某型机燃烧室出口温度场调整试验分析

某型机燃烧室出口温度场调整试验分析

何常豫

何常豫HEChang-yu曰任武RENWu

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，沈阳110043）

（ShenyangLimingAero-engine（Group）CorporationLtd.，Shenyang110043，China）

摘要:燃烧室出口温度分布是燃烧室的重要性能指标之一。燃烧室设计初期就需要考虑在确保达到设计要求的出口温度的同时，还必须要保证燃烧室的出口处燃气温度场比较均匀。在燃烧室性能试验时，通过对燃烧室相关部件的改动，将燃烧室的出口温度分布曲线调整至预期的设计要求。

Abstract:Outlettemperaturedistributionisanimportantperformanceindexofcombustionchamber.Outlettemperaturemeetdesignrequirementandtemperaturefielduniformdistributionaretakenintoaccount.Duringtheperformancetestofthecombustor,outlettemperaturedistributioncurveisadjustedtotheexpecteddesignrequirementbychangingthecomponentsofthecombustionchamber.

关键词院出口温度场；试验；调整

Keywords:outlettemperaturefield；test；adjustment

中图分类号院TK474文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）29-0062-03

引言

某型机进行燃烧室的性能试验。试验以天然气作为燃料，主要内容有：流量分配、压力损失、点火试验、燃烧效率、出口温度场和污染排放指标等。在各项指标测试完后，开始进行出口温度场的测量和调整，先后共进行了8次调整，其每次对试验结果的分析、调整的方法对今后燃烧室温度场的调整试验都有很好的借鉴价值。

1燃烧室出口温度场简介

飞机发动机燃烧室是发动机的重要部件，燃烧室的出口与涡轮的入口很靠近。而燃料在燃烧室中总是先与一次空气混合并燃烧成1800-2000益的高温燃气，然后再被二次空气掺冷和混合，使温度降低到涡轮部件能承受的温度。如果高温燃气未能被二次空气均匀地掺冷和混合，在燃烧室出口处燃气的温度就会很不均匀，这样就有可能使涡轮叶片受热不均，甚至有被烧坏的危险，直接影响第一级涡轮导向叶片和工作叶片的寿命及其可靠性。为了保证涡轮转子叶片能安全可靠地工作，要求燃气沿半径的周向平均温度必须按一定的规律分布。由于叶片产生的离心力都通过叶根传到涡轮盘上，叶片根部受力大，所以要求燃气温度低些。叶尖很薄，强度刚度较差，也要求燃气温度低些。在离叶根约为叶片高度的2/3处，燃气温度可以相对高些。这样可使整个转子叶片接近于等强度。但实际的燃气温度分布不可能与规定的技术要求完全一致，这需要在试验中进行调试合格，使其偏差不超过规定的范围。常用的温度分布指标有以下两种：

1.1燃烧室周向出口温度分布系数出口温度周向分布系数定义为燃烧室出口截面内的最高燃气总温与燃气平均总温之差与燃烧室温升的比值：OTDF=Tt4max-Tt4Tt4-Tt3。

1.2燃烧室出口径向温度分布系数径向温度分布系数定义为燃烧室出口截面同一半径上各点总温，按周向取算术平均值后求得的最高平均径向总温与出口平均总温之差与燃烧室温升的比值：RTDF=Tt4max-Tt4Tt4-Tt3。

上述两个评定燃烧室出口温度分布品质的指标需在燃烧室负荷最大、出口平均温度最高时来确定。

2燃烧室试验情况和出口温度场指标

某型机燃烧室为环管逆流式，单台共有20个管型火焰筒，试验选取一个全尺寸的火焰筒进行试验，采取的是降压模拟试验，降低试验压力，保证燃烧室进口温度、余气系数琢与工作状态相同，相应地降低空气流量和燃料流量。试验段出口为一个18毅的扇形件，出口截面温度测点为沿径向11点，起始测点和终止测点距侧壁0.5毅周向每2毅测取一次，共8个周向位置，两边侧壁各布置8点，即燃烧室出口截面温度测点为110个点。设计指标要求燃烧室出口温度场在N軍=1.0时，燃烧室周向出口温度场系数OTDF臆0.20，燃烧室出口径向温度场系数RTDF臆0.07。

3试验和调整过程

火焰筒掺混孔的布置是：在过渡段的背部有两个椎32孔分布于垂直轴线两侧各18毅，两个椎26孔分布于垂直轴线两侧各54毅，一个椎14分布于垂直轴线上。在腹部有两个椎32分布于垂直轴线两侧各18毅，两个椎26孔分布于垂直轴线两侧各54毅。此4孔按水平轴线与背部的4孔对称分布。

图1和图2是第一次试验录取的OTDF和RTDF曲线。图中A、B、C分别代表设计要求的上、中、下限，O为本次录取的实际曲线，指标的峰值为OTDF=0.2539，RTDF=0.1312。从图中可以看出高温区主要集中在扇形区的上半部，两个指标偏高的地方集中第3、4、5三个截面上，而叶根位置则明显的偏低。以第6截面为分界面，扇形面上半部1耀5截面平均温度为1476K，下半部7耀11截面平均温度为1407K，上半部比下半部平均温度高出70益。因此调整的目标就主要集中在如何降低上半部的平均温度上。

针对第一次试验分析的结果，对掺混孔作了以下的调整：将背部两个椎32孔加大至椎40，增加掺混的进气量，将中间椎14孔改装为内径椎16插入深度为10mm的进气漏斗，以进一步增加中间区域的射流深度。

经过分析认为，由于该火焰筒为逆流进气，同样的进气孔在腹部的进气量要大于背部，因此造成下半部截面温度较低。整体看两条曲线都呈现上半部截面曲线形状凸出，下半部截面曲线形状凹陷。为了改善这种情况，先后又进行了六次调整。基本思路为继续加大背部的进气量，降低腹部的进气量，同时均衡上、下半部的平均温度。图3和图4为第六次调整后录取的曲线。

从图中可以看出，OTDF和RTDF指标均已经很接近设计值，峰值为OTDF=0.2215，RTDF=0.0954，上半部与下半部温度差为32益。

这时掺混孔的状态为，背部两个椎43，两个椎22。顶部椎14孔堵死。腹部4个孔全部为椎20。同时在燃气导管第一道冷却环带处，距焊缝上方20mm位置两侧又增加了两个椎25孔。增加这两个孔是因为，发现几次改变背部和腹部的掺混孔尺寸，对OTDF的影响很大，但对RTDF的影响却很小。从试验得到的数据看，在中心热团被打散后，高温点的温度虽然有所下降，但扇形段两侧的温度却增高了，导致RTDF变化很小。因此在两侧也相应地增加了掺混孔，作进一步的掺混。从试验得到的数据看，这一做法取得了明显的效果。

4试验结果分析和总结

从试验调整的过程看，燃烧室出口温度场在设计初期就必须非常重视。燃烧室的结构、组织燃烧的模式、火焰筒头部的结构、混合机构及掺混形式、二次空气的流量等因素都对出口温度场有很大的影响。如果设计的不合理，在后期的试验中就很难调整到设计的指标。

组织燃烧的模式和火焰筒的头部结构是决定出口温度场的基础，如果燃料不能够在头部充分地燃烧，火焰长度就会增加，在温度场的中部会形成一片高温区，要冲低高温区的温度，就需要增加掺混的空气量，而过多增加掺混空气量，将会改变火焰筒头部的进气和燃烧，反而会进一步影响出口的温度分布，甚至于可能会降低燃烧室的其它指标。试验就对中心喷嘴的流量进行了调整，从结果看，中心区的热团有明显的减小。图5是试验中录取的中心区供燃料量和OTDF曲线的关系，从曲线上可以明显地看出OTDF值在燃料量3%原4%之间有一个突升，这一阶段就是燃料从充分燃烧到无法充分燃烧的过渡。在充分燃烧阶段，OTDF值上升的非常缓慢，当燃料无法燃烧完全时，就会向火焰筒的后方漂移，火焰随之增长，体现在温度场中，就会在中部形成明显的热团，使OTDF值升高，而且这个热团在温度场的调整中很难处理。在试验中，虽然第一次调整后就将热团打散，但整体的平均温度也相应地下降，这就给后续的调整带来了困难，从这一点上就可以看出组织好燃烧的重要性。

如果是以燃油作为燃料，燃烧的好坏将对温度场产生更大的影响，因为烧油时火焰本身就比烧气要长，控制不好不但温度场无法调整，甚至会烧坏试验件，选取合适的旋流器和提高喷嘴的雾化质量，都对后期的调整十分有利。混合机构的任务在于使低温的二次空气能与由燃烧区流来的高温燃气混合均匀，达到涡轮前温度场的指标要求，一般来说，燃烧室内工质的加热度越高，能够用来掺混的二次空气比例就越低，与燃烧区流来的高温燃气均匀地混合在燃烧室出口达到均匀地温度场就越难，这也是燃烧室设计的重点之一。某燃烧室的过渡段在设计上就存在一定的问题，过渡段本身向发动机中心折弯并向两侧扩散，直到出口处依然没有平直段，同时掺混孔采取上下对称分布，这使得掺混的冷空气被压迫到上下两侧，造成与涡轮叶片尖部和根部相对应的部分温度特别低，在调整过程中，将位于背部中心的椎14孔堵死后也只是稍微地得到了一些缓解。而且在总体的设计上，用于掺混的空气量只占总进气量的22豫，这些都给后期的调整工作带来很大的困难。

在调整出口温度场时应该注意以下几个方面：燃烧室出口温度的平均值是一定的，部分区域温度很低，这必然使得部分温度很高，调整温度场就是在寻找一种可以平衡冷、热气流的形式，过激的改动可能会适得其反。增加掺混孔的直径可以增加射流的深度，提高混合的质量，但不会改善射流孔附近区域的掺混情况，反而会一定程度上增加该区域的平均温度。

在燃烧室的出口温度场中，希望燃气的最高温度不能比出口温度的平均温度高60原80益。针对这一点，在调整时可以对整个温度场区域进行适当的划分，这样可以使问题简化，使调整更有针对性。

要调整出口温度场品质达到设计指标，可以有不同的方法，可以改变掺混孔的布局，重新建立温度场的分布格局，但这样的调整，可能需要较长的时间。也可以在掺混孔原有布局的基础上，基本不改变原有的设计思路，只改变掺混孔直径，总体上对掺混空气量不做大的改变，只改变各掺混孔各自的进气量，以求达到设计指标，这种方法可以相对地加快试验进度。

参考文献：

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[2]北京航空材料研究所编.航空材料学[M].上海：上海科学技术出版社，1985.

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