环管燃烧室火焰筒空气流量试验

2019-09-06张恒昕杜昌昵

火箭推进 2019年4期

陈帆,武越,张恒昕,杜昌昵

(西安航天动力研究所，陕西西安 710100)

0 引言

作为航空发动机燃烧室的重要组件，火焰筒是组织燃烧的场所，是保证空气分股、燃烧充分、掺混均匀并使壁面得到有效冷却的关键部件，燃烧室的可靠性、经济性和寿命在很大程度上取决于火焰筒的可靠性和有效程度[1-2]。环管型燃烧室是一种常见的燃烧室形式，燃烧室内设置有多台火焰筒，火焰筒流量特性的一致性直接决定燃烧室出口燃气分布均匀性，从而影响发动机的性能与可靠性。因此，在火焰筒的研试、出厂鉴定、故障诊断等环节[3-6]，通常会进行空气流量试验，为保证火焰筒状态的一致性，确保发动机质量，要求同批次火焰筒在同一工况下流量相对偏差小于±(1.5～4)%。目前，国内外通常采用模拟压比、模拟马赫数的方法，选取可覆盖模拟区间的一系列工况点对火焰筒进行冷空气流量试验，通过相似理论将试验结果折算至标准状态进行比较[7-8]。但在数据折算中忽略了实际工况点偏差、流动损失等因素，影响了对火焰筒一致性的真实准确评估。

本文通过对现有火焰筒流量数学模型进行误差传递分析，获取产品入口压力偏差对试验结果的影响关系，设计一种基于两级扩散整流集气装置的空气流量试验系统，以实现对入口压力的精确控制，提高试验效率与数据质量。

1 试验原理及误差分析

1.1 试验原理

火焰筒结构如图1所示，试验时采用橡胶塞将火焰筒联焰管口、燃油入口封死，火焰筒安装于集气装置中，出口与大气环境相通，通过试验获取旋流器、主燃孔、掺混孔等火焰筒实际工作状态下的空气总流量。

图1 火焰筒结构示意图Fig.1 Schematic of flame tube structure

压比模拟法：试验过程中，控制集气装置内压力(即火焰筒入口空气压力)，使得火焰筒进、出口试验压比范围可覆盖实际工作压比。

马赫数模拟法：要求在试验中火焰筒出口马赫数与实际工作中该参数值近似相等，火焰筒出口马赫数

(1)

(2)

由式(2)可获得工作状态马赫数时火焰筒进、出口压比值p1/p2。

综合上述方法，计算后选择火焰筒入口压力分别为20 kPa，40 kPa，60 kPa和80 kPa，每个工况点维持10 s，重复2次。

1.2 数据处理方法

由于每个火焰筒试验时间不尽相同，环境条件有所差异，为增强数据的可比性，将实际记录数据按照相似理论折算到标准状态(大气压为101.325 kPa，温度15 ℃)。

火焰筒入口工装截面处气流马赫数

(3)

式中：V为出口速度，c为当地声速；qm为空气流量；R为气体常数；A1为测点p1和T1所在工装截面的截面积。试验压力滞止参数

(4)

式中pa为环境大气压。试验温度滞目参数

(5)

气体流量

(6)

式中:q(λ)为气动函数;A为火焰筒出口截面积。根据速度因数λ与静压总压之比关系

(7)

(8)

利用式(3)～式(8)，即可通过试验实测值获得火焰筒实际出口截面积A与常数K的乘积C，即

(9)

(10)

1.3 误差分析

由于数据折算时假设流动为绝热等熵过程，忽略了试件中的流动损失，真实状态下C值还包含流动损失系数ξ(p)[10]，因为试验过程中仅针对入口压力p1进行调整，ξ(p)值的变化仅与入口压力相关(试验数据显示，在额定工况区间内，该产品ξ(p)随压力的增加近似线性变大)，而实际p1值不可避免会与额定值存在偏差，当考虑p1偏差时，C值可表示为

C=ξ(p)AK

(11)

(12)

(13)

(14)

由误差传递计算得到，单个试件折合流量相对偏差值δ的绝对误差

(15)

(16)

上述分析获得了入口压力偏差对试件折合流量相对偏差δ的影响关系，记试件流量绝对误差Δδ的绝对值为τ，对试件特性的判定如图2所示。

图2 产品特性判定分析Fig.2 Determination analysis of product feature

若忽略数据折算误差时，试件的相对流量偏差δ在±1.5%的区间之内，认为产品合格。实际试验过程中，若试验测得的δ值位于区间[(-1.5+τ)%，(1.5-τ)%]，则试件δ实际值必位于[-1.5%，+1.5%]，试件合格。同理，当δ位于[-∞，-(1.5+τ)%]与[(1.5+τ)%，+∞]时，考虑误差情况下，δ实际值也必然位于[-∞，-1.5%]与[+1.5%，+∞]，试件不合格；当δ位于[-(1.5+τ)%，(-1.5+τ)%]与[(1.5-τ)%，(1.5+τ)%]时，试件可能合格，亦可能不合格，此时若实际试验入口压力为正偏差，δ位于[-(1.5+τ)%，-1.5%]时，可判断产品不合格(试验入口压力越靠近额定值时，实际流量将越小，与平均折合流量的偏差绝对值将越大)；若实际试验入口压力为正偏差，δ位于[(1.5-τ)%，1.5%]时，可判断产品合格(试验入口压力越靠近额定值时，实际流量约小，与平均折合流量的偏差绝对值将越小)。同理，若实际试验入口压力为负偏差，实测δ位于[1.5%，(1.5+τ)%]时，可判断产品不合格；实测δ位于[-1.5%，-(1.5-τ)%]时，可判断产品不合格。下述两种情况无法对产品特性进行判定：①当实际试验入口压力为负偏差，实测δ位于[(1.5-τ)%，1.5%]、[-(1.5+τ)%，-1.5%]；②当实际试验入口压力为正偏差，实测δ位于[-1.5%，-(1.5-τ)%]、[1.5%，(1.5+τ)%]时。此时，需尽量缩小入口压力偏差值，对该试件重复试验。

对试验数据处理的误差分析表明：提高试验系统入口压力精度可缩小不可判定区间，提高试验效率和质量。

2 试验系统原理

系统原理如图3所示，系统由气源、截止阀、流调阀、流量计、集气装置及管路组成。空气气源由不少于8个的容积4 m3、压力不低于9 MPa高压气瓶组成(设计压力35 MPa)，对于单个工况点试验气源每秒钟相对压降小于0.045%，可认为是恒压，气源截止阀后设置气源压力测点。为实现对入口压力的精确控制，空气通过两台电动流调阀进行粗调(TJ01)和精调(TJ02)，试验中先通过TJ01调节阀将集气装置内压力调至额定工况点附近，然后通过TJ02调节阀将最终压力控制在要求范围之内。采用高压大容量气源可省去传统方案中流调阀前设置的减压器设备，从而减少了诱发气流压力波动的来源，对提高入口压力稳定性及控制入口压力的精度具有积极意义。

图3 系统原理图Fig.3 Schematic of experimental system

流量调节阀通过电动执行机构调节阀芯开度，阀门采用等百分比调节方式，以保证在不同开度时具有相同的调节精度。集气装置结构原理如图4所示，为提高产品入口区域流场压力的精度与稳定性，根据相关资料结合本试验自身特点，集气装置采用两级扩散整流方案，由一级扩散段、二级扩散段、平直段、一级整流栅、二级整流栅及产品固定工装组成，产品入口截面设置总温、总压测点，对来流参数进行监测。

图4 集气装置示意图Fig.4 Schematic of gas collecting device

为保证气流在平直段前得到较好的流场品质，同时考虑扩散段整体长度，采用两级扩散方案。根据相关文献[11-12]，为缩短长度，扩散角可取20°～30°，一级扩散段长度为360 mm，扩张角选择25°。一级扩散段末端设置一级整流栅，将前端紊乱不均匀的气流稳定下来，衰减或降低流场中可能存在的漩涡或截面处的压强梯度。通过一级扩散和整流后，气流速度的方向和大小具有较好的均匀度，为进一步改善和提高流场品质，设置二级扩散段，为降低流速、减少能量损失，扩散角一般为5°～8°之间，二级扩散段扩散角选择7.5°，最大直径与平直段直径相等。

火焰筒流量试验过程中，为确保集气装置平直段内空气流速较低且分布均匀，气流总压与静压近似相等，取平直段内平均气流速度<5 m/s，结合该型火焰筒流量特性，平直段直径D为600 mm。平直段长度L与产品箱内安装状态下的轴向长度L1和直径D有关，根据相关资料，L=L1+0.6D，圆整后平直段长度取1 000 mm。平直段距离出口端面130 mm处设置总压测点与总温测点。

一级扩散段出口与平直段入口处均安装孔板式整流栅。根据相关文献[13-14]，一般要求开孔比，即整流孔总面积Ak与截面面积A2之比Ak/A2≈0.6～0.7。但根据实际经验，为保证整流栅强度，开孔比不大于0.6，单孔直径8 mm，开孔比为0.55，整流栅厚度15 mm。

3 试验结果及分析

选取16台火焰筒作为一组开展空气流量试验，图5为入口压力20 kPa，40 kPa，60 kPa和80 kPa下试验数据。试验数据显示：试件入口压力均值与额定工况点的偏差位于±0.05 kPa范围之内，入口压力脉动值随入口压力值的增大而增大，压力脉动相对值小于0.25%，充分验证了系统入口压力的控制精度以及集气装置内气流品质。