基于燃氣分析法的航空發動機燃燒室性能研究

李亞娟，王明瑞，葛　新，韓　冰，馬　征，賈琳妍

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

基于燃氣分析法的航空發動機燃燒室性能研究

李亞娟，王明瑞，葛新，韓冰，馬征，賈琳妍

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為深入了解燃燒室性能，用燃氣分析法測量了燃燒室在高壓狀態下的氣態污染物排放和排氣冒煙，用熱電偶法測量了燃燒室出口溫度場。混合式取樣器安裝于擺盤上，隨擺盤沿周向勻速旋轉采集樣氣，通過測試儀器分析樣氣組分，計算得到了燃燒室的油氣比、燃燒效率、污染物排放指數及冒煙數。通過比較采用燃氣分析法和流量法得到的油氣比、燃燒效率的測試結果，分析了慢車狀態誤差偏高的原因，結果表明：燃氣分析法是1種準確、可靠的燃燒室性能測試方法。改進了混合式取樣器結構，提高了排氣冒煙測試的精度。

燃氣分析；氣態污染物；冒煙數；擺動測量；取樣器；航空發動機

0　引言

隨著高性能航空發動機的研制不斷推進，軍用航空燃氣輪機向著大推重比方向發展，燃燒室出口平均溫度已達到2000 K，熱點溫度已達到2300 K，對溫度場測量提出了很大挑戰，燃氣分析法成為大狀態溫度場測量的主要手段。隨著對環境保護的日益重視，各國對燃氣輪機的污染物排放提出了更加嚴格的要求，2014年開始實施的發電廠用燃氣輪機污染物排放標準規定：以油為燃料的燃氣輪機組，氮氧化物（以NO2計）排放不超過120 mg/m3；以天然氣為燃料的燃氣輪機組，氮氧化物排放不超過50 mg/m3；其它氣體燃料氮氧化物排放不超過120 mg/m3；以油、氣體為燃料的燃氣輪機組的林格曼黑度不超過1［1］。低污染燃燒室的研制成為燃氣輪機發展的方向之一，而作為檢測污染物排放的燃氣分析方法成為燃氣輪機研制過程中最重要的測試手段之一［2～6］。

本文介紹了氣態污染物排放和燃燒效率燃氣分析測試系統以及排氣冒煙測試系統，利用燃氣分析法和電偶法對某航空發動機燃燒室進行了試驗研究。

1　燃氣分析測試系統

燃氣分析法是通過取樣裝置把燃氣引入測量儀器進行成分分析，再利用燃氣成分數據計算燃燒效率、油氣比、燃燒溫度以及污染物排放等參數的1種測量方法。燃氣分析系統（如圖1所示）一般由取樣裝置、取樣管路、分析儀器、標準樣氣和數采系統組成。其中取樣管路是取樣裝置出口到分析儀器進口的1段管路和附件的總稱，一般由保溫管路、調節閥門、無油真空泵、冷凝器、流量計以及各種接頭等組成。

圖1　氣態污染物及排氣冒煙測試系統

1.1取樣裝置

取樣裝置為5點混合式取樣器，如圖2所示。取樣孔按等環面積分布，5根取樣管結構一致，使管內樣氣流量相等，以保證取樣有代表性。樣氣在混合腔內均勻混合后輸出，經過預處理進入燃氣分析測試儀器。將取樣器設計成扁平結構，在提高腔體強度的同時，還有效減少了迎風面積。取樣器采用水冷方式，內設有導流板，同時取樣器邊角采用圓弧或斜板結構，能有效避免渦流的產生和聚集，提高冷卻效果。此種結構的取樣器已成功應用于熱點溫度達2100℃的燃燒室燃氣取樣。

圖2　燃氣取樣器

圖3　擺盤及取樣器安裝

燃氣取樣采用擺動方式，將混合式取樣器安裝于測量段的擺盤上，2只取樣器呈180°分布，在試驗過程中擺盤連續勻速擺動，以實現燃燒室整個出口截面上燃氣的采集，其采得的燃氣經混合器混合后進入測試儀器進行樣氣組分的實時分析。擺盤旋轉180°完成1次樣氣采集，約耗時4 min，可實現270～280個采樣點的測量，擺動測試方式如圖3所示。

1.2氣態污染物測試系統

分別采用非分光型紅外分析儀、化學發光分析儀、總碳氫分析儀測量一氧化碳和二氧化碳、氮氧化物、未燃碳氫的體積分數（以CH4當量表示）。采用非分光型紅外分析儀測量得到的是干基濃度，在樣氣進入儀器前，需用冷凝器將樣氣冷卻到4℃左右，除去水分，然后再自然升溫。進入化學發光分析的樣氣溫度保持在65±15℃，進入總碳氫分析儀的樣氣溫度保持在160±15℃。

1.3排氣冒煙系統

排氣冒煙系統由主、副流路組成，主流路上安裝有能夾持濾紙的松緊夾頭。主、副流路的管道彎曲半徑不小于取樣管徑的10倍［7-9］。主、副流路間的切換通過PC機控制高溫電磁閥實現。在管路出口處設有溫度、壓力傳感器和浮子流量計來監控來流溫度、壓力和流量。為避免未燃碳氫在管壁上凝結影響取樣，管路保溫在100℃左右，排氣冒煙系統如圖1所示。由于主流路電磁閥正對氣流，試驗準備狀態氣流由副流路流出時，會有極微量的固體顆粒集聚在主流路電磁閥處，為減小在電磁閥積存的顆粒物對測量結果的影響，在每次測試前，先接通主路，吹除沉積的顆粒物。

2　試驗結果分析

在某高壓全環燃燒室上進行試驗，試驗器主要由進排氣系統、燃油系統、冷卻水系統、電氣系統、測試系統等組成。試驗用航空煤油的熱值為42650 kJ/kg，氫碳摩爾比為1.923，L0=14.67139。試驗中擺盤順時針擺動采集記為01，逆時針擺動采集記為02，具體試驗狀態見表1。

表1　燃燒室試驗狀態

2.1油氣比及燃燒效率的測試結果分析

油氣比通過燃氣分析法和流量法2種方式進行測試，燃燒效率通過燃氣分析和電偶法測量。燃氣分析法通過測量燃氣組分計算得到燃燒效率與油氣比，具體計算公式見文獻［10］。

流量法油氣比通過測量燃燒室進口燃油流量和空氣流量計算得到。燃油流量采用渦輪流量計測得，精度為±0.5%，空氣流量采用流量孔板測量，試驗前流量孔板用臨界流文丘里噴嘴校準，其誤差分布如圖4所示。從圖中可見，當空氣流量大于20 kg/s時，空氣流量的測量誤差小于1%；而在小于20 kg/s時，空氣流量的測量誤差較大；當空氣流量在10 kg/s時，誤差約為2.5。在燃油流量控制精確的情況下，試驗的油氣比誤差將由空氣流量誤差導致。

圖4　試驗噴嘴相對標準噴嘴誤差

油氣比和燃燒效率的試驗結果分別見表2、3。從表2、3中可見，在狀態2～5%下，油氣比的偏差為-0.95%～-1.41%，燃燒效率的偏差為3.94%～4.85%，表現出良好的穩定性和重復性，而在狀態1下，油氣比較其他狀態的平均偏差大3.32%，燃燒效率的偏差較其他狀態的平均偏差大3.76%。

表2　油氣比數據

表3　燃燒效率數據

燃氣分析誤差精度在1.1%以內［11］，燃油流量的測量誤差小于0.5%，通常熱電偶測量的溫度誤差隨著測量溫度的升高而增大，在慢車狀態下由于排氣溫度較低，測量溫度的精度較高，8.13%的燃燒效率偏差明顯不合理，初步確定燃燒效率和油氣比的偏差擴大是由空氣流量測量誤差引起的。

首先以燃氣分析油氣比為基準，以慢車狀態與狀態2～5的平均偏差的差值對慢車狀態的流量法油氣比進行修正，在慢車狀態下的油氣比為0.01099，再以此油氣比及熱電偶測量的燃氣溫度通過焓值法重新計算得到的燃燒效率為91.07%，與采用燃氣分析法得到的燃燒效率的偏差變為3.27%。燃氣分析法計算燃燒溫度在不高于1200℃時，采用平均定壓比熱法，在高于1200℃時，考慮熱離解作用采用焓值法，熱電偶燃燒溫度的計算采用焓值法。熱電偶燃燒效率修正后顯示隨著燃氣溫度的提高，采用熱電偶溫升法測量的燃燒效率與采用燃氣分析法測量的燃燒效率偏差有增大的趨勢，這是由熱電偶的測量原理引起的，熱電偶測溫精度的影響因素較多，如環境溫度、偶絲固定端溫度、隔熱罩黑度、氣流外壁面溫度、偶絲表面的催化效應等［12］，隨著被測燃氣溫度的升高，熱輻射和對流換熱損失的增加導致測量溫度與燃氣實際溫度誤差增大，進而導致燃燒效率的誤差變大。燃氣分析測量不受環境因素影響，誤差來源較為穩定。

通常航空發動機或燃氣輪機主燃燒室燃燒效率在慢車狀態下的設計指標為98.5%，在其他狀態下為99.5%以上［13-15］，試驗件在慢車狀態下的燃燒效率僅為94.34%，遠低于設計指標，表明在慢車狀態下燃油霧化和油氣匹配需要改善。

此外，由于燃燒室在不同工作狀態下的空氣流量變化很大，而試驗器用于測量空氣流量孔板的量程比一般為3，超過工作范圍就會導致測量精度大幅下降，應采用分級測量或更換更大量程比的流量測量裝置，以適應發動機燃燒室的工作范圍。

2.2氣態污染物測試結果分析

航空發動機氣態污染物測試包括對一氧化碳、氮氧化物和未燃碳氫的排放含量的測試。用燃氣分析法測得幾種物質的排放指數，計算公式見文獻［10］。

氣態污染物隨油氣比的變化趨勢如圖5所示。氣態污染物排放指數見表4，CO和THC的排放指數隨著油氣比的增大而減小，NOx的排放指數隨著油氣比的增大而增大。當油氣比大于0.028時，CO和THC的排放指數接近于0。

圖5　氣態污染物隨油氣比的變化趨勢

表4　氣態污染物排放指數

2.3排氣冒煙測試結果

用取樣器進行燃氣取樣，完成2次燃氣冒煙數的測試（分別如圖2、6所示）。取樣器混合腔為方形結構（圖2），燃氣很容易在方形結構的邊角處形成旋渦，在測航空發動機燃燒室排氣冒煙時，固體的燃氣顆粒會積聚在方形結構的邊角處，造成冒煙數的測量值偏低?？紤]到混合腔的影響，對取樣器的結構進行優化，將混合腔改為錐形結構，如圖6所示。依照HB6116-1987要求對燃燒室排氣冒煙進行測試。2次排氣冒煙測試數據見表5，第1次測試采用如圖2所示的取樣器，第2次測試采用如圖6所示的取樣器，2次測試均無可見冒煙。但第2次測試的冒煙數明顯大于第1次測試的，并且冒煙數隨著試驗油氣比的增大而增大，符合燃燒室排放規律，證實了在測量航空發動機固態污染物時，錐形混合腔結構要優于方形混合腔結構，使取樣器結構得到進一步優化，提高了排氣冒煙的測試精度。

圖6　改進后的取樣器結構

表5　排氣冒煙測試結果

3　結論

（1）通過分析慢車狀態誤差偏高的原因，表明了燃氣分析法是1種準確、可靠的燃燒室性能測試方法；

（2）改進的取樣器混合方式有效地防止了固體顆粒物在混合腔內的堆積，提高了排氣冒煙的測試精度；

（3）擺動測量方式能實現整個取樣截面上的樣氣收集，使取樣更具代表性，測試結果更接近真實值。

［1］中國環境科學研究院.GB13223-2011火電廠用燃氣輪機污染物排放標準［S］.北京：中國環境科學出版社，2011：4-6. Chinese Academy of Environmental Sciences.GB13223-2011 Aero gas turbine engine exhaust emission specification for power plant［S］.Beijing：China Environmental Science Press，2011：4-6.

［2］劉高恩，王華芳，呂品，等.飛機發動機排氣污染物的測量［J］.航空動力學報，2003，18（3）：348-352. LIU Gaoen，WANG Huafang，LYU Pin et al.Gas turbine engine emissions measurement［J］.Journal of Aerospace Power，2003，18（3）：348-352.（in Chinese）

［3］林宇震，許全宏，劉高恩.燃氣輪機燃燒室［M］.北京：國防工業出版社，2008：189-250. LIN Yuzhen，XU Jinhong，LIU Gaoen.Gas turbine combustor［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008：189-250.（in Chinese）

［4］金如山.航空燃氣輪機燃燒室［M］.北京：中國宇航出版社，1988：446-463. JIN Rushan.Aero gas turbine combustor［M］.China Astronautic Publishing House，1988：446-463.（in Chinese）

［5］Willamson R C，Stanforth C M.Measurement of jet engine combustion temperature by the use of thermocouples and gas analysis［J］.SAE Paper，1969：1-19.

［6］Colket M B.Internal aerodynamics of gas sampling probes［J］.Combustion and Flame，1982，44：3-14

［7］吳壽生，王華芳.HB6116-1987航空燃氣渦輪發動機排氣冒煙測試規范［S］.北京：北京航空學院，1987：2-9. WU Shousheng，WANG Huafang.HB6116-1987 Aero gas turbine engine exhaust smoke measurement specification［S］.Beijing：Beijing Aviation Institute，1987：2-9.（in Chinese）

［8］王華芳，吳壽生.HB6117-1987航空燃氣渦輪發動機氣態污染物的連續取樣及測量程序規范［S］.北京：北京航空學院，1987：3-21. WANG Huafang，WU Shousheng.HB6117-1987 The exhaust emission continuous sampling and measurement program specification of aeroengine.［S］.Beijing：Beijing Aviation Institute，1987：3-21.（in Chinese）

［9］周琦，于培敏，張華.GB/T 11369-2008，輕型燃氣輪機煙氣污染物測量［S］.北京：中國航空工業第一集團公司，2008：2-4. ZHOU Qi，YU Peimin，ZHANG Hua.GB/T 11369-2008 Exhaust emission measurement of light-weight gas turbine engine［S］.Beijing：Aviation Industry Corporation of China，2008：2-4.

［10］王明瑞.航空燃氣渦輪發動機燃氣分析測試及計算方法［R］.沈陽：沈陽發動機設計研究所，2013：10-18. WANG Mingrui.Gas analysis test and calculation method of aeroengine［R］.Shenyang Engine Design and Research Institute，2013：10-18.

［11］王明瑞，賈琳妍，韓冰.航空燃氣渦輪發動機燃氣分析測試及計算方法［J］.航空動力學報，2014，30（11）：2568-2574. WANG Mingrui，JIA Linyan，Han Bing.Gas analysis test and calculation method of aeroengine［J］.Journal of Aerospace Power，2014，30（11）：2568-2574.

［12］王明瑞，劉春宇.航空發動機氣態污染物及冒煙的測量［J］.航空發動機，34（1）：35-37. WANG Mingrui，LIU Chunyu.Measurement of gaseous pollutant and smoke from an aeroengine［J］.Aeroengine，34（1）：35-37.（in Chinese）

［13］陳大光，曹玉璋，馬瑞麟，等.航空發動機設計手冊：第1冊［M］.北京：航空工業出版社，2000：597-688. CHEN Daguang，CAO Yuzhang，Ma Ruilin.The design manual of aeroengine：1st album［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2000：597-688.（in Chinese）

［14］胡正義，江義軍，趙清杰，等.航空發動機設計手冊：第9冊［M］.北京：航空工業出版社，2000：27-37. HU Zhengyi，JIANG Yijun，ZHAO Qingjie.The design manual of aeroengine：9th album［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2000：27-37.

［15］張洪飚，李志廣，陳浚，等.航空發動機設計手冊：第11冊［M］.北京：航空工業出版社，2001：1-19. ZHANG Hongbiao，LI Zhiguang，CHEN Jun.The design manual of aeroengine：11th album［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2001：1-19.

（編輯：張寶玲）

Research on Aeroengine Combustor Performance Based on Gas Analysis Method

LI Ya-juan，WANG Ming-rui，GE Xin，HAN Bing，MA Zheng，JIA Lin-yan
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

In order to understand combustor performance，a gas analysis system was used to measure gaseous emission and smoke，the thermocouple was used to measure temperature field for understanding combustion performance in high pressure state.The mixed sampler was installed on a swing plate which moved regularity in circle.The gas component was got through test instrument.The fuel air ratio，combustor efficiency，gaseous emission and smoke number were calculated.The fuel air ratio was compared by gas analysis and measuring flow as well as the combustor efficiency by gas analysis and thermocouple.The reason of high error was analyzed in ground idle condition.It indicates that the gas analysis method is an accurate and reliable method of testing combustion performance.Mixed sampler was improved to get exact smoke number.

gas analysis；gaseous pollutant；smokenumber；swing measurement；sampler；aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.008

2015-06-04基金項目：航空動力基礎研究項目資助

李亞娟（1988），女，工程師，從事燃氣分析工作；E-mail：liyajuanhit@163.com。

引用格式：李亞娟，王明瑞，葛新，等.基于燃氣分析法的航空發動機燃燒室性能研究［J］.航空發動機，2016，42（1）：37-41.LI Yajuan，WANG Mingrui，GE Xin，et al.Research on aeroengine combustor perfermance based on gas analysis method［J］.Aeroengine，2016，42（1）：37-41.