基于燃气分析法的航空发动机燃烧室性能研究

李亚娟，王明瑞，葛　新，韩　冰，马　征，贾琳妍

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

基于燃气分析法的航空发动机燃烧室性能研究

李亚娟，王明瑞，葛新，韩冰，马征，贾琳妍

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

为深入了解燃烧室性能，用燃气分析法测量了燃烧室在高压状态下的气态污染物排放和排气冒烟，用热电偶法测量了燃烧室出口温度场。混合式取样器安装于摆盘上，随摆盘沿周向匀速旋转采集样气，通过测试仪器分析样气组分，计算得到了燃烧室的油气比、燃烧效率、污染物排放指数及冒烟数。通过比较采用燃气分析法和流量法得到的油气比、燃烧效率的测试结果，分析了慢车状态误差偏高的原因，结果表明：燃气分析法是1种准确、可靠的燃烧室性能测试方法。改进了混合式取样器结构，提高了排气冒烟测试的精度。

燃气分析；气态污染物；冒烟数；摆动测量；取样器；航空发动机

0　引言

随着高性能航空发动机的研制不断推进，军用航空燃气轮机向着大推重比方向发展，燃烧室出口平均温度已达到2000 K，热点温度已达到2300 K，对温度场测量提出了很大挑战，燃气分析法成为大状态温度场测量的主要手段。随着对环境保护的日益重视，各国对燃气轮机的污染物排放提出了更加严格的要求，2014年开始实施的发电厂用燃气轮机污染物排放标准规定：以油为燃料的燃气轮机组，氮氧化物（以NO2计）排放不超过120 mg/m3；以天然气为燃料的燃气轮机组，氮氧化物排放不超过50 mg/m3；其它气体燃料氮氧化物排放不超过120 mg/m3；以油、气体为燃料的燃气轮机组的林格曼黑度不超过1［1］。低污染燃烧室的研制成为燃气轮机发展的方向之一，而作为检测污染物排放的燃气分析方法成为燃气轮机研制过程中最重要的测试手段之一［2～6］。

本文介绍了气态污染物排放和燃烧效率燃气分析测试系统以及排气冒烟测试系统，利用燃气分析法和电偶法对某航空发动机燃烧室进行了试验研究。

1　燃气分析测试系统

燃气分析法是通过取样装置把燃气引入测量仪器进行成分分析，再利用燃气成分数据计算燃烧效率、油气比、燃烧温度以及污染物排放等参数的1种测量方法。燃气分析系统（如图1所示）一般由取样装置、取样管路、分析仪器、标准样气和数采系统组成。其中取样管路是取样装置出口到分析仪器进口的1段管路和附件的总称，一般由保温管路、调节阀门、无油真空泵、冷凝器、流量计以及各种接头等组成。

图1　气态污染物及排气冒烟测试系统

1.1取样装置

取样装置为5点混合式取样器，如图2所示。取样孔按等环面积分布，5根取样管结构一致，使管内样气流量相等，以保证取样有代表性。样气在混合腔内均匀混合后输出，经过预处理进入燃气分析测试仪器。将取样器设计成扁平结构，在提高腔体强度的同时，还有效减少了迎风面积。取样器采用水冷方式，内设有导流板，同时取样器边角采用圆弧或斜板结构，能有效避免涡流的产生和聚集，提高冷却效果。此种结构的取样器已成功应用于热点温度达2100℃的燃烧室燃气取样。

图2　燃气取样器

图3　摆盘及取样器安装

燃气取样采用摆动方式，将混合式取样器安装于测量段的摆盘上，2只取样器呈180°分布，在试验过程中摆盘连续匀速摆动，以实现燃烧室整个出口截面上燃气的采集，其采得的燃气经混合器混合后进入测试仪器进行样气组分的实时分析。摆盘旋转180°完成1次样气采集，约耗时4 min，可实现270～280个采样点的测量，摆动测试方式如图3所示。

1.2气态污染物测试系统

分别采用非分光型红外分析仪、化学发光分析仪、总碳氢分析仪测量一氧化碳和二氧化碳、氮氧化物、未燃碳氢的体积分数（以CH4当量表示）。采用非分光型红外分析仪测量得到的是干基浓度，在样气进入仪器前，需用冷凝器将样气冷却到4℃左右，除去水分，然后再自然升温。进入化学发光分析的样气温度保持在65±15℃，进入总碳氢分析仪的样气温度保持在160±15℃。

1.3排气冒烟系统

排气冒烟系统由主、副流路组成，主流路上安装有能夹持滤纸的松紧夹头。主、副流路的管道弯曲半径不小于取样管径的10倍［7-9］。主、副流路间的切换通过PC机控制高温电磁阀实现。在管路出口处设有温度、压力传感器和浮子流量计来监控来流温度、压力和流量。为避免未燃碳氢在管壁上凝结影响取样，管路保温在100℃左右，排气冒烟系统如图1所示。由于主流路电磁阀正对气流，试验准备状态气流由副流路流出时，会有极微量的固体颗粒集聚在主流路电磁阀处，为减小在电磁阀积存的颗粒物对测量结果的影响，在每次测试前，先接通主路，吹除沉积的颗粒物。

2　试验结果分析

在某高压全环燃烧室上进行试验，试验器主要由进排气系统、燃油系统、冷却水系统、电气系统、测试系统等组成。试验用航空煤油的热值为42650 kJ/kg，氢碳摩尔比为1.923，L0=14.67139。试验中摆盘顺时针摆动采集记为01，逆时针摆动采集记为02，具体试验状态见表1。

表1　燃烧室试验状态

2.1油气比及燃烧效率的测试结果分析

油气比通过燃气分析法和流量法2种方式进行测试，燃烧效率通过燃气分析和电偶法测量。燃气分析法通过测量燃气组分计算得到燃烧效率与油气比，具体计算公式见文献［10］。

流量法油气比通过测量燃烧室进口燃油流量和空气流量计算得到。燃油流量采用涡轮流量计测得，精度为±0.5%，空气流量采用流量孔板测量，试验前流量孔板用临界流文丘里喷嘴校准，其误差分布如图4所示。从图中可见，当空气流量大于20 kg/s时，空气流量的测量误差小于1%；而在小于20 kg/s时，空气流量的测量误差较大；当空气流量在10 kg/s时，误差约为2.5。在燃油流量控制精确的情况下，试验的油气比误差将由空气流量误差导致。

图4　试验喷嘴相对标准喷嘴误差

油气比和燃烧效率的试验结果分别见表2、3。从表2、3中可见，在状态2～5%下，油气比的偏差为-0.95%～-1.41%，燃烧效率的偏差为3.94%～4.85%，表现出良好的稳定性和重复性，而在状态1下，油气比较其他状态的平均偏差大3.32%，燃烧效率的偏差较其他状态的平均偏差大3.76%。

表2　油气比数据

表3　燃烧效率数据

燃气分析误差精度在1.1%以内［11］，燃油流量的测量误差小于0.5%，通常热电偶测量的温度误差随着测量温度的升高而增大，在慢车状态下由于排气温度较低，测量温度的精度较高，8.13%的燃烧效率偏差明显不合理，初步确定燃烧效率和油气比的偏差扩大是由空气流量测量误差引起的。

首先以燃气分析油气比为基准，以慢车状态与状态2～5的平均偏差的差值对慢车状态的流量法油气比进行修正，在慢车状态下的油气比为0.01099，再以此油气比及热电偶测量的燃气温度通过焓值法重新计算得到的燃烧效率为91.07%，与采用燃气分析法得到的燃烧效率的偏差变为3.27%。燃气分析法计算燃烧温度在不高于1200℃时，采用平均定压比热法，在高于1200℃时，考虑热离解作用采用焓值法，热电偶燃烧温度的计算采用焓值法。热电偶燃烧效率修正后显示随着燃气温度的提高，采用热电偶温升法测量的燃烧效率与采用燃气分析法测量的燃烧效率偏差有增大的趋势，这是由热电偶的测量原理引起的，热电偶测温精度的影响因素较多，如环境温度、偶丝固定端温度、隔热罩黑度、气流外壁面温度、偶丝表面的催化效应等［12］，随着被测燃气温度的升高，热辐射和对流换热损失的增加导致测量温度与燃气实际温度误差增大，进而导致燃烧效率的误差变大。燃气分析测量不受环境因素影响，误差来源较为稳定。

通常航空发动机或燃气轮机主燃烧室燃烧效率在慢车状态下的设计指标为98.5%，在其他状态下为99.5%以上［13-15］，试验件在慢车状态下的燃烧效率仅为94.34%，远低于设计指标，表明在慢车状态下燃油雾化和油气匹配需要改善。

此外，由于燃烧室在不同工作状态下的空气流量变化很大，而试验器用于测量空气流量孔板的量程比一般为3，超过工作范围就会导致测量精度大幅下降，应采用分级测量或更换更大量程比的流量测量装置，以适应发动机燃烧室的工作范围。

2.2气态污染物测试结果分析

航空发动机气态污染物测试包括对一氧化碳、氮氧化物和未燃碳氢的排放含量的测试。用燃气分析法测得几种物质的排放指数，计算公式见文献［10］。

气态污染物随油气比的变化趋势如图5所示。气态污染物排放指数见表4，CO和THC的排放指数随着油气比的增大而减小，NOx的排放指数随着油气比的增大而增大。当油气比大于0.028时，CO和THC的排放指数接近于0。

图5　气态污染物随油气比的变化趋势

表4　气态污染物排放指数

2.3排气冒烟测试结果

用取样器进行燃气取样，完成2次燃气冒烟数的测试（分别如图2、6所示）。取样器混合腔为方形结构（图2），燃气很容易在方形结构的边角处形成旋涡，在测航空发动机燃烧室排气冒烟时，固体的燃气颗粒会积聚在方形结构的边角处，造成冒烟数的测量值偏低。考虑到混合腔的影响，对取样器的结构进行优化，将混合腔改为锥形结构，如图6所示。依照HB6116-1987要求对燃烧室排气冒烟进行测试。2次排气冒烟测试数据见表5，第1次测试采用如图2所示的取样器，第2次测试采用如图6所示的取样器，2次测试均无可见冒烟。但第2次测试的冒烟数明显大于第1次测试的，并且冒烟数随着试验油气比的增大而增大，符合燃烧室排放规律，证实了在测量航空发动机固态污染物时，锥形混合腔结构要优于方形混合腔结构，使取样器结构得到进一步优化，提高了排气冒烟的测试精度。

图6　改进后的取样器结构

表5　排气冒烟测试结果

3　结论

（1）通过分析慢车状态误差偏高的原因，表明了燃气分析法是1种准确、可靠的燃烧室性能测试方法；

（2）改进的取样器混合方式有效地防止了固体颗粒物在混合腔内的堆积，提高了排气冒烟的测试精度；

（3）摆动测量方式能实现整个取样截面上的样气收集，使取样更具代表性，测试结果更接近真实值。

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（编辑：张宝玲）

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基金项目：航空动力基础研究项目资助

李亚娟（1988），女，工程师，从事燃气分析工作；E-mail：liyajuanhit@163.com。

引用格式：李亚娟，王明瑞，葛新，等.基于燃气分析法的航空发动机燃烧室性能研究［J］.航空发动机，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.