付 靜 ，田建光 ，曾以明 ，趙婷杰 ，郭天水 ，何園源 ，2

（1.中國航發(fā)貴陽發(fā)動機設(shè)計研究所，貴陽 550081；2.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

0 引言

燃燒室是航空發(fā)動機3 大部件之一，其主要功能是將燃料和空氣進行混合燃燒，并使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)槿細獾臒崮?，被喻為發(fā)動機的心臟[1-2]。航空發(fā)動機的工作可靠性在很大程度上取決于燃燒室工作的可靠性[3]。其中，火焰筒作為燃燒室最主要的部件，主要負責(zé)完成油氣混合以及燃燒過程[4]?；鹧嫱差^部是燃油供入、油氣混合、火焰穩(wěn)定的主要區(qū)域，大部分燃油在主燃區(qū)內(nèi)完成燃燒，同時在摻混區(qū)通過合適的冷氣流摻混，調(diào)控出口溫度場[2-3]?；鹧嫱差^部結(jié)構(gòu)設(shè)計是完成火焰筒設(shè)計和決定火焰筒整體性能好壞的關(guān)鍵。隨著發(fā)動機性能的發(fā)展，燃燒室火焰筒在高溫、劇烈振動和嚴(yán)重?zé)釠_擊等惡劣條件下工作的問題越發(fā)突出，工作時會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，從而導(dǎo)致發(fā)生裂紋、變形、掉塊、燒蝕和腐蝕等故障[5-6]。因此，設(shè)計一種在滿足燃燒室工作可靠性和耐久性基本要求下，有效降低火焰筒壁面溫度的冷卻結(jié)構(gòu)具有重要意義。

目前，國內(nèi)外的燃燒室火焰筒的冷卻形式已由最初的氣膜冷卻發(fā)展到?jīng)_擊、發(fā)散、氣膜及層板等多種冷卻的復(fù)合冷卻形式[7]，冷卻結(jié)構(gòu)也由最初的單層壁發(fā)展到雙層壁、浮動壁[8-9]等冷卻結(jié)構(gòu)。Gustafsson等[10]研究了不同進口溫度、速度和孔的傾向角度對多斜孔壁面溫度分布的規(guī)律；Mongia 等[11]運用試驗方法對比分析了致密微孔壁冷卻和Lamilloy 層板冷卻性能；齊海帆[12]研究了燃燒室頭部設(shè)計對燃燒室性能的影響；張凈玉[13]以航空發(fā)動機燃燒室冷卻為背景，對帶導(dǎo)流環(huán)的沖擊/氣膜冷卻結(jié)構(gòu)開展了數(shù)值模擬和試驗研究；劉高恩[14]對燃燒的壁溫特性進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，燃燒室內(nèi)部流動具有較強的渦旋，速度場分布極為復(fù)雜；李季[15]以某型3 級旋流燃燒室火焰筒冷卻方案設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，針對多斜孔、復(fù)合角和沖擊/氣膜3種冷卻方式開展了3維數(shù)值模擬研究。

本文針對改進后火焰筒頭部與原型火焰筒頭部進行了性能對比試驗，為下一階段該型發(fā)動機燃燒室火焰筒頭部穩(wěn)定性試驗提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)備

1.1 試驗件

試驗在某單管燃燒試驗器上進行，所用試驗件是在現(xiàn)有資源全環(huán)火焰筒上進行切割得到，為扇形結(jié)構(gòu)，包括3 個頭部，切割后的燃燒室機匣扇形件和火焰筒扇形件兩側(cè)用相應(yīng)結(jié)構(gòu)的側(cè)板進行封堵，封堵火焰筒扇形件的側(cè)板為雙層結(jié)構(gòu)，外層側(cè)板帶發(fā)散冷卻小孔，用于冷卻內(nèi)層側(cè)板。扇形火焰筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 扇形火焰筒結(jié)構(gòu)

其中，原型火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的孔板加擋濺板的形式，單個燃燒室頭部孔板開均布44個?1.55 mm 的冷卻孔，56個?1.4 mm的冷卻孔，40個?1 mm 的冷卻孔，原型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在進行降低冒煙數(shù)燃燒室頭部性能試驗時，發(fā)現(xiàn)燃燒室頭部擋濺板存在大面積高溫痕跡，表面凹凸不平，變形十分嚴(yán)重，擋濺板高溫變形情況如圖3所示。

圖2 原型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)

圖3 擋濺板高溫變形情況

通過對降低冒煙數(shù)燃燒室頭部性能試驗結(jié)果進行分析，得到造成該情況的原因是火焰筒頭部出現(xiàn)了無效角渦導(dǎo)致火焰筒局部高溫導(dǎo)致的，從燃燒室頭部的冷卻氣流通過小孔沖擊冷卻已不滿足壁面的冷卻。因此，本文通過改進火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)來消除渦流器兩側(cè)的無效高溫角渦，以降低擋濺板的溫度，從而改善燃燒室頭部高溫?zé)g。改進型火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)流孔板和導(dǎo)流護罩組成，導(dǎo)流孔板錐形段與燃燒室中心軸線的夾角為55°，在孔板上設(shè)計了30 個?2 mm 的小孔，導(dǎo)流護罩錐段與燃燒室中心軸線的夾角為56°，外表面與導(dǎo)流孔板內(nèi)表面形成收斂的冷卻間隙，導(dǎo)流護罩上設(shè)計了30 個?1 mm 的小孔，用于套筒的冷卻，改進型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進型火焰筒頭部結(jié)構(gòu)

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、空氣加溫系統(tǒng)、試驗段、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成，試驗裝置如圖5所示。

圖5 試驗裝置

進氣系統(tǒng)由進氣管路、流量調(diào)節(jié)閥、流量測量裝置、調(diào)節(jié)閥等組成。通過流量噴嘴測量空氣流量，測量精度為±1.5%；通過進氣調(diào)節(jié)閥和排氣蝶閥調(diào)節(jié)試驗件進口壓力；加溫系統(tǒng)可選用換熱器和直接加溫器或兩者組合的方式，直接加溫方式應(yīng)保證試驗件進口氣流的余氣系數(shù)大于7；試驗段包括進口轉(zhuǎn)接測量段、燃燒室試驗件、出口轉(zhuǎn)接測量段。進口轉(zhuǎn)接測量段采用漸進的收斂流道，流道外壁根據(jù)燃燒室進口尺寸按等外徑設(shè)計，通道內(nèi)壁按維托辛斯基收斂規(guī)律造型。出口轉(zhuǎn)接測量段采用水套冷卻的方式；采用回油調(diào)節(jié)的方式，柱塞泵量程為1800 L/h，質(zhì)量流量計量程為0～1200 L/h，精度為±0.2%；測控系統(tǒng)采用FCS2000 系統(tǒng)，精度為±0.05%。試驗裝置臺架狀態(tài)如圖6所示。

圖6 試驗裝置臺架狀態(tài)

2 試驗內(nèi)容

航空發(fā)動機燃燒室的試驗方法根據(jù)試驗條件一般可以分為原型試驗法和物理模型試驗法。原型試驗法是在實際燃燒室上進行各參數(shù)的測量，即在實際燃燒室上進行全壓試驗；物理模型試驗法則采用原型尺寸的燃燒室，但在簡化或縮小的工況參數(shù)下進行試驗[16]。從國內(nèi)外燃燒室的發(fā)展來看，現(xiàn)有燃燒室試驗條件，滿足不了現(xiàn)役及新型發(fā)動機全尺寸燃燒室在地面起飛等大狀態(tài)下的全參數(shù)試驗[17]，同時，在全壓（或全參數(shù)）條件下對燃燒室進行設(shè)計和調(diào)試，雖然所得的結(jié)果可靠，但實際試驗有很大的局限性，如對試驗的氣源要求非常高、設(shè)備復(fù)雜、周期長、費用大等[18-20]。

在扇形段試驗器上，用較低壓力和進口流量所得到的燃燒室主要性能指標(biāo)和實際工況下對應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系既是模擬準(zhǔn)則所要解決的主要問題。

本文采用等速度準(zhǔn)則作為模化試驗的方法，?；瘯r進口流速與實際流速相等，供油情況、進口溫度相同，燃燒室?guī)缀蜗嗨啤?/p>

式中：PM為?；髩毫?；PF為實際壓力；GM為?；罅髁?；GF為實際流量。

試驗狀態(tài)的余氣系數(shù)和進、出口溫度相同，?；蟮脑囼瀰?shù)及其他狀態(tài)試驗參數(shù)見表1。

表1 ?；蟮脑囼瀰?shù)及其他狀態(tài)試驗參數(shù)

3 試驗結(jié)果

3.1 壁溫分布試驗

燃燒室的火焰筒要在高溫、劇烈振動和嚴(yán)重?zé)釠_擊等惡劣條件下工作，因而會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力、蠕變應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，容易導(dǎo)致火焰筒發(fā)生變形、開裂、掉快、燒蝕和脫焊等故障?；鹧嫱脖跍嘏c其內(nèi)部燃燒組織及冷卻安排直接有關(guān)，它的高低是影響火焰筒壽命的關(guān)鍵。當(dāng)前，對火焰筒壁溫分布測量方法中，熱電偶測量因其精度高，測量火焰筒壁面上少數(shù)點的溫度比較方便，成為了最早和應(yīng)用最廣泛的一種測量方式[21]。

在現(xiàn)實工作中，由于材料的差異，制造出的熱電偶具有不同的使用特性，適用于不同溫度范圍和工作環(huán)境。結(jié)合本文試驗實際，對原型火焰筒頭部和改進型火焰筒頭部按照表1 中的狀態(tài)1 參數(shù)，采用敷設(shè)K型鎳鉻-鎳硅熱電偶方式對2 個方案火焰筒的頭部壁溫進行測量，測量精度為±0.75%。

原型火焰筒頭部測點位置在擋濺板上，每個頭部各布置4 個點，總共3 個頭部、12 個測點，在擋濺板上根據(jù)熱電偶位置加工4 個?1.2 mm 的小孔將引線引出，再在孔板上相應(yīng)位置開4 個?1.2 mm 的小孔將引線引出，沿著火焰筒外壁面固定，最后從機匣上的測試引線管引出，12 個測點分別用T1～T12命名，其半徑方向高度為L=27.5 mm，R=22 mm，原型火焰筒頭部測點位置如圖7所示。

圖7 原型火焰筒頭部測點位置

改進型火焰筒頭部測點位置在孔板上，布置方式與原型火焰筒頭部相同，其半徑方向高度為L=30.5 mm，R=27 mm，改進型火焰筒頭部測點位置如圖8 所示。

圖8 改進型火焰筒頭部測點位置

得到改進前后2 頭部壁溫試驗后狀態(tài)，原型火焰筒頭部壁溫測量后狀態(tài)和改進型火焰筒頭部壁溫測量后狀態(tài)分別如圖9、10所示。

圖9 原型火焰筒頭部壁溫測量后狀態(tài)

圖10 改進型火焰筒頭部壁溫測量后狀態(tài)

2頭部熱電偶壁溫測量曲線如圖11所示。

圖11 壁溫測量曲線

3.2 燃燒效率試驗

對原型和改進型火焰筒頭部依次按照表1中的狀態(tài)1進行性能試驗，通過精度為1%FS燃氣分析儀測量得到燃氣中CO、CO2、氮氧化物和未燃碳氫UHC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為λCO、λCO2、λNOx、λVHC，見表2。然后利用燃氣成分計算燃燒效率。

表2 燃氣成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

式中：Hu為燃油燃燒凈熱值；EIi為排放指數(shù)，即1 kg燃油實際燃燒排放了i組分氣體。

燃燒效率測量結(jié)果表3。

表3 燃燒效率測量結(jié)果

3.3 地面點火試驗

對原型和改進型火焰筒頭部依次按照表1 中的狀態(tài)2 進行地面點火試驗，錄取燃燒室貧油點火邊界，本次地面點火試驗共計選取6 個試驗點，壓比取值2%、3%、4%、5%、6%、7%。通過判斷燃燒室出口每支熱電偶的溫升都大于80 ℃來確認點火成功。本次試驗通過在某余氣系數(shù)下點3 次，2 次以上點燃則認為在該余氣系數(shù)下點火成功，取3 次點火余氣系數(shù)平均值，作為著火點余氣系數(shù)。地面點火邊界對比曲線如圖12 所示，橫坐標(biāo)余氣系數(shù)采用無量綱形式給出，僅作參考。

圖12 地面點火邊界對比曲線

3.4 貧油熄火試驗

對原型和改進型火焰筒頭部依次按照表1 中的狀態(tài)3 進行貧油熄火試驗，錄取燃燒室的貧油熄火邊界，選取6 個試驗點，壓比取值2%、3%、5%、6%、8%、9%。本次試驗通過逐漸減少供油量的方法來調(diào)節(jié)余氣系數(shù)，逐漸逼近熄火點，通過攝像頭拍攝觀察窗觀測火焰來判斷燃燒室熄火與否，從而得到不同壓比狀態(tài)的熄火余氣系數(shù)。地面慢車熄火邊界對比曲線如圖13 所示，油氣比不高于0.005，橫坐標(biāo)余氣系數(shù)采用無量綱形式給出，僅作參考。

圖13 地面慢車熄火邊界對比曲線

4 試驗分析

試驗件頭部零件材料采用GH3044 合金，可在900 ℃以下長期工作[22]，由壁溫測量結(jié)果可知，原型燃燒室頭部結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性不能滿足燃燒室長期工作要求。改進型火焰筒頭部壁溫較原型火焰筒頭部顯著降低，冷卻效果有了較大改進，試驗完成后火焰筒表面狀態(tài)良好，未見明顯高溫區(qū)，頭部擋濺板不存在高溫?zé)g痕跡，也無變形。主要是因為原型火焰筒頭部冷卻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的孔板加擋濺板的形式，而優(yōu)化后的火焰筒頭部冷卻氣流通過導(dǎo)流孔板上沿周向均布的冷卻小孔沖擊導(dǎo)流護罩，增強了與導(dǎo)流護罩的對流換熱，沿導(dǎo)流孔板與導(dǎo)流護罩形成的夾層通道生成狹縫氣膜，對導(dǎo)流護罩下游起到了很好的保護，進而降低了燃燒室頭部的高溫，增強燃燒室頭部的冷卻。

燃燒效率是評價燃燒室各項性能的重要指標(biāo)之一，通過燃燒效率測量可知，2 種火焰筒頭部在同一試驗工況下燃燒效率均大于0.99，一致性較好，說明試驗結(jié)果真實可靠。改進型火焰筒在冷卻效果有了較大提升的基礎(chǔ)上，燃燒效率并未受到影響，燃燒效率相差0.38%的原因是由于2 頭部在幾何結(jié)構(gòu)進氣量的分配上存在微小差異造成的。

通過點火邊界曲線對比得出，在壓比2%和3%的狀態(tài)下，2頭部著火余氣系數(shù)相近，在壓比4%～7%的狀態(tài)下，改進型著火余氣系數(shù)更大，點火邊界更寬。2 個方案采用相同的渦流器，流場形態(tài)相似，改進型火焰筒頭部的點火性能略優(yōu)于原型火焰筒頭部，這是由于改進頭部相比與原型頭部，其進氣量略有減少，火焰筒頭部和燃燒區(qū)當(dāng)量比升高，有利于燃燒室的點火。從結(jié)果可以表明，燃燒室頭部冷卻結(jié)構(gòu)的改變對燃燒室的點火沒有造成負面影響。

通過熄火邊界曲線對比可知，原型和改進型火焰筒頭部熄火邊界相當(dāng)。表明燃燒室頭部冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對燃燒室頭部流場結(jié)構(gòu)影響較小，燃燒室流量分配基本沒變化，因而對燃燒室地面慢車貧油熄火邊界影響較小，這對后期燃燒室頭部冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

（1）2 種火焰筒頭部在同工況下壁溫分布存在較大差異，改進型火焰筒頭部壁溫溫度較原型的有較大降低，且溫度分布更均勻。

（2）2 種火焰筒頭部在同工況下燃燒效率均大于0.99，相差0.38%。

（3）在同工況下改進型火焰筒頭部著火余氣系數(shù)略大，點火邊界略寬，其性能優(yōu)于原型的。

（4）2 種火焰筒頭部在同工況下的貧油熄火邊界相當(dāng)。