航空发动机温升燃烧效率校准方法研究.pdf
《航空发动机温升燃烧效率校准方法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《航空发动机温升燃烧效率校准方法研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、文章编号:1672-9897(2023)05-0049-07doi:10.11729/syltlx20220139航空发动机温升燃烧效率校准方法研究赵俭1,*,刘重阳2,王玉芳1,胡林陶1,吴志珺11.航空工业北京长城计量测试技术研究所,北京1000952.中国航发四川燃气涡轮研究院,绵阳621000摘要:燃烧效率是航空发动机的关键气动性能参数,其准确获取对提高航空发动机性能、节省燃油、减少排放及匹配燃烧室总体性能等都具有重要意义。针对航空发动机温升燃烧效率的准确获取问题,设计了高准确度的进口参考温度传感器、出口参考温度传感器和媒介温度传感器,将出口参考温度传感器与媒介温度传感器相结合,提出并
2、使用测点修正因子,实现了航空发动机温升燃烧效率现场校准。结果表明:所采用的温升燃烧效率校准方法合理、结果可信,参考温度传感器所得温升燃烧效率与燃气分析燃烧效率的相对偏差为 0.3%2.1%。关键词:航空发动机;燃烧效率;校准;温升;温度传感器中图分类号:TH7文献标识码:AResearch on calibration method of aeroengine temperature risecombustion efficiencyZHAO Jian1,*,LIU Chongyang2,WANG Yufang1,HU Lintao1,WU Zhijun11.Beijing Changchen
3、g Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China2.Sichuan Gas Turbine Research Institute,Mianyang621000,ChinaAbstract:Combustionefficiencyisakeypneumaticperformanceparameteroftheaeroengine,anditsaccurateacquisitionisimportantforimprovingperformancequalityofaeroengines,savingfuel,reducing emi
4、ssion and overall performance matching of the combustion chamber.Foraccurateacquistionoftheaeroenginetemperaturerisecombustionefficiency,aninletreferencetemperaturesensor,anoutletreferencetemperaturesensorandamediumtemperaturesensorwithhighaccuracyaredesigned,measurementpointcorrectionfactorispropos
5、edandusedbasedon the combination of the outlet reference sensor and medium temperature sensor,and fieldcalibrationoftheaeroenginetemperaturerisecombustionefficiencyisrealized.Theresultsshowthattheadoptedtemperaturerisecombustionefficiencycalibrationmethodisreasonable,thecalibrationresultisreliable,a
6、ndtherelativedeviationbetweenthetemperaturerisecombustionefficiency measured by the reference temperature sensors and computed by the gas analysiscombustionefficiencyis0.3%to2.1%,andthusthemethodcansolvethecalibrationproblemoftheaeroenginetemperaturerisecombustionefficiency.Keywords:aeroengine;combu
7、stion efficiency;calibration;temperature rise;temperaturesensor 0 引言燃烧效率是燃烧室的核心性能参数,燃烧效率计算准确,不仅有利于提高航空发动机的性能和品质,还有利于节省燃油并减少排放量。如果不能准确获取燃烧效率,则会影响发动机推力、油耗等关键收稿日期:2022-12-08;修回日期:2023-05-08;录用日期:2023-05-16基金项目:发动机专项*通信作者E-mail:引用格式:赵俭,刘重阳,王玉芳,等.航空发动机温升燃烧效率校准方法研究 J.实验流体力学,2023,37(5):49-55.ZHAOJ,LIUCY,WA
8、NGYF,etal.ResearchoncalibrationmethodofaeroenginetemperaturerisecombustionefficiencyJ.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2023,37(5):49-55.第37卷第5期实验流体力学Vol.37,No.52023年10月Journal of Experiments in Fluid MechanicsOct.,2023指标的评判结果。另外,燃烧效率与总压恢复系数等参数相互影响、相互制约,在匹配燃烧室的总体性能时,也要求对燃烧效率进行准确测量1-4。欧美各国在燃烧室部件气动
9、性能参数现场校准方面进行了大量研究,研究者将理论分析、流场数值模拟和试验结果进行比对分析,提高了测量的准确度和可信度。美国航空航天局(NASA)针对温度传感器和压力探针的校准应用、误差分析等展开了研究,探讨了探针支杆对流场结构的影响,但对测量位置及探针支杆直径等关键测试细节,以及如何修正支杆对部件气动性能影响的处理方法未做详细论述5。国外对气流温度、压力等单参数的测量准确度相对较高,如美国普拉特惠特尼公司对燃烧室出口气流温度的(最高 2073 K)测量误差不超过 0.5%6。近年来,非接触式测量仪器逐渐被应用于燃烧室部件性能试验,如 NASA 在燃烧室性能试验时引入了平面激光诱导荧光测量仪(P
10、LIF)、相干反斯托克斯拉曼散射光谱测量仪(CARS)等基于激光的测量仪,德国宇航中心(DLR)在 High-pressure Combustor RigStuttgart(HBKS)上配置了相位多普勒粒子分析仪(PDPA)、粒子图像测速仪(PIV)、PLIF、CARS 和激光诱导白炽光烟雾粒子成像分析仪(LII)等光学测量仪器7。航空发动机温升燃烧效率为综合参数,由不同测量截面的温度计算得到。目前温升燃烧效率的计算准确性依靠单参数在实验室的校准来保证,但由于各参数间存在耦合,且实验室环境与现场也存在差异,导致所获燃烧效率的准确性不够高。在以燃烧室进、出口温度计算温升燃烧效率时,经常会出现燃烧
11、效率大于 1 的情况8-9。出现这种情况可能有2 种原因:一是对温度传感器测量结果修正过度,使得修正后的温度高于实际温度;二是试验现场存在火焰效应,火焰辐射能量叠加于温度传感器敏感元件上,使得温度传感器测得的温度偏高。由于温升燃烧效率难以准确获取,目前国内部分研究者不得不使用燃气分析法计算燃烧效率。本文针对此问题,通过采用高准确度的现场参考温度传感器,提出测点修正因子,得到更为准确的温升燃烧效率。1 校准设备校准设备为某全环燃烧室。该燃烧室主要由4 部分组成:前转接段、试验件、位移机构和后转接段,如图 1 所示。前转接段试验件位移机构后转接段图 1 校准设备示意图Fig.1 Schematic
12、 diagram of calibration equipment试验件主要由前置扩压器、头部、火焰筒和机闸组成。火焰筒采用后端固定的方法定位。头部设计考虑了拆装的便捷性,主、副油路和头部轴向涡流器采用一体化设计。2 参考温度传感器参考温度传感器包括进、出口参考温度传感器和媒介温度传感器,其中进、出口参考温度传感器作为校准时的参考标准,媒介温度传感器用于现场参数传递。如图 2 所示,进口参考温度传感器为单点直型单屏蔽式结构,偶丝为 K 型。为使导热误差足够小,偶丝伸出部分的长径比设计为 10,屏蔽罩进、出气口面积比直接影响内流速度,进而影响传感器的辐射误差、导热误差和速度误差。根据传热与气动计
13、算结果,在进口工况条件下,最佳进、出气口面积比为 1。偶丝屏蔽罩图 2 进口参考温度传感器结构示意图Fig.2 Structure diagram of inlet reference temperature sensor如图 3 所示,出口参考温度传感器为单点、大长径比的 L 型双屏蔽式结构10-12,偶丝为 B 型,外壳头部为贵金属材料。L 型长径比更大,可减小导热误差;双屏蔽式结构可减小辐射误差。在给定工况下,通过仿真得到理想的内流速度,使出口参考温度传感器的辐射误差、导热误差和速度误差等综合测温误差最小13-15,适宜作为现场参考标准。媒介温度传感器为五点水冷耙,如图 4 所示,5 个
14、测点等间距分布,所有测点均为单屏蔽式结构,偶丝为 B 型,屏蔽罩为贵金属材料。为减小导热误50实验流体力学http:/差,被校温度传感器外形设计为大长径比的 L 型结构16-19。偶丝内屏外屏安装座图 3 出口参考温度传感器结构示意图Fig.3 Structure diagram of outlet reference temperature sensor屏蔽罩偶丝安装座绝缘瓷管冷却水接嘴外壳图 4 媒介温度传感器结构示意图Fig.4 Structure diagram of medium temperature sensor 3 校准原理温升燃烧效率校准的原理是通过研制高准确度参考温度传感器
15、,与实测温度传感器一起安装于燃烧室,利用参考温度传感器所测温度计算温升燃烧效率,与用实测温度传感器所测温度计算的温升燃烧效率进行比较,以达到校准的目的。区别于用作参考标准的参考温度传感器,实测温度传感器指燃烧室试验时用于实际温度测量的传感器,亦即工作器具,一般设计为多点单屏蔽式结构,其测量准确度通常低于参考温度传感器。根据相关不确定度分析可知20,温升燃烧效率对出口温度相对更为敏感。通过采用大长径比 L 型双屏蔽式结构的出口参考温度传感器,并对其结构尺寸进行优化,使传感器达到较高的准确度。由于双屏蔽式传感器结构受限,出口参考温度传感器仅能设计为单点式,需将其与媒介温度传感器相结合进行数据修正,
16、以得到整个截面上准确的温度值。4 校准方法燃烧室进、出口测量截面分别有 3 个和 4 个安装座,进口测量截面安装座为固定式,出口测量截面安装座可随位移机构旋转。进口测量截面 3 个固定式安装座分别用于安装进口参考温度传感器、进口参考压力探针、进口实测温度传感器,如图 5 所示。进口参考温度传感器和进口参考压力探针作为参考标准,分别用于燃烧室进口温度和总压测量;进口实测温度传感器作为工作器具,用于测量燃烧室进口温度。进口参考温度传感器进口实测温度传感器进口参考压力探针图 5 进口测量截面安装示意图Fig.5 Installation diagram of inlet measuring sect
17、ion出口测量截面的 4 个安装座分别安装出口参考温度传感器、媒介温度传感器、出口实测温度传感器及五点取样耙。其中,出口参考温度传感器作为参考标准,用于测量燃烧室出口温度;媒介温度传感器用于测点修正;出口实测温度传感器(五点单屏蔽式结构,外壳水冷,其结构型式与媒介温度传感器类似,但关键尺寸有所不同)作为工作器具,用于测量燃烧室出口温度;五点取样耙用于为燃气分析仪取样。图 6 为出口测量截面安装示意图。五点取样耙出口参考温度传感器出口实测温度传感器媒介温度传感器图 6 出口测量截面安装示意图Fig.6 Installation diagram of outlet measuring sectio
18、n启动系统,进行校准试验,记录进口测量截面和第 5 期赵俭等:航空发动机温升燃烧效率校准方法研究51T出口测量截面的数据。进口测量截面采用固定安装方式;出口测量截面采用连续旋转方式,每间隔 3记录一次数据,旋转 1 周,传感器每个测点可记录周向120 个位置的数据。选取 3 个状态进行试验,3 个状态按温度由低到高分别记为低状态、中状态和高状态。温升燃烧效率按下式计算:T=Tt4 Tt3Tt40 Tt3(1)式中:Tt4为出口截面平均温度;Tt3为进口截面平均温度;Tt40为燃料完全燃烧时燃烧室出口温度,可由理论公式计算得到,不受实际测量结果影响。f在校准试验中,出口实测温度传感器与媒介温度传
19、感器各测点径向位置均一一对应,出口参考温度传感器的径向位置与出口实测温度传感器和媒介温度传感器的测点 3 对应。媒介温度传感器测点3 所测温度与出口参考温度传感器所测温度的比值为:f=T4m3T4r3(2)式中:T4m3为媒介温度传感器测点 3 所测温度(周向平均);T4r3为出口参考温度传感器所测温度(周向平均)。温度传感器的性能主要取决于结构21,可认为媒介温度传感器其他测点所测温度与对应测点出口参考温度的比值也为 f,称 f 为测点修正因子。按上述方法,推算出媒介温度传感器测点 1、测点 2、测点 4 和测点 5 所对应位置的参考温度:T4ri=T4mif(3)式中:T4ri为媒介温度传
20、感器测点 i 所对应位置的参考温度(周向平均);T4mi为媒介温度传感器测点 i 所测温度(周向平均)。除保持媒介温度传感器各测点的设计结构一致外,还需通过各测点加工装配的一致性来保证测点修正因子的一致性,并于校准试验前在热校准风洞上进行验证。T4ra计算测点 1 5 对应位置参考温度的算术平均值,得到修正后出口截面平均参考温度:T4ra=155i=1T4ri(4)得到参考温度和实测温度传感器所测温度后,用式(1)计算参考温升燃烧效率和被校温升燃烧效率。作为比较,同时采用燃气分析系统测量燃烧产物各组分浓度,并根据各组分浓度计算燃烧效率。燃气分析系统包括五点取样耙、取样管路、燃气分析仪、标准样气
21、和数采系统。燃气分别由 5 个取样管取样,混合后进入燃气分析仪。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 CO 和 CO2、NOx、UHC 的体积分数。利用全成分法计算燃烧效率:=100 (46.896CO+132.822UHC)1+0.000 3n0mCO2+CO+UHCn0m=z 12(1+h 0.000 15z)z=2+NO2 COCO2+CO+UHC(5)h式中:为该成分的体积分数,为燃烧室进口空气摩尔含湿量,n0为参与燃烧的干空气摩尔数,m 为燃烧的碳原子数,z 为中间变量。5 校准结果与分析出口参考温度传感器和媒介温度传感器测得的各周向位置温度如图 7 9 所示
22、,均值和方差如表 1 3 所示。将出口参考温度传感器旋转至正上方时的位置定义为周向位置起点。980960温度/K94092090088086084050150350550参考媒介测点 1媒介测点 2媒介测点 3媒介测点 4媒介测点 5周向位置/()图 7 出口参考温度传感器和媒介温度传感器所测温度(低状态)Fig.7 Temperature measured by outlet reference sensor andmedium temperature sensor(low state)出口参考温度计算结果如表 4 所示。由表 4 可以看出,媒介温度传感器的测量值高于出口参考温度传感器的测量
23、值,这可能是由火焰效应造成的:参考温度传感器由于采用了双屏蔽式结构,对火焰的屏蔽效果相对更好。随着温度升高,测点修正因子减小,这说明对于单屏蔽式大长径比 L 型结构的温度传感器而言,温度越高,结构优化效果越好。实测温度传感器测得的各位置温度如图 1052实验流体力学http:/12 所示,均值和方差如表 5 7 所示。类似的,将出口参考温度传感器旋转至正上方时的位置定义为周向位置起点。表 1 出口参考温度传感器、媒介温度传感器所测温度的均值和方差(低状态)Table 1 Mean values and variances of temperatures measured byoutlet re
24、ference temperature sensor and medium tempera-ture sensor(low state)参量均值/K方差/K2参考温度945.86.6媒介测点1温度856.310.2媒介测点2温度915.87.9媒介测点3温度959.46.1媒介测点4温度918.79.2媒介测点5温度860.58.5表 2 出口参考温度传感器和媒介温度传感器所测温度的均值和方差(中状态)Table 2 Mean values and variances of temperatures measured byoutlet reference temperature sensor
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 航空发动机 燃烧 效率 校准 方法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。