劉維兵，趙仕志，成露，艾松

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

1 前言

燃燒器作為燃氣輪機的三大核心部件，其主要作用是將燃料中含有的化學(xué)成份能通過燃燒化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成熱能，形成高溫、高壓的燃燒產(chǎn)物，推動透平做功。某型燃燒器為我公司獨立開發(fā)的第一款燃燒器，其采用N只燃燒筒均布排列設(shè)計，天然氣作為燃料，設(shè)計出口溫度約1 400℃。

某新型燃燒器熱態(tài)試驗分為常壓和實壓兩個部分，常壓試驗為實壓試驗的模化試驗，除了出口壓力和效率相較實壓稍低外，其溫度場分布、流動特性等基本相同。進行常壓試驗的根本目的就是找到燃燒器工作規(guī)律，為修正燃燒器設(shè)計方法、累積實壓試驗和提高產(chǎn)品運行可靠性提供技術(shù)準(zhǔn)備和運行經(jīng)驗。

對于全新設(shè)計的燃燒器而言，初次進行熱態(tài)常壓試驗面臨很多不可預(yù)測的安全風(fēng)險。其中最為嚴(yán)重的就是由于超溫、脈動壓力激振等因素造成的燃燒筒局部失效問題。國內(nèi)外開展了很多燃燒器試驗方面的研究工作。李彬等對浮動壁火焰筒壁溫進行了試驗研究[1]；肖隱利等對純凈空氣來流的超音速試驗室燃燒室進行了試驗研究[2]；祁海鷹等采用試驗方法對燃燒室出口溫度分布的偏差問題進行了研究[3]；鄧君香等對運用試驗方法對脈沖爆震燃燒室與渦輪組合的性能進行了研究[4]；王能等對微型燃氣輪機富氧燃燒室進行了數(shù)值和試驗研究[5]；Dean A J等對燃燒室的脈沖爆震進行了研究介紹[6]；Glaser A等對脈沖爆震發(fā)動機性能進行了試驗測試[7]等。當(dāng)前國內(nèi)外對燃燒器燃燒筒的研究主要集中在溫度、脈動壓力等方面，采用高溫應(yīng)變片測量動應(yīng)變的方法評估燃燒筒的強度安全性研究目前很少。因此，為保證該新型燃燒器的試驗安全可靠，采用高溫應(yīng)變片對燃燒筒動應(yīng)變進行監(jiān)測十分必要。

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

試驗用燃燒室為全尺寸設(shè)計，整機采用N只燃燒室均布排列，每只燃燒室的工作特性基本相同。為便于開展試驗工作，燃燒室試驗臺外缸采用了1/N弧度設(shè)計。燃燒室試驗臺如圖1所示。燃燒筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 某新型燃燒室試驗臺

圖2 燃燒筒結(jié)構(gòu)

2.2 高溫應(yīng)變片

燃燒不穩(wěn)定產(chǎn)生的脈動壓力主要對燃燒室的安全性產(chǎn)生影響，為此，試驗時僅需在燃燒室上布置高溫應(yīng)變片傳感器即可。高溫應(yīng)變片是一種可耐溫超1 000℃的電阻測量傳感器。其設(shè)計有溫度補償結(jié)構(gòu)，可有效減小高溫對應(yīng)變測量結(jié)果的影響。燃燒室動應(yīng)變測量用高溫應(yīng)變片如圖 3所示。

圖3 高溫應(yīng)變片

理論上高溫應(yīng)變片可同時測量結(jié)構(gòu)的動應(yīng)變和靜應(yīng)變。但由于高溫應(yīng)變片電阻絲材料種類單一，通常不能匹配被測材料的線脹系數(shù)。另一方面靜態(tài)應(yīng)變測量結(jié)果受到溫度的影響較大，溫度越高，產(chǎn)生的溫飄現(xiàn)象越嚴(yán)重，靜應(yīng)變結(jié)果偏差也就越大。由于這兩個原因，造成了應(yīng)變的靜態(tài)測量值不可靠。

2.3 貼片方式

高溫應(yīng)變片的貼片方式主要包含貼片位置和貼片方向兩種。某新型燃燒筒采用六片高溫應(yīng)變片進行筒體的動應(yīng)變測量。高溫應(yīng)變片的貼片位置和方向根據(jù)筒體模態(tài)振型而定。燃燒筒的模態(tài)一階振型如圖4所示。高溫應(yīng)變片貼片方式如圖5所示。

圖4 燃燒筒模態(tài)1階振型

圖5 高溫應(yīng)變片貼片方式

2.4 采集系統(tǒng)

動應(yīng)變數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析及存儲系統(tǒng)為DEWESoft軟件。測量應(yīng)變片使用最為廣泛的理論是惠斯通電橋。這種電橋包括四個電阻。對于有溫度補償片的高溫應(yīng)變片而言，一個應(yīng)變片在基體的主軸方向，另一個應(yīng)變片在垂直橫向上用于溫度補償。鑒于這種測量類型，這里采用了半橋電路設(shè)置。該采集系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 DEWESoft測試系統(tǒng)

3 試驗結(jié)果

整個常壓熱態(tài)試驗階段主要進行了點火邊界、熄火邊界和升負荷（溫度）試驗。根據(jù)動應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果來看，試驗過程中測得的最大動應(yīng)變基本出現(xiàn)在升負荷（溫度）過程中。這主要是因為脈動壓力激振為燃燒筒提供了激振力，因而燃燒筒體上產(chǎn)生了動應(yīng)變。因此，當(dāng)燃燒脈動壓力振幅最大時，高溫應(yīng)變片將會測得最大的動應(yīng)變信號。高溫應(yīng)變片測得最大動應(yīng)變信號時對應(yīng)的脈動壓力傳感器所測得的幅頻信號如圖8所示。

圖7 脈動壓力測量信號

圖 8所示為該時刻壓力脈動最大時六片高溫應(yīng)變分別測得的1 000 Hz以內(nèi)的動應(yīng)變幅頻信號。常壓熱態(tài)試驗過程中，激振幅值顯著的脈動頻率基本都位于150 Hz以內(nèi)的相對低頻范圍，高于此頻率的脈動激振相較平緩。所有應(yīng)變片監(jiān)測結(jié)果顯示：動應(yīng)變幅值隨頻率增大而不斷衰減。

圖8 動應(yīng)變監(jiān)測信號

4 數(shù)據(jù)分析

高溫應(yīng)變片的測量結(jié)果為微應(yīng)變，為直觀反應(yīng)燃燒器筒體的應(yīng)力水平，需要將動應(yīng)變折合為動態(tài)應(yīng)力。由于常壓熱態(tài)試驗中，燃燒筒的金屬溫度不斷發(fā)生變化。因此，進行動態(tài)應(yīng)力計算所需材料彈性模量也是一動態(tài)變化數(shù)據(jù)。但如果動應(yīng)力計算采用室溫下的彈性模量，這樣計算出的動應(yīng)力偏大，應(yīng)力評估偏保守。表 1給出了整個常壓熱態(tài)試驗過程中六片高溫應(yīng)變片分別測出的最大動應(yīng)變及評估結(jié)果。從分析結(jié)果上看，燃燒筒上六個高溫應(yīng)變片測量出的動應(yīng)變都很小，遠低于材料高周疲勞極限，試驗全程未檢測到異常的應(yīng)變突變。

表1 熱態(tài)常壓試驗過程中測量的最大動應(yīng)變有效值范圍

5 試驗結(jié)論

高溫應(yīng)變片測得的動應(yīng)變由燃燒脈動壓力激振引起，燃燒壓力脈動最大時，燃燒筒上的動應(yīng)變亦為最大。燃燒器試驗件筒體上六片高溫應(yīng)變片在整個常壓熱態(tài)試驗過程中測量出的動應(yīng)變都很小，遠低于材料高周疲勞極限，試驗全程中未檢測到異常的應(yīng)變突變。因此，熱態(tài)常壓試驗過程中燃燒器試驗件筒體強度安全。