工业仪表与自动化装置环管型燃烧室出口温度场调试

　　燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置。它是燃气涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机的重要部件。本文是一篇工业仪表与自动化装置投稿的论文范文，主要论述了环管型燃烧室出口温度场调试。
　　摘要：燃烧室在完成设计定型前，要对其出口的温度分布情况进行评估，以判定是否满足涡轮部件的要求。如果未达到标准要求就需要对燃烧室的部件进行调整，这种调整主要集中在火焰筒和喷嘴的相关结构参数上，调整的幅度应控制在一定范围内，以避免影响燃烧室的其它性能指标。

　　Abstract： Before finalizing the design of combustor， the exit temperature distribution condition should be evaluated so as to determine whether it meets the requirements of turbine parts. If it doesn't meet the standard requirements， the combustor shall be adjusted， mainly focusing on the flame tube and nozzle structure parameters. The debugging size should be controlled within certain range so as not to affect other performance indexes of the combustor.

　　关键词：温度场参数,环管,调试

　　Key words： temperature field parameters;vasicentric;debugging

　　中图分类号：V263.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311(2016)04-0134-03

　　0 引言

　　涡轮发动机燃烧室出口与涡轮导向叶片相对接，燃料燃烧形成高温燃气，经空气掺冷和混合，使温度降低。如果未能将高温燃气均匀的掺混，燃烧室出口处的燃气温度就会很不均匀，使涡轮叶片受热不均，降低涡轮导向叶片和工作叶片的寿命及其可靠性，因此在燃烧室设计定型前将燃烧室出口温度场调整至目标值十分必要。燃烧室出口温度场的调试方法与燃烧室的总体结构、设计参数都有一定的联系，其中的规律与影响程度需要进行试验摸索。

　　1 燃烧室试验情况简介

　　某型涡轮发动机燃烧室为环管式结构，共有20个管型火焰筒。进行燃烧室出口温度场调试时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α与工作状态相同，相应的降低空气流量和燃料流量。

　　评估出口温度场的指标是在燃烧室负荷最大、出口平均温度最高的情况下确定的，包括：①周向温度分布系数：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;②径向温度分布系数：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。

　　首次试验录取的周向温度分布系数和径向温度分布系数与涡轮部件提出的标准差距较大，具体情况见图1、2。

　　图中黑色曲线为标准要求的上、下限，灰色曲线为本次试验录取的参数曲线。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上半部三个截面上，而叶根位置则明显的偏低;以中间截面为分界面，扇形面上半部平均温度较下半部平均温度高出70℃左右。

　　2 调整方法及过程

　　2.1 调试方案介绍根据常规经验，调整喷嘴的流量和火焰筒的二股气流掺混孔尺寸可以有效的影响周向及径向温度分布。对于环管型式的燃烧室，单个喷嘴流量的调整余度比较小，对性能影响更直接。介于此项原因，本次调试准备先对火焰筒的二股气流掺混孔进行调整。

　　火焰筒掺混孔的布局是：火焰筒过渡段的背部有两个Φ32孔分布于垂直轴线两侧各18°，两个Φ26孔分布于垂直轴线两侧各54°，一个Φ14分布于垂直轴线上。在腹部有两个Φ32分布于垂直轴线两侧各18°，两个Φ26孔分布于垂直轴线两侧各54°。此4孔按水平轴线与背部的4孔对称分布。具体结构见图3。

　　2.2 历次调试过程根据第一次试验结果，调整的目标主要是降低扇形上半区域的平均温度。调整方案是：将火焰筒过渡段背部掺混孔中的两个Φ32孔加大至Φ40，增加掺混的进气量;将中间Φ14孔扩大，加装一个内径Φ16、长度为10mm的导管，形成冲击式冷却孔，以便增加射流深度。调整后的试验结果见图4、5。

　　从试验结果看，经过调整周向温度分布系数有显著降低，峰值有所下降，基本符合设计的要求，但是扇形下半区域的值低于了设计值的范围。分析认为：过渡段背部掺混孔加大后有效地分解了高温气流;径向温度分布系数变化不大，可以看出靠近壁面的平均温度略有提高，但热点仍然存在，这说明改装的进气导管在增加了射流深度的同时也降低了对壁面附近的冷却。
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　　增加扇形上半部的进气量，两种系数的曲线形式没有明显变化，说明火焰筒腹部的进气量要大于背部，这应与燃烧室的整体结构有关。因此后续的调试思路是继续增加上半部的进气量，降低下半部的进气量，以均衡平均温度。前后经过三次试验，这种调整思路做法取得了明显的效果，周向温度分布系数和径向温度分布系数的曲线已接近标准值。调试结果见图6、7。

　　经过对火焰筒过渡段掺混孔的调整，两种温度分布系数的曲线已接近标准要求，可以适当调整喷嘴，改变燃料的流量来进一步控制温度场。

　　经过两次喷嘴调整试验，降低喷嘴的流量、增加喷雾锥角的角度，最终的调试结果见图8、9。

　　完成喷嘴调试后，周向、径向温度分布参数曲线基本已符合标准，参数结果比指标要求高出2.7个百分点(约21℃)，最高平均温度截面在叶片相对高度的0.742处，而标准要求的最高平均温度截面在叶片高度的0.68处，调试结果最高平均温度截面略有上移，分析认为对涡轮叶片强度不会产生不利影响，是可以接受的。

　　3 调试结果分析及总结

　　从试验调整的过程看，影响燃烧室出口温度场的因素是多方面的，燃烧室的结构、喷嘴的工作特性、掺混形式、二股气流的流量等都对温度场有很大的影响;本次试验对喷嘴的流量进行了调整，从结果看，核心区的高温气流有明显的减小，以燃油作为燃料，燃烧的好坏对温度场产生更大的影响;增加掺混孔的直径可以增加掺混空气的射流深度，提高混合的效率，但不利于孔附近区域的掺混，甚至一定程度上增加该区域的平均温度。

　　从理论上分析，对于出口温度参数的调整，全环型燃烧室要比环管型的更为困难，因为环形火焰筒内的气流流动、喷嘴之间的相互影响都要相对单管形火焰筒复杂，为调整增加难度。本次环管型燃烧室的调试遇到的困难，并非影响因素复杂，而是资源紧张，空气流量、燃油流量、火焰筒可调整面积等都较全环型燃烧室少很多，调整幅度稍微过大就会出现相异的结果，需要对影响温度场的因素进行更为精确的控制，而这更好的诠释了 “控制燃烧”的思想。燃烧室的出口温度平均值是一定的，局部区域温度低，必然会使得部分温度升高，而调整温度场就是在控制冷、热气流，使之达到平衡，因此在调整过程中，过当的改动可能会适得其反。

　　参考文献：

　　[1]金如山.航空燃气轮机燃烧室[M].宇航出版社，1988：247.

　　[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].三版.高等教育出版社，1998：425.

　　[3]彭泽琰，刘刚.航空燃气轮机原理(上册)[M].国防工业出版社，2000：243.
　　相关期刊简介：《自动化与仪器仪表》杂志是由重庆市自动化与仪器仪表学会和重庆工业自动化仪表研究所主办，其特点是学术水平高、实用性强、覆盖面宽、发行量大、广告效果好。据中国科技信息研究所馆藏期刊借阅统计表明，她是最受读者喜爱的刊物之一。