分布監(jiān)視通道。通道共計(jì)812個(gè)。

為適應(yīng)不同發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，試驗(yàn)器可提供3種溫度可調(diào)的燃料：天然氣（最高溫度922 K）、丙烷（最高溫度394 K）和ASTM-A1型燃油（最高溫度672 K）。

2.1.1.2先進(jìn)亞聲速燃燒室試驗(yàn)器（ASCR）

ASCR試驗(yàn)器是一個(gè)高溫高壓燃燒室試驗(yàn)器，主要用于研究高壓條件對(duì)燃燒室排放、耐久性和可操作性等方面的定量影響，能模擬最大發(fā)動(dòng)機(jī)壓比60、最高進(jìn)氣壓力6 MPa、最高排氣溫度2 144 K、最大進(jìn)氣流量23 kg/s的燃燒室性能試驗(yàn)［6］。開(kāi)展過(guò)多種類型的燃燒室試驗(yàn)，如常規(guī)富油燃燒室、多點(diǎn)貧油噴射（LDI）燃燒室和富油-RQL燃燒室等。

圖2示出了ASCR試驗(yàn)器總體布局。其空氣流路大致為：流量23 kg/s、壓力3.1 MPa的空氣從中央氣源系統(tǒng)分兩路進(jìn)入試驗(yàn)器，一路經(jīng)高壓壓氣機(jī)增壓到8.6 MPa用于高壓試驗(yàn)，另一路經(jīng)壓氣機(jī)旁路（不增壓）用于進(jìn)氣壓力小于3.1 MPa的試驗(yàn)?？諝膺M(jìn)入試驗(yàn)器后，由ASME標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量流量，再由管殼式換熱器加熱到要求的試驗(yàn)件進(jìn)口溫度，之后供入燃燒室試驗(yàn)件。試驗(yàn)件安裝在試驗(yàn)艙內(nèi)。試驗(yàn)艙內(nèi)徑約0.8 m，長(zhǎng)度約4 m，不銹鋼材質(zhì)［7］，內(nèi)表面帶有陶瓷隔熱涂層，可耐6 MPa的高壓和975 K的高溫。試驗(yàn)件出口高溫燃?xì)庀?、后?jīng)一級(jí)噴水和二級(jí)噴水冷卻降溫后排入大氣排氣塔。

圖2　ASCR試驗(yàn)器總體布局Fig.2 Layout of ASCR tester

除試驗(yàn)器主體部分外，還配有一系列供氣、供油、供水設(shè)施。供氣設(shè)施可分別為試驗(yàn)器提供主流和次流兩路壓縮空氣。主流為試驗(yàn)件供氣，進(jìn)口壓力0.3～6.2 MPa，流量1.4～23 kg/s，溫度505～950 K；次流為試驗(yàn)件局部提供冷卻用氣，最高壓力8.6 MPa，流量為主流的5%，溫度450～505 K。測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，空氣流量均采用孔板流量計(jì)測(cè)量，其測(cè)量不確定度為2%。供油設(shè)施共有10條獨(dú)立的供油管路，可為試驗(yàn)件提供最高供油壓力14 MPa、最大供油流量3 570 kg/h的Jet-A型燃油。燃油流量采用渦輪流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量不確定度為1%。供水設(shè)施共有10條供水管路，可提供兩種壓力的冷卻水：高壓噴淋水用于冷卻測(cè)試試驗(yàn)件出口污染排放的探針和排氣噴水降溫，其壓力約9.9 MPa，共6條管路，總流量約900 L/min；低壓循環(huán)水用于冷卻試驗(yàn)件本身，其壓力約1.7 MPa，共2條管路，總流量約380 L/min。

ASCR試驗(yàn)器的測(cè)試系統(tǒng)配置十分先進(jìn)且全面，除配置常規(guī)的溫度、壓力、流量測(cè)量?jī)x器外，還配有燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)和多種光學(xué)測(cè)試儀器。試驗(yàn)件溫度采用10支B型熱電偶和52只K型熱電偶測(cè)量，基本滿足各溫度段的測(cè)試要求。試驗(yàn)件壓力測(cè)試參數(shù)為：總靜壓測(cè)點(diǎn)52個(gè)，動(dòng)態(tài)壓力2個(gè)，差壓4個(gè)。其中動(dòng)態(tài)壓力傳感器最大量程690 kPa，分辨率高達(dá)0.014 kPa。

ASCR試驗(yàn)器的燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)功能全面，可測(cè)量CO、CO2、NOx、THC、O2和冒煙幾種成分的含量。其試驗(yàn)段共設(shè)有20根導(dǎo)管連接燃?xì)獠蓸犹结?，探針的設(shè)計(jì)和制造由用戶決定。燃?xì)獠蓸訉?dǎo)管在試驗(yàn)腔里采用蒸汽加熱，在試驗(yàn)腔外采用電加熱，使燃?xì)獠蓸颖３衷?50 K，以滿足SAE燃?xì)馀欧艤y(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。采樣燃?xì)獾膲毫νㄟ^(guò)兩組調(diào)節(jié)閥保持在200 kPa。

試驗(yàn)器配置了PLIF、PMS等4種光學(xué)測(cè)量?jī)x，通過(guò)在試驗(yàn)腔周向均布和在試驗(yàn)件相應(yīng)位置開(kāi)設(shè)的石英觀察窗測(cè)得試驗(yàn)所需參數(shù)。具體為：采用PLIF測(cè)試燃油、OH、CH，采用PMS測(cè)試油滴，采用化學(xué)發(fā)光法測(cè)試C2，采用拉曼光譜測(cè)試火焰溫度。

2.1.1.3CE-5B、CE-9B試驗(yàn)器

NASA發(fā)動(dòng)機(jī)科研大樓（ERB）［8］現(xiàn)有60多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)部件試驗(yàn)器，其中用于燃燒室試驗(yàn)的有CE-5B和CE-9B，每臺(tái)試驗(yàn)器都擁有單頭部和扇形兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)位。這兩臺(tái)試驗(yàn)器可實(shí)現(xiàn)的最大參數(shù)為：進(jìn)氣壓力3.2 MPa，進(jìn)氣流量13.6 kg/s，進(jìn)氣溫度1 005 K。

2.1.1.4ECRL-1B試驗(yàn)器

ECRL-1B試驗(yàn)器主要用于真實(shí)環(huán)境下測(cè)試和評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室性能。其進(jìn)氣壓力有0.3、0.9、1.0 MPa三檔，最大進(jìn)氣流量45.4 kg/s，并可通過(guò)無(wú)污染加熱器升溫到603 K。試驗(yàn)器不僅支持典型的JP-4、JP-5和Jet-A燃油，也支持其他類型燃料。

試驗(yàn)段長(zhǎng)約1.2～1.5 m，進(jìn)氣流被分成內(nèi)涵和外涵兩股，內(nèi)外涵流量之比通常為1.2，但也可通過(guò)更換孔板調(diào)節(jié)。內(nèi)涵氣流可被J-58燃燒室進(jìn)一步加熱到1 366 K。試驗(yàn)器可常壓排氣也可負(fù)壓排氣，負(fù)壓排氣時(shí)最大真空度能達(dá)到14 kPa（相當(dāng)于模擬15 240 m的高空）。

表1列出了NASA格林研究中心ASCR、ERB和ERCL燃燒室試驗(yàn)器的具體參數(shù)。

2.1.2GEAE

GEAE的燃燒室試驗(yàn)器數(shù)量較多，其中兩臺(tái)為其典型設(shè)備。一臺(tái)全環(huán)燃燒室試驗(yàn)器［9］，最高進(jìn)氣壓力約2.4 MPa，最大進(jìn)氣流量約49 kg/s，最高進(jìn)氣溫度約773 K，最高出口溫度約1 703 K，可用于H型燃?xì)廨啓C(jī)全狀態(tài)燃燒室試驗(yàn)。另一臺(tái)高壓扇形燃燒室試驗(yàn)器，其最高進(jìn)氣壓力3.8 MPa，最大進(jìn)氣流量23 kg/s，最高進(jìn)氣溫度866 K。為適應(yīng)型號(hào)研制需求，幾年前GEAE對(duì)此試驗(yàn)器進(jìn)行了升級(jí)改造，不僅提升了進(jìn)氣參數(shù)和供水供油能力，還增加了高空負(fù)壓引射系統(tǒng)。升級(jí)后的進(jìn)氣參數(shù)更新為：最高壓力4.1 MPa，最大流量54 kg/s，最高溫度977 K，最低排氣負(fù)壓20 kPa。

為適應(yīng)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制，GE公司于2014年投入1億美元在俄亥俄州伊文代爾建設(shè)了一個(gè)占地面積1 800 m2的燃燒室試驗(yàn)臺(tái)［10］。該試驗(yàn)臺(tái)于2015年完工，設(shè)有一個(gè)高約61 m的不銹鋼排氣管和3個(gè)平行的環(huán)形和扇形試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)是首個(gè)試驗(yàn)條件能超出目前在研的最先進(jìn)大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X循環(huán)工況的試驗(yàn)臺(tái)。

試驗(yàn)器氣源站采用3臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)，出口壓力高達(dá)8.3 MPa，出口溫度589 K，總流量約80 kg/s?？諝忸A(yù)熱系統(tǒng)采用天然氣+電的兩級(jí)串聯(lián)無(wú)污染加溫方式，即一級(jí)加溫器采用天然氣爐，二級(jí)加溫器采用德國(guó)西門子公司的歐司朗電加溫器［11］。一級(jí)加溫器出口溫度約923 K，二級(jí)加溫器出口溫度約1 113 K。

二級(jí)加溫器分為兩組，第一組8臺(tái)并聯(lián)，用于流量較大燃燒室試驗(yàn)臺(tái)加溫；第二組3臺(tái)并聯(lián)，為同一廠房?jī)?nèi)另一流量較小燃燒室試驗(yàn)臺(tái)加溫（兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)不同時(shí)工作）。試驗(yàn)器進(jìn)氣總管呈水平狀分布在頂部，依靠固定在天花板上的吊架活動(dòng)式固定。排氣總管呈水平狀分布在底部，依靠地面支架固定式支撐。每臺(tái)加溫器采用立式安裝，交錯(cuò)排列，熱膨脹采用彎管解決，無(wú)膨脹節(jié)。排氣總管在下游擴(kuò)徑減速，進(jìn)入整流器后流入試驗(yàn)件。試驗(yàn)時(shí)，8臺(tái)（或3臺(tái)）加溫器同時(shí)工作，所以每臺(tái)加溫器進(jìn)出口均無(wú)需安裝閥門。電加熱器布局與圖3所示的結(jié)構(gòu)近似。

圖3　試驗(yàn)器電加溫器布局示近似圖Fig.3 The similarity layout of tester electrical-warmer

電加溫器出口主管道耐壓需達(dá)8 MPa以上，耐溫1 113 K，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材十分關(guān)鍵。據(jù)悉，該段管道采用單層管壁結(jié)構(gòu)，無(wú)隔熱內(nèi)襯和循環(huán)水冷套，外部包覆較厚的保溫材料。管道材質(zhì)是高溫合金Inconel617，可耐1 373 K以內(nèi)高溫。管道公稱通徑約250 mm，壁厚25～30 mm，流量約50 m/s。

2.1.3普惠公司

普惠公司至少擁有8臺(tái)燃燒室試驗(yàn)器，其中典型的有以下4臺(tái)。

表1　NASA燃燒室試驗(yàn)器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of NASA combustor testers

（1）高壓全環(huán)燃燒室試驗(yàn)器（X-960，圖4）。主要用于全環(huán)燃燒室氣動(dòng)熱力試驗(yàn)和排放試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)為：最高進(jìn)氣壓力4.5 MPa，最大進(jìn)氣流量45 kg/s，進(jìn)氣溫度358～921 K，最高燃?xì)鉁囟? 088 K，最高供油壓力10 MPa，最大燃油流量7 900 kg/h。試驗(yàn)段設(shè)有高壓試驗(yàn)艙，艙內(nèi)徑約1.9 m。試驗(yàn)段進(jìn)氣采用燃燒加熱和間接換熱方式加溫。試驗(yàn)器具備全套的壓力、溫度和燃?xì)馊犹筋^及測(cè)量?jī)x器，能錄取各種性能數(shù)據(jù)和排放數(shù)據(jù)。

圖4　X-960試驗(yàn)器布局示意圖Fig.4 Arrangement of X-960 tester

（2）高壓扇形燃燒室試驗(yàn)器（X-903）。主要用于單頭部和扇形燃燒室試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)為：最高進(jìn)氣壓力4.3 MPa，最大進(jìn)氣流量11 kg/s，最高進(jìn)氣溫度921 K，最高供油壓力10 MPa，最大燃油流量2 160 kg/h。試驗(yàn)器有3套測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)量和錄取壓力、溫度、流量、燃燒性能和污染排放等數(shù)據(jù)。

（3）高空點(diǎn)火試驗(yàn)器（X-306）。主要用于模擬燃燒室從海平面到高空狀態(tài)的點(diǎn)火試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)為：最大冷卻能力226 K（空氣流量4 kg/s），最大抽氣量3 657 m3/min（5臺(tái)真空泵），最低排氣壓力7 kPa。

（4）全尺寸環(huán)形燃燒室流動(dòng)試驗(yàn)器。主要用于擴(kuò)壓器/燃燒室的流道和氣動(dòng)特性模擬試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)為：空氣壓力28 kPa，空氣流量4.5 kg/s，進(jìn)口溫度294～333 K。試驗(yàn)器有測(cè)量流量和壓力的儀器。

2.2英國(guó)

英國(guó)從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制主要為羅·羅公司。羅·羅公司在英國(guó)達(dá)比、哈特菲爾德、布列斯托爾和考文垂4個(gè)地區(qū)以及美國(guó)均有燃燒室試驗(yàn)器。

2.2.1達(dá)比

達(dá)比現(xiàn)有燃燒室試驗(yàn)器大體可分為三類：

（1）小流量試驗(yàn)器。包括一臺(tái)小型環(huán)形燃燒室試驗(yàn)器和兩臺(tái)環(huán)管燃燒室試驗(yàn)器。由三臺(tái)壓氣機(jī)供氣，每臺(tái)可供氣3.2 kg/s，壓力6.5 MPa。三臺(tái)壓氣機(jī)可先并聯(lián)再經(jīng)一臺(tái)活塞式壓氣機(jī)增壓至34 MPa。此外，該三臺(tái)試驗(yàn)器還可利用附近高空試驗(yàn)臺(tái)的氣流，其壓力可達(dá)12 MPa，預(yù)熱溫度773 K。

（2）全壓全流量環(huán)形燃燒室試驗(yàn)器?？蛇M(jìn)行全尺寸、全壓、全流量燃燒室試驗(yàn)。進(jìn)氣參數(shù)為：壓力2.5 MPa，流量113 kg/s，進(jìn)口溫度900 K。進(jìn)氣采用2臺(tái)煤油爐間接加溫。

（3）全溫環(huán)形燃燒室試驗(yàn)器?？蛇M(jìn)行全尺寸、全壓、全溫燃燒室試驗(yàn)，但羅·羅公司主要利用其進(jìn)行燃燒室火焰觀察，因此其進(jìn)氣壓力基本為大氣壓狀態(tài)，由低壓鼓風(fēng)機(jī)送氣。

2.2.2哈特菲爾德

哈特菲爾德現(xiàn)有一臺(tái)環(huán)形燃燒室試驗(yàn)器，可開(kāi)展兩種低壓進(jìn)氣狀態(tài)下的燃燒室試驗(yàn)，進(jìn)氣壓力0.49 MPa時(shí)進(jìn)氣流量61 kg/s，進(jìn)氣壓力0.9 MPa時(shí)進(jìn)氣流量14 kg/s。

2.2.3布列斯托爾

布列斯托爾有三臺(tái)燃燒室試驗(yàn)器。

（1）全環(huán)、全尺寸、全溫環(huán)形燃燒室試驗(yàn)器。進(jìn)氣壓力為常壓～4 MPa，進(jìn)氣溫度按需由煤油爐間接加溫控制。進(jìn)氣壓力0.5 MPa時(shí)進(jìn)氣流量60 kg/s。

（2）單管燃燒試驗(yàn)臺(tái)。進(jìn)氣壓力2.2 MPa，進(jìn)氣流量8 kg/s。

（3）全尺寸、全壓、全溫扇形燃燒室試驗(yàn)器。有兩種進(jìn)氣方式，進(jìn)氣壓力2.0 MPa時(shí)進(jìn)氣流量18 kg/s，進(jìn)氣壓力2.2 MPa時(shí)進(jìn)氣流量8 kg/s。進(jìn)氣由間接加溫器加溫，最高溫度923 K。

2.2.4考文垂

考文垂現(xiàn)有兩臺(tái)燃燒室試驗(yàn)器。一臺(tái)試驗(yàn)器進(jìn)氣參數(shù)為壓力0.9 MPa、流量5 kg/s，共4個(gè)試驗(yàn)臺(tái)位，可開(kāi)展單管或扇形燃燒室試驗(yàn)，還可通過(guò)空氣引射器模擬高空狀態(tài)，最低壓力為21 kPa。另一臺(tái)試驗(yàn)器為常壓、全尺寸環(huán)形燃燒試驗(yàn)器，壓力0.11 MPa，流量16 kg/s。

2.2.5羅·羅艾利遜發(fā)動(dòng)機(jī)公司

羅·羅艾利遜發(fā)動(dòng)機(jī)公司擁有大量試驗(yàn)設(shè)備，用于燃燒室試驗(yàn)的至少有4臺(tái)，其中較典型的有以下2臺(tái)。

（1）小型燃燒室試驗(yàn)器。主要用于模擬高空小燃燒室試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)為：進(jìn)氣壓力0.7 MPa時(shí)進(jìn)氣流量4.5 kg/s，進(jìn)氣壓力2.1 MPa時(shí)進(jìn)氣流量2.3 kg/s；進(jìn)氣溫度1 089 K；燃料為JP-4、JP-5和DF-2等。配備的測(cè)試系統(tǒng)有：K型熱電偶144個(gè)通道，J型熱電偶12個(gè)通道，Pt型熱電偶36個(gè)通道，壓力傳感器80個(gè)通道。另配有燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)，可滿足污染排放測(cè)量需要。

（2）大型燃燒室試驗(yàn)器。主要用于燃燒室性能試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)為：進(jìn)氣流量54 kg/s，進(jìn)氣壓力2.0 MPa，進(jìn)氣溫度1 089 K；制冷空氣流量40 kg/s，溫度205 K；抽氣流量27 kg/s，壓力35 kPa；燃料可采用JP-4、JP-5、DF-2、天然氣、丙烷等。配備的測(cè)試系統(tǒng)有：K型熱電偶126個(gè)通道，B型熱電偶20個(gè)通道，IIR型熱電偶14個(gè)通道，壓力180個(gè)通道。另配有燃?xì)夥治鱿到y(tǒng)，可滿足污染排放測(cè)量需要。

2.3德國(guó)

德國(guó)從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的機(jī)構(gòu)主要是德國(guó)航宇中心（DLR）。DLR至少擁有6臺(tái)燃燒室試驗(yàn)器，其中具有代表性的有4臺(tái)，代號(hào)分別為HBK1、HBK2、HBK3和HBK4，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　HBK1、HBK2、HBK3和HBK4試驗(yàn)器參數(shù)Table 2 Parameters of HBK1,HBK2,HBK3 and HBK4 testers

HBK1［12］為單頭部燃燒室試驗(yàn)器，其最高進(jìn)氣壓力2 MPa，最高進(jìn)氣溫度900 K，最大進(jìn)氣流量2.2 kg/s，燃燒室最高出口溫度2 400 K。該試驗(yàn)器壓力和流量等參數(shù)雖然不高，但測(cè)試手段十分全面和先進(jìn)，除配置燃?xì)夥治鰞x外，還配置了PIV、PDA、LDA和PLIF等多種光學(xué)測(cè)試儀器，可利用激光診斷技術(shù)對(duì)燃燒室進(jìn)行研究。圖5為試驗(yàn)器主體實(shí)物圖。

圖5　HBK1試驗(yàn)器主體設(shè)備圖Fig.5 Main part of HBK1 tester

HBK2［13］主要用于分級(jí)燃燒、全尺寸環(huán)形燃燒室及小型罐式燃燒系統(tǒng)的研究。該試驗(yàn)臺(tái)可提供所需的各種試驗(yàn)條件來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況，同時(shí)具備先進(jìn)的燃?xì)馀欧偶皽囟?、壓力測(cè)量系統(tǒng)。

HBK3［14］最早用于測(cè)試航天氫氧燃料推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，1995年改造為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)。目前，該試驗(yàn)器作為一個(gè)中型試驗(yàn)臺(tái)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及小型重負(fù)荷燃燒系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)環(huán)境。

HBK4［15］主要用于重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的全狀態(tài)試驗(yàn)，世界上最大的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室曾在該試驗(yàn)器上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。其參數(shù)水平在4臺(tái)試驗(yàn)器中最高，可以代表國(guó)際一流水平。其最高進(jìn)氣壓力4 MPa，最高進(jìn)氣溫度973 K，最大進(jìn)氣流量45 kg/s。進(jìn)氣加溫采用天然氣燃燒換熱方式。為滿足不同用途發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)需求，試驗(yàn)器配置了種類豐富的燃燒系統(tǒng)，除燃油外，還有天然氣、合成氣、丙烷等多種選擇。圖6為HBK4試驗(yàn)器排氣設(shè)備圖。

圖6　HBK4試驗(yàn)器排氣設(shè)備圖Fig.6 HBK4 tester exhaust facility

為滿足長(zhǎng)期合作伙伴Alstom和羅·羅公司低污染燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目研究的需要，DLR又新建了一臺(tái)高壓燃燒室試驗(yàn)器HBK5［16］。

2.4法國(guó)

法國(guó)參與航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的主要機(jī)構(gòu)有DGA飛行試驗(yàn)中心（CEPr）。CEPr有4臺(tái)燃燒室試驗(yàn)器，代號(hào)分別為A06、K8、K9和K11。A06為負(fù)壓試驗(yàn)器，用于燃燒室高空點(diǎn)火和穩(wěn)定邊界試驗(yàn)；K9為常壓試驗(yàn)器，用于基礎(chǔ)的燃燒室研究試驗(yàn)；K8和K11均為高溫高壓試驗(yàn)器，可模擬燃燒室真實(shí)運(yùn)行工況。

4臺(tái)試驗(yàn)器中，K11的參數(shù)水平最高，堪稱世界一流水平。試驗(yàn)器最高進(jìn)氣壓力6 MPa，最大進(jìn)氣流量100 kg/s，最高進(jìn)氣溫度1 073 K［17］。試驗(yàn)段冷卻空氣最高壓力6.3 MPa，溫度323 K，最大流量5 kg/s。燃油最高壓力16 MPa，最大流量40.2 m3/h。燃燒室出口測(cè)量段循環(huán)冷卻水最高壓力7 MPa，最大流量70 m3/h。為防止噴嘴燃油結(jié)焦，試驗(yàn)器還配有吹氮系統(tǒng)。K11試驗(yàn)器概貌如圖7所示。

圖7　K11試驗(yàn)器遠(yuǎn)視圖Fig.7 Distant vision of K11 tester

K11試驗(yàn)器可滿足并主要用于直徑0.3～1.0 m的全環(huán)燃燒室全工況試驗(yàn)。試驗(yàn)段長(zhǎng)約1.1 m，燃燒室內(nèi)外環(huán)最大引氣量為20 kg/s?？砷_(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目包括燃燒室氣動(dòng)性能測(cè)試、點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定性測(cè)試、貧油熄火測(cè)試，以及燃?xì)夥治龊兔盁煖y(cè)量。燃燒室出口配有旋轉(zhuǎn)移位測(cè)量裝置（圖8），采用4支測(cè)量耙，既可連續(xù)式掃描又可間歇式掃描，能滿足出口壓力、溫度和燃?xì)夥治龅?60°掃描測(cè)量。出口溫度測(cè)量最高達(dá)2 073 K，燃?xì)夥治鲎罡邷囟冗_(dá)2 573 K。4支測(cè)試耙使用的冷卻水最大流量為37.7 m3/h［18］。

圖8　K11試驗(yàn)器旋轉(zhuǎn)移位測(cè)試裝置Fig.8 Rotating displacement measurement facility of K11 tester

2.5俄羅斯

俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）是俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要研制單位，擁有較為全面的燃燒室試驗(yàn)器（從單頭部、扇形到全環(huán)，從負(fù)壓、常壓到高壓）。其中，低、中壓試驗(yàn)氣源供氣流量達(dá)250 kg/s，壓力達(dá)1.2 MPa，空氣預(yù)熱溫度達(dá)900 K；高壓全環(huán)燃燒室試驗(yàn)器的燃燒室進(jìn)口溫度達(dá)1 100 K，出口溫度達(dá)2 300 K，試驗(yàn)壓力超過(guò)2 MPa。還計(jì)劃建立壓力5 MPa、流量120 kg/s的燃燒室試驗(yàn)器［19］。

CIAM具有代表性燃燒室試驗(yàn)器有Ц5-1、Ц5-2和Ц5-4［20］，可模擬地面和高空狀態(tài)進(jìn)行燃燒室或其試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯吭囼?yàn)。根據(jù)其功能和試驗(yàn)?zāi)芰Γ?5-1用于單/雙涵道大尺寸渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃燒室、加力燃燒室和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)；Ц5-2主要用于高溫高壓條件下的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)；Ц5-4用于穩(wěn)定器模型、火焰筒冷卻和其他燃燒室部件試驗(yàn)，1988年被改造為小型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器。3臺(tái)試驗(yàn)器均采用無(wú)污染進(jìn)氣加溫系統(tǒng)，最高進(jìn)氣溫度可達(dá)到1 100 K；具備快速的燃?xì)獠蓸雍头治鱿到y(tǒng)，并配有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)時(shí)，燃燒室出口最低排氣壓力可達(dá)5 kPa；帶有制冷和制熱的燃油供給系統(tǒng)，可將燃油溫度控制在200～500 K；具備蒸氣供給系統(tǒng)，可在不同空氣濕度下進(jìn)行試驗(yàn)。另外，CIAM還擁有研究工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的高壓試驗(yàn)器，最高進(jìn)氣壓力達(dá)5 MPa?？捎糜陂_(kāi)展輻射特性、燃燒室熱力狀態(tài)、振蕩燃燒特性、點(diǎn)火特性和動(dòng)態(tài)應(yīng)力等研究。燃料供應(yīng)種類豐富，有煤油、柴油、天然氣和氫氣。試驗(yàn)器參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　CIAM主要燃燒室試驗(yàn)器參數(shù)表Table 3 Parameters of CIAM main combustor testers

3　國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)比

在我國(guó)，經(jīng)過(guò)幾代人幾十年不懈的努力，航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)科研單位也建起了一批燃燒室試驗(yàn)設(shè)備，為我國(guó)軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室研制打下一定基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)的燃燒室試驗(yàn)器雖然也在根據(jù)新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要不斷更新?lián)Q代，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在不小差距，主要體現(xiàn)在：

（1）試驗(yàn)器進(jìn)氣壓力。受國(guó)內(nèi)離心式空壓機(jī)水平限制，國(guó)內(nèi)目前最先進(jìn)的試驗(yàn)器氣源系統(tǒng)壓力停留在5 MPa的水平，試驗(yàn)段進(jìn)口最高壓力也只剛超過(guò)4 MPa；而國(guó)外的氣源壓力已有達(dá)到8 MPa以上的先例，試驗(yàn)段進(jìn)口壓力也達(dá)到了6 MPa以上。

（2）試驗(yàn)器加溫系統(tǒng)。在電加溫器方面，國(guó)內(nèi)技術(shù)尚不成熟，應(yīng)用也不普及。尤其是高溫高壓電加溫器在使用過(guò)程中溫升速率較慢，且故障率較高；而國(guó)外的高溫高壓電加溫器溫升相對(duì)較快，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟度較高。在天然氣爐方面，目前國(guó)內(nèi)投入使用的天然氣爐最高壓力只能達(dá)到3 MPa，而國(guó)外8 MPa的天然氣爐已有應(yīng)用。這就導(dǎo)致國(guó)內(nèi)目前能開(kāi)展全溫全壓的試驗(yàn)器較少，大部分試驗(yàn)器都處在800 K、2.5 MPa的中溫中壓水平，多數(shù)試驗(yàn)只能進(jìn)行降溫降壓試驗(yàn)。

（3）燃燒室污染物排放測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)污染物排放測(cè)量普遍采用的規(guī)范，都是上世紀(jì)80年代末國(guó)內(nèi)出版的較早行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)際規(guī)范關(guān)注較少；而國(guó)外普遍采用國(guó)際公認(rèn)的ICAO和SAE近幾年流行的最新標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

目前，隨著國(guó)際形勢(shì)的復(fù)雜多變及國(guó)內(nèi)自身安全的需要，國(guó)家已把高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制列為十三五重大專項(xiàng)計(jì)劃之首?？v觀國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)器的發(fā)展概況，結(jié)合國(guó)內(nèi)燃燒室試驗(yàn)器現(xiàn)狀，提出以下兩點(diǎn)建議供業(yè)內(nèi)人士參考：

（1）建設(shè)高溫高壓試驗(yàn)器時(shí)，由于國(guó)內(nèi)部分產(chǎn)品技術(shù)（如耐高溫高壓的閥門、膨脹節(jié)和電加溫器等）還不成熟可靠，而國(guó)外這些產(chǎn)品技術(shù)相對(duì)成熟且應(yīng)用廣泛，因此建議直接采用國(guó)外成熟產(chǎn)品來(lái)搭建試驗(yàn)器的加溫系統(tǒng)及其出口管路，從而提升整個(gè)試驗(yàn)器的運(yùn)行可靠性，提高試驗(yàn)效率；

（2）緊跟國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，提早計(jì)劃和啟動(dòng)與國(guó)際接軌并滿足我國(guó)未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)更高參數(shù)燃燒室研制要求的高溫高壓燃燒室試驗(yàn)器的規(guī)劃論證和建設(shè)工作，充分保障我國(guó)下一代先進(jìn)軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研制需要。

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Foreign advanced combustion test facilities for aero-engine

MENG Gang，ZHAO Cong-cong，SUN Yong-jun，DONG Gan，SUN Xin，ZHANG Yu
（Center for Instrumentation&Rig Testing，Shanghai AVIC Commercial Aircraft Engine Manufacturing Co.，Ltd，Shanghai 201108，China）

Lots of combustor test facilities were built for different purposes by U.S,Great Britain,France, Germany and Russia to meet the requirements of advanced combustor development.The main types of tester of foreign research organizations were introduced,and the key information such as overall parameters, layout,heating type,instrumentation and emission measurement of these test facilities were presented in detail.At last,the present situation in our country and the gap between abroad and domestic were summarized.Additionally,some suggestions were also given.It could be referential in the process of planning and designing the next generation combustor test facilities of our country.

aero-engine；combustor tester；performance test；test facility construction；U.S；Great Britain；Russia

V241.06

A

1672-2620（2016）03-0055-08

2015-05-21；

2015-09-20

孟剛（1981-），男，陜西漢中人，工程師/主管設(shè)計(jì)師，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)。