鄒 運(yùn)，萬 斌，胡迎明，韓 冰

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)提高推重比的主要途徑之一是提高主燃燒室溫升和出口溫度。當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)的燃燒室溫升達(dá)1150 K[1]，熱點(diǎn)溫度高達(dá)2300 K 以上，而更高推重比的航空發(fā)動機(jī)燃燒室溫升將高達(dá)1400 K，熱點(diǎn)溫度將超過2500 K。在傳統(tǒng)測溫方式已經(jīng)不適用的條件下，準(zhǔn)確測量2500 K 乃至更高燃?xì)鉁囟瘸蔀楦邷厣紵已兄浦械钠款i技術(shù)之一[2-3]。

范傳新[4]指出溫度測量方法通常可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法兩大類；鄧進(jìn)軍等[5]分析接觸式測溫法與非接觸式測溫法對航空機(jī)壁溫的影響，得出了非接觸式測溫法應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)具有更好的發(fā)展前景。對于航空發(fā)動機(jī)燃燒室高溫燃?xì)?，目前主要測溫方法采用的是接觸式測溫法——熱電偶法，美國PW 公司研究出的動態(tài)補(bǔ)償氣體溫度的熱電偶法可用于1650 ℃的燃?xì)鉁y量。蔡錫松[6]通過對熱電偶溫度計(jì)量誤差與修正方法的分析，發(fā)現(xiàn)熱電偶的不穩(wěn)定性、不均勻性、參考端溫度變化以及熱電偶安裝使用不當(dāng)都可以引起測量誤差；為了提高測溫精度與裕度，張虎等[7]對非接觸式測量中的光學(xué)測量的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述，指出存在光學(xué)測溫建設(shè)成本高、測量理論模型不完善以及對測試樣本要求高等缺陷問題，目前還無法應(yīng)用于燃燒室出口溫度測量；韓冰等[8]將非接觸式測溫法中的燃?xì)夥治龇☉?yīng)用于航空發(fā)動機(jī)高溫升燃燒室出口溫度場的測量，證明了燃?xì)夥治龇ㄊ? 種可靠的高溫測試技術(shù)，并具有用于更高燃?xì)鉁囟葴y量的潛力。

本文以中國第1 套多通道、高精度的燃?xì)夥治龇ǜ邷販y試系統(tǒng)為平臺[9]，探索技術(shù)相對成熟的雙鉑銠熱電偶、可測較高溫度的銥銠熱電偶與燃?xì)夥治? 種測溫方法對某高溫升扇形燃燒室試驗(yàn)件出口溫場的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

航空發(fā)動機(jī)主燃燒室研發(fā)過程需要開展多輪次和多方案的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，在整個研發(fā)試驗(yàn)周期內(nèi)，試驗(yàn)器按結(jié)構(gòu)形式可分為單頭部、扇形和全環(huán)試驗(yàn)器，按照試驗(yàn)條件可分為常壓、中壓和高壓試驗(yàn)器。中壓試驗(yàn)器的試驗(yàn)壓力通常為0.4～1.2 MPa，相比于常壓試驗(yàn)器能較為真實(shí)地反映燃燒室的流動、溫度分布、火焰筒壁面熱區(qū)、污染物排放及耐久性等指標(biāo)[10]。

本文選用高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗(yàn)件在中壓狀態(tài)下開展試驗(yàn)，試驗(yàn)采用RP3 航空煤油（GB 6537-94）。為保證燃燒室試驗(yàn)件進(jìn)口流場溫度和壓力的均勻性，在燃燒室試驗(yàn)件進(jìn)口增加了長直管段和穩(wěn)壓裝置，進(jìn)口空氣流量和進(jìn)口空氣壓力的調(diào)節(jié)通過進(jìn)氣、旁路、放氣和排氣閥門的配合來實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示。

燃燒室進(jìn)口空氣總壓和總溫利用壓力和溫度受感部及壓力變送器通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集和處理。燃燒室進(jìn)口參數(shù)測量截面布置在進(jìn)口測量段后部，在同一截面的壁面上沿周向設(shè)置1 個總壓測量點(diǎn)和2 支3點(diǎn)溫度測量熱電偶，進(jìn)口空氣總溫取其中最高3 點(diǎn)的平均值。在燃燒室出口設(shè)有3 支溫度采集耙，分別為雙鉑銠熱電偶、銥銠熱電偶和燃?xì)夥治霾杉?，其中熱電偶采集耙電偶絲采用陶瓷管結(jié)構(gòu)保護(hù)，燃?xì)夥治霾杉也捎盟溲b置對燃?xì)膺M(jìn)行冷卻。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

為了排除多次試驗(yàn)環(huán)境變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響，通過出口測試擺盤一次性旋轉(zhuǎn)270毅，分別完成雙鉑銠、銥銠及燃?xì)夥治? 種方式對溫場數(shù)據(jù)的采集，每支電偶采集耙有5 個測點(diǎn)，每3毅進(jìn)行1 次測量，共測量29 個位置、145 個溫度點(diǎn)。3 支溫度采集耙布置方式和采集過程如圖2 所示。

圖2 溫度采集耙布置方式和采集過程

2 試驗(yàn)結(jié)果

對高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)時，進(jìn)口空氣由回?zé)崞骱碗娂訙仄鏖g接加溫，空氣流量采用孔板流量計(jì)測量。根據(jù)每種電偶采集溫度的范圍，裝配電偶時，沿順時針方向依次裝配燃?xì)夥治鋈悠?、銥銠電偶和雙鉑銠電偶，以保證在油氣比為0.033和0.037 時，雙鉑銠電偶不進(jìn)入燃燒室出口區(qū)域，而銥銠電偶可根據(jù)燃燒室出口溫度的高低選擇是否進(jìn)入采集區(qū)域。試驗(yàn)狀態(tài)見表1。

在油氣比為0.03 時，采用3 種測溫方式獲得的5頭部扇形燃燒室145 個溫度點(diǎn)對比如圖3 所示。

從圖中可見，3 種測溫方式測得的5 頭部扇形燃燒室出口溫度分布規(guī)律基本一致，因此可采用燃燒室出口平均溫度與最高溫度評價3 種測溫方式對試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果如圖4、5 所示。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)

圖3 145 個溫度點(diǎn)對比

圖4 出口最高溫度

圖5 出口平均溫度

從圖4、5 中可見，雙鉑銠電偶和銥銠電偶所測取的最高溫度和平均溫度相近。燃?xì)夥治鰷y量的最高溫度和平均溫度都比雙鉑銠電偶和銥銠電偶所測取的結(jié)果高，并且隨著油氣比的增大，燃?xì)夥治雠c鉑銠電偶和銥銠電偶的溫差逐漸增大。

3 種測溫方式在不同油氣比下燃燒室出口溫度分布系數(shù)TO（Overall Temperature Distribution Factor，OTDF）和徑向出口溫度分布系數(shù)TR（Radial Temperature Distribution Factor，RTDF）的對比見表2、3。

表2 3 種測溫方式在不同油氣比下TO 對比

表3 3 種測溫方式在不同油氣比下TR 對比

從表中可見，隨著油氣比的增大，3 種測溫方法獲得的TO逐漸減小，TR呈現(xiàn)不規(guī)律變化。

3 數(shù)值仿真

3.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

本文的計(jì)算模型以高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，選取其中1/5 個頭部結(jié)構(gòu)，并對定位安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化得到。在網(wǎng)格劃分過程中，將計(jì)算模型分成71 個體，采用4 面體和6 面體相結(jié)合的方法進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格數(shù)為813 萬，如圖6 所示。

3.2 計(jì)算設(shè)置

選用商業(yè)軟件Fluent 對計(jì)算模型的流動及燃燒過程進(jìn)行數(shù)值仿真，其主要參數(shù)設(shè)置見表4。

圖6 計(jì)算模型與網(wǎng)格

表4 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

3.3 計(jì)算結(jié)果

在數(shù)值仿真過程中，選用與試驗(yàn)實(shí)際情況相同的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，完成油氣比為0.030、0.033 及0.037 下的數(shù)值計(jì)算，結(jié)果見表5 并如圖7 所示。

表5 計(jì)算結(jié)果

圖7 計(jì)算溫度

4 結(jié)果分析

從表5 中可見，數(shù)值計(jì)算得到的3 種油氣比下的燃燒效率均大于99%，可認(rèn)為數(shù)值仿真得到的出口平均溫度與理論溫度相等，但由于數(shù)值仿真無法模擬燃燒過程中的湍流脈動，導(dǎo)致出口溫度分布及熱點(diǎn)溫度相比于實(shí)際情況存在一定偏差，因此本文僅選擇數(shù)值仿真得到的出口平均溫度作為標(biāo)準(zhǔn)對3 種測試方式進(jìn)行誤差分析。

4.1 誤差對比

高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗(yàn)件在油氣比為0.030、0.033 和0.037 下，3 種測溫方式獲得出口平均溫度數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

從圖中可見，鉑銠與銥銠2 種熱電偶測溫結(jié)果低于計(jì)算值，而燃?xì)夥治龇y溫結(jié)果高于計(jì)算值。并且隨著油氣比的增大，即隨著出口的溫度的升高，鉑銠與銥銠2 種熱電偶法的偏差呈不同程度的增大，燃?xì)夥治龇ǖ钠钪饾u減小。鉑銠熱電偶、銥銠熱電偶與燃?xì)夥治龇ㄏ鄬τ谟?jì)算值的誤差分別為3%～3.5%、5%～6.5%、0～1.1%。

圖8 數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果

4.2 誤差分析

熱電偶作為1 種利用電動勢與參考端和測量段溫差的單值關(guān)系以實(shí)現(xiàn)溫度測量的方法，其標(biāo)定通常在高溫爐中進(jìn)行，而在測量組分復(fù)雜的燃?xì)鉁囟葧r，由于熱電偶與高溫氣體和煙氣之間存在輻射換熱損失，其損失程度隨燃?xì)鉁囟鹊纳叨黾印?/p>

此外，在試驗(yàn)過程中，由于試驗(yàn)件的振動，保護(hù)電偶絲的陶瓷管結(jié)構(gòu)在油氣比為0.033 的高溫中出現(xiàn)裂紋與碎裂現(xiàn)象，進(jìn)一步增加了輻射換熱損失，因此本文2 種熱電偶的測量溫度低于氣體實(shí)際溫度。

本文采用的電偶絲分別為雙鉑銠、銥銠2 種高溫合金的B 型熱電偶，其中雙鉑銠熱電偶長期最高使用溫度為1600 ℃，短期最高使用溫度為1800 ℃[11-13]，銥銠熱電偶相比于雙鉑銠熱電偶，其耐溫性更好，理論上最高可測2000 ℃以內(nèi)的高溫燃?xì)?，但其抗氧化性較差，在高溫條件下更容易被燃?xì)庋趸g[14-15]，在油氣比為0.033 時測溫后，銥銠電偶已經(jīng)基本被氧化，因此，在相同條件下，銥銠電偶的測溫誤差高于雙鉑銠熱電偶的。

5 結(jié)論

本文通過對比雙鉑銠熱電偶、銥銠熱電偶和燃?xì)夥治? 種測溫方法獲得的高溫升燃燒室溫度場試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）燃?xì)夥治?、雙鉑銠熱電偶和銥銠熱電偶3 種方法均可用于評價出口溫度場品質(zhì)；

（2）在相同條件下，燃?xì)夥治鰷y量溫度高于計(jì)算溫度，銥銠熱電偶與雙鉑銠熱電偶測量溫度低于計(jì)算溫度，而雙鉑銠熱電偶測量溫度低于銥銠熱電偶的；

（3）隨著燃?xì)鉁囟鹊纳撸細(xì)夥治鰷y試誤差逐漸減小，而雙鉑銠與銥銠熱電偶測試誤差逐漸增大，在油氣比為0.033 時，燃?xì)夥治稣`差為1.1%，雙鉑銠熱電偶誤差為3.4%，銥銠熱電偶誤差為4.6%。