加力燃烧室壁温测量试验研究

加力燃烧室壁温测量试验研究 第20卷第3期 2oo7年8月 燃气涡轮试验与研究 GasTurbineExperimentandResearch Vo1.2O.No.3 Aug.,200739 摘要:加力燃烧室燃烧段的壁温对飞机和发动机的安全关系重大,单靠数值计算是 很不够的,目前主要靠测试取得. 燃烧段通常是双层壁,加风罩则为三层.本文介绍了内外壁和风罩的温度测量方法 及其试验研究.该方法对加力燃烧 室的研制具有重要意义,无论是对于新机还是批生产发动机都有重要的参考价值. 关键词:涡轮喷气发动机;加力燃烧室;加力试验;壁温测量 中图分类号:V235.1I3文献标识码:A文章编号:1672—2620(2007)03-0039-03 ExperimentalInvestigationofTemperatureMeasurementonthe WallofanAfterburner JIHe—ming,WANGNai—xu,SHA0Wan—ren (ShenyangAeroengineResearchInstitute,Shenyang110015,China) Abstract:ThewalltemperatureofcombustionsectionforanafterburneriSsignificantlyrelatedtothe safetyofanaircraftandaeroengine.Itwillbenotenoughifonlyrelyingonthenumericalcalculation. Thedataeu~enflyusedismainlyobtainedfrominstrumentation.Thecombustionsectiongenerallycon- sistsofdouble-layerwalls,withanadditionalventilatorjackettogetherbeingthreelayers.Measurement methodandtestinvestigationoftemperaturefortheinner/outerwallsandjacketayedescribed inthepa- per.Themethodisofgreatimportancetothedevelopmentofafterburner.Itisanimportantrefe renceto bothnewengineandengineinproduction. Keywords:turbinejetengine;afterburner;afterburnerexperiment;walltemperaturemeasur emen l引言 军用航空燃气涡轮喷气发动机加力燃烧室的燃 烧段(或称简体)处在发动机的最后部.其机匣温度 或壁温不仅受加力燃烧温度的影响.而且还受主燃 烧室出口温度和涡轮冷却状况的影响.加力燃烧室 的温度在军用发动机的三大热端部件里又是最高 的.因此加力燃烧段的壁温既高又分布复杂.同时. 加力燃烧段的尺寸无论是长度还是表面积在三大热 端部件中都是最大的.面对这种情况要想取得精确 的加力燃烧段壁温是很困难的,采用数值计算方法 预估壁温也难以达到目的.但是,为了飞机和发动机 的安全可靠工作.又必须知道加力燃烧段的壁温(包 括内层和外层)分布,以至于不惜在燃烧段上焊上百 点甚至更多的电偶进行温度测量.这样不仅费工费 时,而且仍然难以测量准确,很难满足加力燃烧室研 制之需.本文比较系统地介绍了加力燃烧室壁温测 量的试验研究和一套行之有效的测量方法. 2壁温随时间的变化规律 首先必须知道壁温随时间的变化规律.在试车 时发动机一接通全加力,即有着长长的火舌,试车员 总是很紧张,故通常推力,到即尽快.其实,推 力增加到最大值只需要几秒钟时间.可是壁温从图 l上看必须大于lmin才能达到最大值,随后略有 收稿日期:2007—01-29 作者简介:~(1937一),男,江苏武进人,研究员,长期从事航空发动机设计工作,主要 专业为燃烧与喷管. 燃气涡轮试验与研究第20卷 降低.2,3min才能达到平衡而稳定.图l上的数据 是采用快速取样系统记录下的沿燃烧段流程的五条 壁温曲线,其中,,是单点电偶记录的最高值, 和7'm是喷管锥段前,后两个截面全部电偶记录的 平均值,可见规律都是相同的.因此应在接通全加力 2,3min之后记录的壁温才是可信的数据. t/rain 图l壁温随时间的变化规律 Fig.1Wall—temperaturevariationwithtime 3壁温的面分布测量 采用示温漆的方法,沿燃烧段轴线方向在水平 和垂直方位上,在内壁面涂刷4条宽30,40mm的 示温漆,同时在轴向每隔2O0mm左右沿圆周方向 涂刷l0,l5条30,40mm宽的环带.由于示温漆只 能记录最高温度,必须保持3,5min才能变色记录, 而且还会由于判读者的经验而造成判读误差,因此 示温漆所记录的壁温误差很大,误差可达~50?.所 以其结果只能用作定性或趋势. 图2是用示温漆记录下的某内壁面温度沿轴向 的分布,可见沿轴向有两个峰值,最高值在最下游. 示温漆记录下的壁温周向分布有较大差异.但主要 高温带在水平线的以上部位. 4壁温的电偶测点分布 图3列出了外壁壁温的电偶测点分布.从扩压 器进口到喷管出口共取l1个截面.但各个截面上测 点的多寡不一.最高的达24点.最少的仅3点.全部 使用Ni—Cr,Ni—A1电偶.所测数据非常稳定,基本上 反映了整个喷管(包括扩压器)的温度分布.图4为 其轴向壁温分布测量结果.有的发动机为了测取壁 温,布点多达上百点,最多达250余点.这里仅用66 点,节省了大量人力和物力. l15o llo0 lO5O lOOO 950 9o0 850 8o0 750 图2隔热屏壁面温度分布 Fig.2Temperaturedistributionofheatshield Fig.4Walltemperaturedistributionofcombustionsection 5特别测量 5.1寻找结构对壁温的影响 通常.壁温电偶轴向位置设在两排销钉之间.其 实该处外壁壁温并非最高.为此作了专门寻找.在两 排销钉之间和销钉座上布设电偶进行测量.前者与 两排销钉之间所测数据差异很小.但是销钉座的壁 0?00000?一? x46TIx8Tox333T~x24 ?.一? 3 图3测量壁温的电偶分布图 Fig.3Thermocoupledistributionfortemperaturemeasurement 0 0 第3期季鹤鸣等:加力燃烧室壁温测量试验研究4l 温明显比前两处位置所测数据高30,40?.这是因 为销钉直接暴露在燃气中,销钉把高温燃气的热流 传导到了安装座上;同时,销钉对冷却通道有局部堵 塞作用,而且其后方还存在涡流区,所以安装座相当 于燃烧段上的"热岛",故其局部温度高于燃烧段外 壁温度. 5.2隔热屏的壁温测量 其实,对发动机的安全可靠性来说,最重要的是 隔热屏(即内壁)的温度,但是隔热屏壁温很难测量. 其中引线是关键.引线必须穿过双层壁的冷却通道. 曾经采用过两种引线,第一种是在隔热屏和燃 烧段上相应测点部位开孔,此方案只能勉强开,次全 加力即遭破坏.后来改为图3中?截面所示方案,在 销钉中心打孔,自孔中心引线.此法经一次改装后可 以使测量壁温时间延续较长时间.测试数据表明:隔 热屏平均壁温在950~C附近,其高值超过l000?.在 此温度下,隔热屏可以长期安全可靠工作. 5.3腔温测量 双层壁冷却腔道中的气流温度变化是检查和评 判冷却系统设计成败的关键,必须弄清楚.采用单点 杆状电偶插入冷却通道中进行专门的气流温度测 量.测量截面有三个,即前,中,后三个截面.每个截 面插入4支电偶,按垂直和水平位置四点均布.在冷 却系统正常工作时,腔温的必要条件是:>,> .由此可检查冷却系统的可靠性,这个方法具有 严格的科学性和合理性. 5.4腔压测量 阻力系数是冷却系统流道设计中的一个很关键 的气动数据,通常从水力摩阻手册上查得.但是手册 中的数据难以涵盖冷却腔道中的复杂情况,因此测定 冷却流道中的总压损失非常重要.采用单点总压测压 杆在腔道中进行专门测量,其测量截面和分布都与腔 温测量相同.即也分三个测量截面,安装座相同.仅仅 是在不同的试车车次中与腔温彼此串换测量. 5.5燃气温度测量 隔热屏的热负荷主要来自近壁处的燃气,测量 此处的燃气温度意义重大,应专门测量.测量方法是 改装热电偶,如图5所示,这是基于吸气式高温计原 理专门设计的热电偶.销钉制成空心.内装外形为三 棱,内壁为圆柱的电偶芯.电偶直接与近壁处燃气接 触.由于燃烧段内外压差,燃气自动沿电偶周边的孔 隙外流.因此可以测得燃气流的总温. 燃气温度分别在锥屏前和锥屏后两个截面上进 行测量.每个截面各布置4点,前一个截面按水平, 垂直方位各布置一点,后一个截面则按偏转45.布 置.据此还可正确测得销钉头熔融烧蚀时的局部燃 气温度,以及在堵喷油孔后的局部燃气温度.局部燃 气温度测量不仅对销钉烧蚀的排故而且对制定安全 可靠工作时的喷油要求都具有重要价值. 壁 图5吸气式可拆卸销钉热电偶 Fig.5Air-breathingthermocouplewithmovablepin 5.6风罩温度测量 风罩紧挨着飞机,飞机对其壁温最为关心,必须 测量.不过在正常工作条件下其值甚低,前段比后段 更低,最高值不超过200~C.但在空中尤其是在高速 飞行时,因冲压滞止温度高,风罩温度会相应增高. 6结语 (1)一台高性能加力燃烧室有着大量的试验研 究工作要做,测量加力燃烧段壁温必不可少,采用专 用测量喷管是一个切合实际的很好的解决. (2)为了飞机和发动机的安全可靠工作,系统, 全面而又科学地测量喷管的壁温等参数是一定要进 行的科研工作,测量工作越仔细,科研工作的成绩越 大,产品的成熟程度越高,技术水平越高. 致谢: 感谢张兴高工,康丽华同志在壁温测量试验研 究工作中所做的大量工作! 参考文献: 【1】侯晓春,季鹤呜,刘庆国,等高性能航空燃气轮机燃烧 技术【M】.北京:国防工业出版社,2002. [2】吴达,郑克扬.排气系统的气动热力学[M】.北京:北京 航空航天大学出版社.1989