脈沖爆震渦輪盤腔溫度特性試驗分析

趙 丹,陳 劍,余 強,凌 季,呂學敏

(1.中國航發湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002;2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室,湖南 株洲 412002)

脈沖爆震渦輪發動機既具有爆震燃燒效率高、自增壓等特點,又具備旋轉機械能量轉化率高的優勢,有望滿足未來高性能飛行器對動力裝置的要求,為我國下一代燃氣輪機研制提供新途徑[1]。Rasheed等人[2-7]建立了8管脈沖爆震燃燒室與大尺寸單級軸流渦輪相互作用綜合試驗系統,針對多管脈沖爆震燃燒室(Pulse Detonation Combustor,PDC)之間的相互影響進行了研究。結果表明,PDC與渦輪之間的相互作用會影響多管順序點火的工作穩定性。

本試驗將脈沖爆震渦輪發動機核心機的渦輪盤腔室簡化為靜止腔,開展各腔室溫度特性試驗研究。測量爆震室工作在17 Hz、25 Hz、31 Hz時脈動來流下所模擬的渦輪各腔室內的溫度隨時間的變化特性,為核心機試驗和后期發動機空氣系統設計提供依據。

1 試驗系統

試驗系統包括供氣系統、供油系統、單管回流脈沖爆震燃燒室、點火系統、冷氣供給系統和數據采集系統,如圖1所示。

圖1 單管封嚴試驗系統

試驗件模型如圖2所示。實際脈沖爆震發動機是8管回流脈沖爆震燃燒室,而此次是想通過單管試驗對渦輪盤腔室的壓力特性進行初步研究,所以對實際渦輪盤腔室體積進行1/8折算得到AI、AII及B 3個腔室,AI和AII模擬渦輪盤前腔,B模擬渦輪盤后腔。AI與AII腔由縫板隔開,縫長25 mm,寬0.2 mm,間距16 mm,縫板厚2 mm。AII和B兩腔均通過弦長36 mm,寬1 mm,間距8 mm的縫與測試段主體相連通。上述各腔室體積及縫寬均根據發動機實際尺寸進行折算。試驗件中AI、AII過渡到B腔的流道型線是收縮形的,用來模擬實際情況下主流燃氣經過一級轉子葉片壓力下降而設計的。收縮形流道型線如圖3所示。

圖2 試驗模型及溫度傳感器 布置示意

圖3 收縮形流道示意圖

在爆震室出口設置有壓力測點P1,爆震室出口排氣與放氣段放氣一起進入封嚴測試段。封嚴測試段主體沿來流方向依次設有壓力測點P2、P3,且P1、P2和P3均裝有壓電式壓力傳感器。放氣段放氣與爆震室出口噴管之間通過金屬軟管相連,金屬軟管有兩種規格,內徑為18 mm和26 mm,單次試驗選擇其中一種。

AI腔內設有溫度測點TA1、TA2,其上分別裝有熱電偶1、2;AII腔上設有溫度測點TA3、TA4,其上分別裝有熱電偶3、4;B腔上設有溫度測點TB1、TB2,其上分別裝有熱電偶5、6。熱電偶1與2、3與4、5與6均對稱布置,1、3、5在一側,2、4、6在另一側,用以監測各腔內的溫度。使用K型熱電偶進行測量,測量誤差為±0.75|t|,熱電偶測溫數據通過Net Scanner TM 9046型溫度掃描閥進行采集,采樣頻率為100次/s。

2 試驗流程

本次試驗工況設置見表1。

表1 工況設置

(1)先進行封嚴引氣測試,調整供氣瓶數及減壓閥開度,將封嚴氣調整到所需壓力保證所測時間內所需特定壓力的封嚴氣的穩定供給;

(2)將來流加熱到指定工況,打開封嚴氣電磁閥,當數采儀所示封嚴氣壓力穩定后,爆震室點火開始工作,全程由壓力溫度采集系統進行數據采集。采集結束時間由封嚴腔內溫度決定,當腔內溫度在爆震燃氣及封嚴冷氣共同作用下趨于穩定,爆震室停止工作并關閉封嚴氣電磁閥,單個工況試驗結束;

(3)調整來流壓力、溫度、封嚴氣壓力,進行下一個工況點測試。

3 試驗結果分析

本試驗在同一個腔內同一高度對稱布置了兩個溫度測點。通過測量爆震波沖擊前后腔內的溫度變化,反映通過間隙后,在封嚴氣的作用下,爆震波對腔內溫度的影響。

圖4展示的是工況1(17Hz-DN18)腔內各測點溫度變化曲線圖。

圖4 工況1腔內各測點溫度

如圖4,來流加溫至80 ℃,AI腔內溫度測點TA1、TA2溫度分別為30.4 ℃、31.4 ℃,AII腔內的溫度測點TA3、TA4溫度分別為48.6 ℃、51.4 ℃,B腔上溫度測點TB1、TB2溫度分別為47.1 ℃、46.3 ℃。在圖中1所示時刻打開封嚴冷氣,腔內溫度開始驟降,封嚴氣由高壓空氣罐經減壓閥減壓后提供,實測室內溫度10.5 ℃作為封嚴空氣總溫。認為圖中1時刻之后開封嚴冷氣的瞬間溫度突升是噪聲干擾。約2秒后等到封嚴冷氣總壓穩定,點火,爆震室開始工作,如圖中2時刻。此后,在爆震燃氣及封嚴氣共同作用下,腔內溫度緩慢下降,一段時間后趨于穩定。穩定時AI腔內實測溫度TA1、TA2分別為21.1 ℃、17.2 ℃,AII腔內實測溫度TA3、TA4分別為20.0 ℃、15.6 ℃,B腔內實測溫度TB1、TB2分別為25.1 ℃、25.4 ℃。圖中3時刻停止點火,爆震室不工作,AI腔入口總壓遠高于測試段主體狹縫附近的氣壓,封嚴冷氣大量灌入使得AI腔內溫度下降明顯,AII腔內溫度略有下降,之后關掉封嚴氣,腔內溫度在來流作用下再開始回升。

圖5-圖7展示的分別是工況2-工況4腔內各測點溫度變化曲線圖,數據匯總見表2。

表2 不同工況下的各測點溫度

圖5 工況2腔內各測點溫度

圖6 工況3腔內各測點溫度 圖7 工況4腔內各測點溫度

由表2可知:

(1)引入AI、B兩腔的來流總溫均為10.5 ℃,在封嚴氣及爆震室工作時,僅從腔內所測得的溫度而言,4種工況下溫度均在0～30 ℃,AI、AII、B三腔內溫度接近常溫,即在爆震燃氣與封嚴冷氣共同作用下,腔內溫度迅速降低,不存在燃氣大量入侵造成腔內超溫,影響工作的問題。

(2)由于AI腔直接與封嚴氣相通,且與爆震室之間還間隔有AII腔,在爆震室工作后其腔內溫度(TA1、TA2)應該最低,但實際上所測結果顯示平衡后腔內靜溫TA3、TA4溫度普遍較低,尤其是穩定后TA4溫度最低。觀察發現AI腔容積約為AII腔的4倍,且AI與AII腔之間的縫板流通面積為72 mm2,而AII腔與測試段主體相連通的狹縫流通面積僅為10 mm2。故可能是AII腔內速度大且速度變化劇烈,導致其腔內所測靜溫偏低。

(3)對比工況1與工況2:適當增大分氣量,對腔內溫度變化基本沒有影響,平衡后同一測點處兩種工況下腔內溫度相差不超過1.5 ℃。

(4)對比工況3與工況4:在封嚴引氣壓力基本不變的前提下,調節相應的油氣,當爆震室由25 Hz升頻到31 Hz,在爆震燃氣與封嚴氣共同作用下,平衡后腔室內同一測點的溫度,除TA3測點相差7.1 ℃,其余測點溫度變化不超過1.6 ℃。造成這一現象的原因可能是封嚴引氣壓力偏高,可以通過下一步的對照試驗進行驗證。

4 結論

本文通過試驗方法研究了爆震波對渦輪盤腔內溫度變化的影響。主要得出以下結論:

(1)爆震波對3個腔內溫度影響較小,不存在燃氣大量入侵造成腔內超溫,影響工作的問題;

(2)在脈沖爆震試驗中,適當增大分氣量對腔內溫度變化基本沒有影響。