航空發動機溫升燃燒效率校準方法研究

趙儉，劉重陽，王玉芳，胡林陶，吳志珺

1.航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095

2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，綿陽 621000

0 引言

燃燒效率是燃燒室的核心性能參數，燃燒效率計算準確，不僅有利于提高航空發動機的性能和品質，還有利于節省燃油并減少排放量。如果不能準確獲取燃燒效率，則會影響發動機推力、油耗等關鍵指標的評判結果。另外，燃燒效率與總壓恢復系數等參數相互影響、相互制約，在匹配燃燒室的總體性能時，也要求對燃燒效率進行準確測量[1-4]。

歐美各國在燃燒室部件氣動性能參數現場校準方面進行了大量研究，研究者將理論分析、流場數值模擬和試驗結果進行比對分析，提高了測量的準確度和可信度。美國航空航天局（NASA）針對溫度傳感器和壓力探針的校準應用、誤差分析等展開了研究，探討了探針支桿對流場結構的影響，但對測量位置及探針支桿直徑等關鍵測試細節，以及如何修正支桿對部件氣動性能影響的處理方法未做詳細論述[5]。國外對氣流溫度、壓力等單參數的測量準確度相對較高，如美國普拉特·惠特尼公司對燃燒室出口氣流溫度的（最高2 073 K）測量誤差不超過 ± 0.5%[6]。近年來，非接觸式測量儀器逐漸被應用于燃燒室部件性能試驗，如NASA 在燃燒室性能試驗時引入了平面激光誘導熒光測量儀（PLIF）、相干反斯托克斯拉曼散射光譜測量儀（CARS）等基于激光的測量儀，德國宇航中心（DLR）在High-pressure Combustor Rig Stuttgart（HBK-S）上配置了相位多普勒粒子分析儀（PDPA）、粒子圖像測速儀（PIV）、PLIF、CARS 和激光誘導白熾光煙霧粒子成像分析儀（LII）等光學測量儀器[7]。

航空發動機溫升燃燒效率為綜合參數，由不同測量截面的溫度計算得到。目前溫升燃燒效率的計算準確性依靠單參數在實驗室的校準來保證，但由于各參數間存在耦合，且實驗室環境與現場也存在差異，導致所獲燃燒效率的準確性不夠高。在以燃燒室進、出口溫度計算溫升燃燒效率時，經常會出現燃燒效率大于1 的情況[8-9]。出現這種情況可能有2 種原因：一是對溫度傳感器測量結果修正過度，使得修正后的溫度高于實際溫度；二是試驗現場存在火焰效應，火焰輻射能量疊加于溫度傳感器敏感元件上，使得溫度傳感器測得的溫度偏高。由于溫升燃燒效率難以準確獲取，目前國內部分研究者不得不使用燃氣分析法計算燃燒效率。本文針對此問題，通過采用高準確度的現場參考溫度傳感器，提出測點修正因子，得到更為準確的溫升燃燒效率。

1 校準設備

校準設備為某全環燃燒室。該燃燒室主要由4 部分組成：前轉接段、試驗件、位移機構和后轉接段，如圖1所示。

圖1 校準設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of calibration equipment

試驗件主要由前置擴壓器、頭部、火焰筒和機閘組成?；鹧嫱膊捎煤蠖斯潭ǖ姆椒ǘㄎ?。頭部設計考慮了拆裝的便捷性，主、副油路和頭部軸向渦流器采用一體化設計。

2 參考溫度傳感器

參考溫度傳感器包括進、出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器，其中進、出口參考溫度傳感器作為校準時的參考標準，媒介溫度傳感器用于現場參數傳遞。

如圖2所示，進口參考溫度傳感器為單點直型單屏蔽式結構，偶絲為K 型。為使導熱誤差足夠小，偶絲伸出部分的長徑比設計為10，屏蔽罩進、出氣口面積比直接影響內流速度，進而影響傳感器的輻射誤差、導熱誤差和速度誤差。根據傳熱與氣動計算結果，在進口工況條件下，最佳進、出氣口面積比為1。

圖2 進口參考溫度傳感器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of inlet reference temperature sensor

如圖3所示，出口參考溫度傳感器為單點、大長徑比的L 型雙屏蔽式結構[10-12]，偶絲為B 型，外殼頭部為貴金屬材料。L 型長徑比更大，可減小導熱誤差；雙屏蔽式結構可減小輻射誤差。在給定工況下，通過仿真得到理想的內流速度，使出口參考溫度傳感器的輻射誤差、導熱誤差和速度誤差等綜合測溫誤差最小[13-15]，適宜作為現場參考標準。

圖3 出口參考溫度傳感器結構示意圖Fig.3 Structure diagram of outlet reference temperature sensor

媒介溫度傳感器為五點水冷耙，如圖4所示，5 個測點等間距分布，所有測點均為單屏蔽式結構，偶絲為B 型，屏蔽罩為貴金屬材料。為減小導熱誤差，被校溫度傳感器外形設計為大長徑比的L 型結構[16-19]。

圖4 媒介溫度傳感器結構示意圖Fig.4 Structure diagram of medium temperature sensor

3 校準原理

溫升燃燒效率校準的原理是通過研制高準確度參考溫度傳感器，與實測溫度傳感器一起安裝于燃燒室，利用參考溫度傳感器所測溫度計算溫升燃燒效率，與用實測溫度傳感器所測溫度計算的溫升燃燒效率進行比較，以達到校準的目的。

區別于用作參考標準的參考溫度傳感器，實測溫度傳感器指燃燒室試驗時用于實際溫度測量的傳感器，亦即工作器具，一般設計為多點單屏蔽式結構，其測量準確度通常低于參考溫度傳感器。

根據相關不確定度分析可知[20]，溫升燃燒效率對出口溫度相對更為敏感。通過采用大長徑比L 型雙屏蔽式結構的出口參考溫度傳感器，并對其結構尺寸進行優化，使傳感器達到較高的準確度。由于雙屏蔽式傳感器結構受限，出口參考溫度傳感器僅能設計為單點式，需將其與媒介溫度傳感器相結合進行數據修正，以得到整個截面上準確的溫度值。

4 校準方法

燃燒室進、出口測量截面分別有3 個和4 個安裝座，進口測量截面安裝座為固定式，出口測量截面安裝座可隨位移機構旋轉。進口測量截面3 個固定式安裝座分別用于安裝進口參考溫度傳感器、進口參考壓力探針、進口實測溫度傳感器，如圖5所示。進口參考溫度傳感器和進口參考壓力探針作為參考標準，分別用于燃燒室進口溫度和總壓測量；進口實測溫度傳感器作為工作器具，用于測量燃燒室進口溫度。

圖5 進口測量截面安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of inlet measuring section

出口測量截面的4 個安裝座分別安裝出口參考溫度傳感器、媒介溫度傳感器、出口實測溫度傳感器及五點取樣耙。其中，出口參考溫度傳感器作為參考標準，用于測量燃燒室出口溫度；媒介溫度傳感器用于測點修正；出口實測溫度傳感器（五點單屏蔽式結構，外殼水冷，其結構型式與媒介溫度傳感器類似，但關鍵尺寸有所不同）作為工作器具，用于測量燃燒室出口溫度；五點取樣耙用于為燃氣分析儀取樣。圖6 為出口測量截面安裝示意圖。

圖6 出口測量截面安裝示意圖Fig.6 Installation diagram of outlet measuring section

啟動系統，進行校準試驗，記錄進口測量截面和出口測量截面的數據。進口測量截面采用固定安裝方式；出口測量截面采用連續旋轉方式，每間隔3°記錄一次數據，旋轉1 周，傳感器每個測點可記錄周向120 個位置的數據。選取3 個狀態進行試驗，3 個狀態按溫度由低到高分別記為低狀態、中狀態和高狀態。溫升燃燒效率ηT按下式計算：

式中：Tt4為出口截面平均溫度；Tt3為進口截面平均溫度；Tt40為燃料完全燃燒時燃燒室出口溫度，可由理論公式計算得到，不受實際測量結果影響。

在校準試驗中，出口實測溫度傳感器與媒介溫度傳感器各測點徑向位置均一一對應，出口參考溫度傳感器的徑向位置與出口實測溫度傳感器和媒介溫度傳感器的測點3 對應。媒介溫度傳感器測點3 所測溫度與出口參考溫度傳感器所測溫度的比值f為：

式中：T4m3為媒介溫度傳感器測點3 所測溫度（周向平均）；T4r3為出口參考溫度傳感器所測溫度（周向平均）。

溫度傳感器的性能主要取決于結構[21]，可認為媒介溫度傳感器其他測點所測溫度與對應測點出口參考溫度的比值也為f，稱f 為測點修正因子。按上述方法，推算出媒介溫度傳感器測點1、測點2、測點4 和測點5 所對應位置的參考溫度：

式中：T4ri為媒介溫度傳感器測點i 所對應位置的參考溫度（周向平均）；T4mi為媒介溫度傳感器測點i 所測溫度（周向平均）。

除保持媒介溫度傳感器各測點的設計結構一致外，還需通過各測點加工裝配的一致性來保證測點修正因子的一致性，并于校準試驗前在熱校準風洞上進行驗證。

計算測點1～5 對應位置參考溫度的算術平均值，得到修正后出口截面平均參考溫度T4ra：

得到參考溫度和實測溫度傳感器所測溫度后，用式（1）計算參考溫升燃燒效率和被校溫升燃燒效率。作為比較，同時采用燃氣分析系統測量燃燒產物各組分濃度，并根據各組分濃度計算燃燒效率。

燃氣分析系統包括五點取樣耙、取樣管路、燃氣分析儀、標準樣氣和數采系統。燃氣分別由5 個取樣管取樣，混合后進入燃氣分析儀。分別采用非分光型紅外分析儀、化學發光分析儀、總碳氫分析儀測量CO 和CO2、NOx、UHC 的體積分數。利用全成分法計算燃燒效率：

式中：φ為該成分的體積分數，h為燃燒室進口空氣摩爾含濕量，n0為參與燃燒的干空氣摩爾數，m 為燃燒的碳原子數，z 為中間變量。

5 校準結果與分析

出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器測得的各周向位置溫度如圖7～9所示，均值和方差如表1～3所示。將出口參考溫度傳感器旋轉至正上方時的位置定義為周向位置起點。

表1 出口參考溫度傳感器、媒介溫度傳感器所測溫度的均值和方差（低狀態）Table 1 Mean values and variances of temperatures measured by outlet reference temperature sensor and medium temperature sensor（low state）

表2 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測溫度的均值和方差（中狀態）Table 2 Mean values and variances of temperatures measured by outlet reference temperature sensor and medium temperature sensor（medium state）

表3 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測溫度的均值和方差（高狀態）Table 3 Mean values and variances of temperatures measured by outlet reference temperature sensor and medium temperature sensor（high state）

圖7 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測溫度（低狀態）Fig.7 Temperature measured by outlet reference sensor and medium temperature sensor（low state）

圖8 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測溫度（中狀態）Fig.8 Temperature measured by outlet reference sensor and medium temperature sensor（medium state）

圖9 出口參考溫度傳感器和媒介溫度傳感器所測溫度（高狀態）Fig.9 Temperature measured by outlet reference sensor and medium temperature sensor（high state）

出口參考溫度計算結果如表4所示。由表4 可以看出，媒介溫度傳感器的測量值高于出口參考溫度傳感器的測量值，這可能是由火焰效應造成的：參考溫度傳感器由于采用了雙屏蔽式結構，對火焰的屏蔽效果相對更好。隨著溫度升高，測點修正因子減小，這說明對于單屏蔽式大長徑比L 型結構的溫度傳感器而言，溫度越高，結構優化效果越好。

表4 出口參考溫度計算結果Table 4 Outlet reference temperature calculation results

實測溫度傳感器測得的各位置溫度如圖10～12所示，均值和方差如表5～7所示。類似的，將出口參考溫度傳感器旋轉至正上方時的位置定義為周向位置起點。

表5 實測溫度傳感器所測溫度的均值和方差（低狀態）Table 5 Mean values and variances of temperatures measured by practical temperature sensor（low state）

表6 實測溫度傳感器所測溫度的均值和方差（中狀態）Table 6 Mean values and variances of temperatures measured by practical temperature sensor（medium state）

表7 實測溫度傳感器所測溫度的均值和方差（高狀態）Table 7 Mean values and variances of temperatures measured by practical temperature sensor（high state）

圖10 實測溫度傳感器所測溫度（低狀態）Fig.10 Temperature measured by practical temperature sensor（low state）

圖11 實測溫度傳感器所測溫度（中狀態）Fig.11 Temperature measured by practical temperature sensor（medium state）

圖12 實測溫度傳感器所測溫度（高狀態）Fig.12 Temperature measured by practical temperature sensor（high state）

燃燒效率校準結果如表8所示。表8 中，Tt40為各狀態下燃料完全燃燒時的燃燒室出口溫度，T41a為出口實測溫度傳感器在整個截面上測量結果的平均值（簡稱“實測溫度”），ηT41為采用實測溫度計算獲得的燃燒效率（簡稱“實測溫升燃燒效率”），ηT4r為采用參考溫度計算獲得的燃燒效率（簡稱“參考溫升燃燒效率”）。

表8 燃燒效率校準結果Table 8 Combustion efficiency calibration results

由表8 可以看出，各狀態下實測溫度均高于燃料完全燃燒時的燃燒室出口溫度，說明實測溫度傳感器在測量時存在誤差。實測溫升燃燒效率均大于1，且隨溫度升高而升高，這說明高狀態下的溫升燃燒效率相對更難以準確獲??；其直接原因是溫度越高，實測溫度偏離參考溫度越多。

燃氣分析燃燒效率計算結果如表9所示。表9中，余氣系數指進入燃燒室的空氣量與燃燒室燃油完全燃燒所需空氣量之比，設備余氣系數指燃燒室的總余氣系數，燃氣分析余氣系數指燃氣分析系統本地的余氣系數。由表9 可見，除低狀態外，另外2 個狀態的設備余氣系數和燃氣分析余氣系數偏差較小，表明取樣代表性較好。

表9 燃氣分析燃燒效率測量計算結果Table 9 Gas analysis combustion efficiency measurement and calculation results

總體來看，參考溫升燃燒效率與燃氣分析燃燒效率相對比較接近，二者相對偏差為0.3%～2.1%；實測溫升燃燒效率與燃氣分析燃燒效率相差較大，二者的相對偏差為3.4%～6.9%。對于溫升燃燒效率，參考溫升燃燒效率均小于1，實測溫升燃燒效率均大于1。理論上，燃燒效率不應大于1，因此實測溫升燃燒效率應經校準、修正后使用。

6 結論

采用單點大長徑比L 型雙屏蔽式結構的出口參考溫度傳感器與媒介溫度傳感器相結合的方法，可以準確獲取溫升燃燒效率。參考溫升燃燒效率與燃氣分析燃燒效率的對比結果表明，二者的相對偏差為0.3%～2.1%。