進口狀態對燃燒室壓力損失影響試驗研究

2020-01-14 03:31:46朱濤

航空發動機 2019年6期

朱濤

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

燃燒室作為航空發動機的核心部件，其工作性能主要包括壓力損失、燃燒效率和出口溫升等?，F代軸流式發動機多采用布萊頓循環，假設燃燒室為定壓燃燒，其效率主要由渦輪前溫度決定?，F代航空發動機燃燒室的效率可達99%以上，因此其壓力損失就成為影響整機性能的主要因素。燃燒室的壓力損失增加1%，則會導致發動機推力減小0.5%，或耗油率提高0.25%[1]，因此在燃燒室設計時需要盡量減少其總壓損失。一般來說，要減小燃燒室的總壓損失，1個有效的辦法是增加燃燒室橫截面積，即減小通過燃燒室的氣流速度，但過小的壓力損失對于空氣與燃料的摻混及燃燒均會造成不利影響，需要針對特定發動機使用特點，在這一矛盾的需求中尋求平衡。

國內外眾多學者對燃燒室的流動特性進行了研究。Wilfred和William等[2]以等截面1維圓管流動為模型，從理論上分析了外加熱源對總壓損失的影響，表明加溫比對總壓損失的影響隨著進口馬赫數的增大而增加，如果在保持相同加溫比的情況下要減少總壓損失，則必須降低進口氣流的速度；李毅等[3]采用1維氣體流動理論詳細計算了加熱阻力，表明采用詳細計算的加熱壓力損失比經驗公式估算的值要大，同時得到加熱導致的總壓損失隨著氣流進口馬赫數的增大而增加的結論；丁國玉等[4]研究了進口參數對3旋流燃燒室性能的影響，表明在常溫常壓下，燃燒室的總壓損失隨著進口速度的增大呈線性增加，其總壓損失系數為0.022～0.042。

以上研究或為理論分析或為常溫冷態試驗，而關于燃燒狀態下的燃燒室總壓損失試驗尚未見報道。本文以3頭部矩形燃燒室為研究對象，針對不同的進口氣流參數和燃燒狀態測量燃燒室的總壓損失，可為燃燒室設計提供一定的參考。

1 試驗設備及試驗件

試驗在某高溫高壓試驗臺上進行，試驗系統由前轉接段、前測量段、試驗件、位移機構、后轉接段、噴水段和測試接口等組成，其原理如圖1所示。

圖1 高溫高壓燃燒試驗設備

為了更真實地模擬燃燒室內的氣流流動過程，采用3頭部的矩形燃燒室，如圖2所示。其由進口整流段、燃燒室機匣、火焰筒、噴油嘴等組成，其中在機匣上、下壁布置引線接口用于參數測量。

圖2 3頭部矩形燃燒室

擴壓器的壓力測點布置在2股腔道入口處，本試驗采用的燃燒室2股腔道內的氣流馬赫數約為0.07，氣流靜壓與總壓之比為0.9966，因此可以將氣流靜壓近似視為與總壓相等，以降低測試成本同時達到適當精度。

為減少測試裝置對進口氣流的擾動，在燃燒室進口參數采用總溫總壓復合耙；為減少受感部對火焰筒出口氣流的阻塞，出口總壓的測量采用高度方向7點的可移動式壓力測試耙。

2 試驗狀態及數據處理方法

2.1 試驗狀態

為了研究不同進口參數對燃燒室流阻的影響，針對不同進口氣流溫度、壓力、馬赫數及油氣比對流動特性進行測試，具體試驗狀態見表1。

表1 流阻試驗狀態

2.2 數據處理方法

由于采用3頭部矩形燃燒室試驗件，火焰筒兩側的壁面會對氣流的流動產生干擾，因此在對試驗數據進行處理時舍去靠近側壁面的半個頭部內的測點數據，即取3～15號共13個截面的測點數據進行處理，如圖3所示。

圖3 出口總壓測點分布

按照測點等面積分布的原則，出口平均總壓為

式中：i為測點水平位置編號；j為測點豎直位置編號；Pi為位于i、j處的總壓測量值。

3 試驗結果及分析

3.1 進口氣流馬赫數對壓力損失的影響

一般可將火焰筒折合成為1個氣體流動阻力元件[5]，其出口面積大于進口面積。目前，描述燃燒室流動阻力的主要參數為總壓損失系數[6]

燃燒室進口馬赫數對壓力損失影響的試驗結果如圖4所示。

從圖中可見，隨著進口氣流馬赫數的增大，燃燒室的總壓損失增加，當來流馬赫數從0.20增大到0.28時，燃燒室的總壓損失系數從0.036增至0.076，其規律為線性增加。根據不可壓伯努利方程可知，氣流的流動阻力與其馬赫數的平方成正比關系[7-11]，擴壓器和火焰筒的流動損失規律與燃燒室的相似，壓力損失隨著氣流速度增大而增加，且總壓損失系數均與進口馬赫數的平方存在線性關系。擴壓器損失和火焰筒損失占燃燒室總損失的比例如圖5所示。

圖4 不同來流馬赫數下的壓力損失

圖5 不同來流馬赫數下壓力損失占總損失比例

從圖中可見，盡管隨著進口速度的增大，壓力損失不斷加大，但是2部分的損失比例基本不變，在燃燒室總壓力損失中，擴壓器損失占56%，火焰筒損失占44%。本試驗件所用擴壓器為典型的突擴型擴壓器，其壓力損失主要包括前置擴壓器的摩擦損失、壁面附面層損失及突擴段的突擴損失，這幾種損失可以抽象為具有不同損失系數的局部阻力損失，而流體的局部損失規律一般可以概括為流體速度平方的函數。同理，火焰筒的壓力損失主要包括壁面的摩擦損失、冷卻孔和主燃孔和摻混孔等開孔的阻力損失[12-15]。根據不可壓縮伯努利方程可知，其壓力損失與氣流速度平方相關。因此，在擴壓器與火焰筒內流動的氣流在冷吹風條件下具有相似的損失模式，其損失比例也基本相同。