王 豐，吉洪湖，黃 偉

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016)

為了發(fā)展發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身技術(shù)，國內(nèi)外圍繞發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的紅外輻射展開了大量研究。李偉等［1］通過數(shù)值計算的方法研究了不同鋸齒對二元噴管紅外特征的影響。黃偉等［2］通過數(shù)值計算的方法研究了表面溫度和發(fā)射率對排氣系統(tǒng)紅外輻射的抑制作用。單勇等［3］通過實驗研究了中心錐氣膜冷卻結(jié)構(gòu)對紅外輻射的影響。劉福城等［4］通過數(shù)值計算的方法研究了二元引射噴管對紅外輻射的影響。黃偉等［5］通過實驗研究了在噴管內(nèi)加入對流輻射板對熱噴流紅外輻射的抑制效果。陳翾等［6］通過數(shù)值計算的方法研究了基于涂料性能參數(shù)的紅外隱身技術(shù)。以上的研究工作均是針對特定發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模型開展的，極大制約了發(fā)動機(jī)紅外隱身能力的發(fā)展。

Decher等［8］在發(fā)動機(jī)總體性能設(shè)計階段通過選擇發(fā)動機(jī)總體設(shè)計參數(shù)來降低發(fā)動機(jī)的紅外輻射，可大大降低發(fā)動機(jī)的紅外輻射特征。毫無疑問，在發(fā)動機(jī)總體設(shè)計階段就考慮紅外隱身的思想是極具價值的。

發(fā)動機(jī)總體性能參數(shù)包括涵道比、渦輪前溫度、增壓比等。本文通過兩組實驗研究了涵道比對發(fā)動機(jī)壁面溫度和紅外輻射特征的影響。

1 實驗測量系統(tǒng)

實驗測量系統(tǒng)包括渦扇發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模擬實驗臺、紅外輻射測量系統(tǒng)和帶加力燃燒室的排氣系統(tǒng)腔體模型。

1.1 渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模擬實驗臺

實驗采用的是筆者所在課題組開發(fā)的渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模擬實驗臺。該實驗臺由發(fā)動機(jī)排氣模擬子系統(tǒng)、主流子系統(tǒng)、外涵子系統(tǒng)等組成，可對渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和噴流流場進(jìn)行實驗?zāi)M，實驗臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。詳細(xì)的設(shè)計過程見文獻(xiàn)［9］。

內(nèi)涵子系統(tǒng)由控制臺、燃燒室、內(nèi)涵風(fēng)機(jī)、內(nèi)涵道和孔板流量計等部件組成。外涵子系統(tǒng)由孔板流量計、軟管、外涵風(fēng)機(jī)和穩(wěn)壓腔等部件組成。實驗臺實物照片如圖2所示。內(nèi)外涵風(fēng)機(jī)均可提供1 kg/s左右的流量，并且流量大小可調(diào)。燃燒室出口的溫度可達(dá)800～850 K。

圖1 渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)模擬實驗臺結(jié)構(gòu)

圖2 實驗臺實物照片

1.2 紅外輻射測量系統(tǒng)

紅外輻射測量系統(tǒng)如圖3所示，由傅里葉變換紅外光譜輻射計、采集電腦和標(biāo)定黑體組成。光譜輻射計由加拿大BOMEM公司生產(chǎn)，型號為MR-104。標(biāo)定黑體由上海福源光電研究所研制，型號為HFY-301A。

傅里葉變換紅外光譜輻射計是一種可用于測量點目標(biāo)光譜輻射強(qiáng)度的儀器，它應(yīng)用傅里葉變換實現(xiàn)光譜測量，其測量原理建立在對雙光束干涉度量的基礎(chǔ)之上。相對于其他依據(jù)光的折射或衍射而設(shè)計的光學(xué)測量儀器，該儀器具有多通道同時測量、高通量、高信噪比等優(yōu)點，并且對于高精度的紅外光譜測量而言，它幾乎是目前唯一的選擇。紅外光譜輻射計對3～5 μm波段的中紅外輻射信號的光電轉(zhuǎn)換是通過銻化銦探測器來完成的，這類探測器具有微秒級的響應(yīng)時間和非常高的信噪比。由于銻化銦探測器必須在溫度小于100 K的情況下才能正常工作，因此在實驗過程中必須用液氮對其進(jìn)行制冷［10］。

1.3 帶加力燃燒室的排氣系統(tǒng)腔體模型

帶加力燃燒室的基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由支板、中心錐、內(nèi)外涵內(nèi)外涵分界面、火焰穩(wěn)定器、加力筒體和噴管等部件組成。

圖3 紅外輻射測量系統(tǒng)

圖4 帶加力燃燒室的基準(zhǔn)排氣系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)

2 排氣系統(tǒng)紅外輻射特征測量方案

2.1 實驗條件

內(nèi)涵氣流設(shè)置燃燒室出口溫度為810 K，流量為1 kg/s;外涵氣流溫度為300 K，流量為0.4和0.5 kg/s。

2.2 黑體標(biāo)定

用傅里葉變換紅外光譜輻射計測量時通常需要進(jìn)行二次標(biāo)定，即首先用高低溫黑體進(jìn)行標(biāo)定，在實驗數(shù)據(jù)測量過程中，再采用一個中溫黑體進(jìn)行實時比對，獲得實時的修正系數(shù)［11-13］。實驗中還需注意的問題就是對背景輻射進(jìn)行屏蔽，排除外露熱壁面對測量結(jié)果的影響。圖5給出了本研究采用的背景屏蔽方法，即在噴管出口處設(shè)置大面積的刷黑漆木板，對實驗臺外部熱壁面的紅外輻射進(jìn)行遮擋。

2.3 壁面溫度測量點的布置

實驗中，在中心錐、內(nèi)外涵分界面、支板、加力筒體和噴管壁面上共布置了30個熱電偶測點，各個測點的布置情況如圖6所示。其中加力筒和噴管為軸對稱幾何形狀，被認(rèn)為周向分布均勻，所以沿軸線布置一系列熱電偶。

圖5 背景屏蔽板

圖6 熱電偶布置位置示意圖

2.4 紅外輻射強(qiáng)度測量點的布置

紅外輻射測量點的布置如圖7所示。探測角α的定義為探測器與發(fā)動機(jī)噴管出口的連線與發(fā)動機(jī)軸線的夾角。因為噴管為軸對稱噴管，只要測量一個空間面上紅外輻射分布即可表示出整個空間紅外輻射特征的分布，所以共測量10個方向上的紅外輻射強(qiáng)度，分別是 α =0°，5°，10°，15°，20°，30°，45°，60°，75°，90°。

圖7 紅外輻射測量點

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 溫度測量結(jié)果及分析

各測點的溫度測量結(jié)果見表1和表2。由表1可見:中心錐的溫度最高，約在810 K左右，沿著排氣系統(tǒng)軸向逐漸降低;加力筒體的溫度因為內(nèi)外涵氣流沿著軸向摻混逐漸加強(qiáng)，故加力筒體壁面溫度沿軸向逐漸升高;噴管的溫度最初因為內(nèi)外涵氣流摻混沿著軸向先升高，之后噴管截面積縮小，受加速氣流的影響，溫度沿軸向降低。

對比表1和表2可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)涵道比增加后，越靠近排氣系統(tǒng)噴管出口，加力筒和噴管壁面溫度降低的幅度越大。這是因為:在加力筒前端內(nèi)外涵氣流剛開始摻混，高溫內(nèi)涵氣流熱量沒有傳到加力筒和噴管壁面附近的外涵冷氣流，各壁面的溫度接近外涵氣流溫度;當(dāng)沿著軸線方向逐漸靠近噴管出口時，內(nèi)外涵氣流摻混越來越充分，高溫內(nèi)涵氣流與外涵氣流摻混換熱，提高了加力筒和噴管壁面附近溫度，從而影響到加力筒和噴管壁面溫度。當(dāng)涵道比增加時，外涵冷氣流增加，在內(nèi)涵氣流流量和溫度不變的情況下，促使內(nèi)外涵氣流摻混后整體氣流的溫度下降，越靠近噴管出口摻混越充分，摻混后整體氣流溫度下降幅度就越大。

表1 涵道比為0.4時各測點的溫度值

表2 涵道比為0.5時各測點的溫度值

3.2 積分輻射強(qiáng)度的空間分布

圖8為實驗排氣系統(tǒng)腔體模型的紅外輻射強(qiáng)度空間分布，其中:徑向坐標(biāo)為輻射強(qiáng)度;周向坐標(biāo)為空間角度。圖9為實驗?zāi)Ｐ透鞑考队懊娣e隨探測角度的變化，其中:橫坐標(biāo)為方向角;縱坐標(biāo)為投影面積。

從圖8可以看到:α=0°的輻射強(qiáng)度最大;隨著探測角度的增加，紅外輻射強(qiáng)度迅速降低;但在α=30°處，出現(xiàn)了輻射強(qiáng)度大于α=20°時的輻射強(qiáng)度的現(xiàn)象，這是因為受投影面積的影響。如圖9所示，在30°方向上加力筒和噴管的投影面積有所增加，使探測器探測到的紅外輻射強(qiáng)度增加。各方向積分輻射強(qiáng)度如表3所示。

圖8 實驗排氣系統(tǒng)腔體模型的紅外輻射強(qiáng)度空間分布

圖9 實驗?zāi)Ｐ偷母鞑考队懊娣e隨探測角度的變化

表3 不同涵道比各方向的紅外輻射強(qiáng)度值

由圖8并結(jié)合表3可以看出:隨著涵道比的增加，冷氣流量增加，發(fā)動機(jī)后體空間0°～90°方向的紅外積分輻射強(qiáng)度均有減少，并且因為噴管壁面有效輻射的影響，在0°～30°方向降幅為10% ～15%，在30°～80°方向降幅為15% ～30%，在70°方向降幅最大。這是因為，在0°～30°方向，發(fā)動機(jī)輻射主要來自受內(nèi)涵熱氣流影響的中心錐、渦輪等高溫部件的輻射，涵道比的增加只是增加了外涵冷氣流，內(nèi)涵熱氣流的溫度并沒有改變，僅在中心錐下游，內(nèi)外涵氣流摻混后增加了氣流對高溫部件輻射的吸收，間接降低了到達(dá)探測器的輻射能量，所以此角度范圍內(nèi)，紅外輻射強(qiáng)度降幅相對很小。在30°～80°方向降幅較大，這是因為在這個角度范圍內(nèi)，探測器只能探測到受內(nèi)外涵氣流摻混后的溫度影響的加力筒和噴管壁面，涵道比變化對加力筒和噴管壁面溫度的影響較大，所以降幅最大。在80°～90°方向降幅很小，這是因為，在此范圍內(nèi)隨著角度增加，探測器能探測到的排氣系統(tǒng)固體壁面越來越小，到達(dá)90°方向時，只能看到噴流，固體壁面影響消失。

4 結(jié)論

通過實驗測量了帶加力燃燒室結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的壁面溫度分布、紅外輻射的光譜和空間分布。得到以下結(jié)論:隨著涵道比增加，外涵冷氣流量增加，壁面溫度降低，紅外輻射特征降低，并且在排氣系統(tǒng)加力筒之后，越靠近噴管出口，氣流摻混越充分，壁面溫度降幅越大;紅外積分輻射強(qiáng)度在0°～30°方向內(nèi)降幅為10% ～15%，在30°～80°方向降幅較大，在15% ～30%范圍內(nèi)，在70°方向降幅最大。

本文研究可以在發(fā)動機(jī)總體設(shè)計階段預(yù)先分析涵道比變化對渦扇發(fā)動機(jī)紅外輻射特征的影響，從而為更大幅度地降低發(fā)動機(jī)紅外輻射提供參考。

［1］李偉，張勃，吉洪湖，等.不同鋸齒對二元噴管實際腔體紅外輻射特征影響數(shù)值模擬［J］.航空動力學(xué)報，2014，29(8):1810-1816.

［2］黃偉，吉洪湖，斯仁，等.降低表面溫度和發(fā)射率抑制排氣系統(tǒng)紅外輻射的研究［J］.推進(jìn)技術(shù)，2011，32(4);550-556.

［3］單勇，張靖周，邵萬仁，等.渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中心錐氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的氣動和紅外輻射特性實驗［J］.航空動力學(xué)報，2012，27(1):9-15.

［4］劉福城，吉洪湖，林蘭之，等.二元引射噴管幾何特征參數(shù)對推力及紅外特性的影響［J］.航空動力學(xué)報，2011，26(6):1244-1250.

［5］黃偉，吉洪湖，羅明東，等.對流輻射板抑制渦扇發(fā)動機(jī)熱噴流紅外輻射的實驗［J］.航空動力學(xué)報，2007，22(12):2000-2005.

［6］陳翾，張健，王艷武，等.基于涂料性能參數(shù)的紅外隱身技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程，2009，17(2):280-285.

［7］羅明東，吉洪湖，黃偉.非加力渦輪發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射強(qiáng)度的數(shù)值計算［J］.航空動力學(xué)報，2007，22(10):1609-1616.

［8］Decher R.Infrared emissions from turbofans with high aspect ratio nozzles［J］.Journal of Air-craft，1981，18(12):1025-1031.

［9］宮禹.渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身實驗裝置的總體設(shè)計及性能仿真研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［10］Series M R.FT-Spectro Radiometer Design Overview and Theory(Version 3.0)［M］.［S.l.］:ABB Bomen Inc，1998.

［11］羅明東.無人機(jī)排氣系統(tǒng)紅外隱身技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2006.

［12］羅明東，吉洪湖，黃偉，等.用FTIR光譜儀測量排氣系統(tǒng)中紅外光譜輻射強(qiáng)度的方法［J］.航空動力學(xué)報，2007，22(9):1423-1429.

［13］白濤濤.小型渦扇發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)流場及紅外輻射特征研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009.