鄒 運，萬 斌，胡迎明，韓 冰

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機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。當前航空發(fā)動機的燃燒室溫升達1150 K[1]，熱點溫度高達2300 K 以上，而更高推重比的航空發(fā)動機燃燒室溫升將高達1400 K，熱點溫度將超過2500 K。在傳統(tǒng)測溫方式已經(jīng)不適用的條件下，準確測量2500 K 乃至更高燃氣溫度成為高溫升燃燒室研制中的瓶頸技術(shù)之一[2-3]。

范傳新[4]指出溫度測量方法通?？煞譃榻佑|式測溫法和非接觸式測溫法兩大類；鄧進軍等[5]分析接觸式測溫法與非接觸式測溫法對航空機壁溫的影響，得出了非接觸式測溫法應用于航空發(fā)動機具有更好的發(fā)展前景。對于航空發(fā)動機燃燒室高溫燃氣，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)補償氣體溫度的熱電偶法可用于1650 ℃的燃氣測量。蔡錫松[6]通過對熱電偶溫度計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測量的發(fā)展與現(xiàn)狀進行了詳細闡述，指出存在光學測溫建設(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氣分析法應用于航空發(fā)動機高溫升燃燒室出口溫度場的測量，證明了燃氣分析法是1 種可靠的高溫測試技術(shù)，并具有用于更高燃氣溫度測量的潛力。

本文以中國第1 套多通道、高精度的燃氣分析法高溫測試系統(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氣分析3 種測溫方法對某高溫升扇形燃燒室試驗件出口溫場的影響規(guī)律。

1 試驗裝置

航空發(fā)動機主燃燒室研發(fā)過程需要開展多輪次和多方案的試驗驗證工作，在整個研發(fā)試驗周期內(nèi)，試驗器按結(jié)構(gòu)形式可分為單頭部、扇形和全環(huán)試驗器，按照試驗條件可分為常壓、中壓和高壓試驗器。中壓試驗器的試驗壓力通常為0.4～1.2 MPa，相比于常壓試驗器能較為真實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[10]。

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

燃燒室進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算機進行采集和處理。燃燒室進口參數(shù)測量截面布置在進口測量段后部，在同一截面的壁面上沿周向設(shè)置1 個總壓測量點和2 支3點溫度測量熱電偶，進口空氣總溫取其中最高3 點的平均值。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、銥銠熱電偶和燃氣分析采集耙，其中熱電偶采集耙電偶絲采用陶瓷管結(jié)構(gòu)保護，燃氣分析采集耙采用水冷裝置對燃氣進行冷卻。

圖1 試驗設(shè)備

為了排除多次試驗環(huán)境變化對試驗結(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、銥銠及燃氣分析3 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，每3毅進行1 次測量，共測量29 個位置、145 個溫度點。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 試驗結(jié)果

對高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗件進行試驗時，進口空氣由回熱器和電加溫器間接加溫，空氣流量采用孔板流量計測量。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氣分析取樣器、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入采集區(qū)域。試驗狀態(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 種測溫方式對試驗結(jié)果的影響，結(jié)果如圖4、5 所示。

表1 試驗狀態(tài)

圖3 145 個溫度點對比

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。燃氣分析測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，燃氣分析與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 計算模型與網(wǎng)格劃分

本文的計算模型以高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗件的結(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)進行適當簡化得到。在網(wǎng)格劃分過程中，將計算模型分成71 個體，采用4 面體和6 面體相結(jié)合的方法進行劃分，總網(wǎng)格數(shù)為813 萬，如圖6 所示。

3.2 計算設(shè)置

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

圖6 計算模型與網(wǎng)格

表4 計算參數(shù)設(shè)置

3.3 計算結(jié)果

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

表5 計算結(jié)果

圖7 計算溫度

4 結(jié)果分析

從表5 中可見，數(shù)值計算得到的3 種油氣比下的燃燒效率均大于99%，可認為數(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，導致出口溫度分布及熱點溫度相比于實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準對3 種測試方式進行誤差分析。

4.1 誤差對比

高溫升燃燒室5 頭部扇形試驗件在油氣比為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)果低于計算值，而燃氣分析法測溫結(jié)果高于計算值。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，燃氣分析法的偏差逐漸減小。鉑銠熱電偶、銥銠熱電偶與燃氣分析法相對于計算值的誤差分別為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)系以實現(xiàn)溫度測量的方法，其標定通常在高溫爐中進行，而在測量組分復雜的燃氣溫度時，由于熱電偶與高溫氣體和煙氣之間存在輻射換熱損失，其損失程度隨燃氣溫度的升高而增加。

此外，在試驗過程中，由于試驗件的振動，保護電偶絲的陶瓷管結(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)的高溫燃氣，但其抗氧化性較差，在高溫條件下更容易被燃氣氧化腐蝕[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、銥銠熱電偶和燃氣分析3 種測溫方法獲得的高溫升燃燒室溫度場試驗結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）燃氣分析、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，燃氣分析測量溫度高于計算溫度，銥銠熱電偶與雙鉑銠熱電偶測量溫度低于計算溫度，而雙鉑銠熱電偶測量溫度低于銥銠熱電偶的；

（3）隨著燃氣溫度的升高，燃氣分析測試誤差逐漸減小，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，燃氣分析誤差為1.1%，雙鉑銠熱電偶誤差為3.4%，銥銠熱電偶誤差為4.6%。