CN108562440A - 空气流量分区控制的燃烧室试验装置及其试验方法 - Google Patents

空气流量分区控制的燃烧室试验装置及其试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置及其试验方法，试验装置主要包括燃烧室主体、点火系统、进气系统、供油系统和光学测量窗口等。燃烧室主体取消外机匣结构，进入燃烧室的气流分为五路单独供给，并且分别对其流量进行测量。其中一路气流通过燃烧室头部通道，流经旋流器进入燃烧室；另外四路气流分别通过上、下壁面主燃孔和掺混孔进气通道，流经上、下主燃孔和掺混孔进入燃烧室。从而实现燃烧室各区域空气流量的准确测量及单独控制。本发明的燃烧室结构简单，并且采用单独进气的方式不仅不会影响燃烧室射流孔的射流轨迹，还可以实现燃烧室不同区域空气流量对燃烧室性能影响的孤立研究。

Description

空气流量分区控制的燃烧室试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及航空燃气轮机技术领域，具体是一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置及其试验方法。
背景技术
燃烧室作为航空发动机三大核心部件之一，是将燃料的化学能转变为热能的一种装置。燃烧室性能的发展，不仅与发动机的发展水平密切相关，而且与燃烧系统的基础研究和应用水平密切相关。虽然现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构已经达到相当高的水平，但是仍存在大量的难题和挑战。新研究方法、新测量手段、新结构及新概念的发展才是保证其持续进步的根源。在传统的航空发动机燃烧室研究中，无论是单头部、多头部还是全环结构，燃烧室均包含内外机匣结构，气流进入燃烧室进口后通过自由分配的方式，分别由头部、主燃孔和掺混孔进入火焰筒参与燃烧。如专利“蒸发管式微小型发动机燃烧室”，专利号：200510086539.4，燃烧室由内机匣、外机匣、3～12个Т型蒸发管和燃油喷嘴组成。专利“全环微小尺寸回流燃烧室试验器”，专利号：CN104236917A，燃烧室结构包括内机匣和外机匣，燃烧室出口周向设置多个测量耙，以达到燃烧室性能的试验研究。从上述专利来看，虽然包含内外机匣结构的燃烧室与真实燃烧室工作模式相同，但是由于航空发动机燃烧室的结构复杂，燃烧室性能的影响因素繁多，并且各气动热力参数之间相互联系，可以说是牵一发而动全身，当燃烧室内孔径、孔位或孔型改变时，其流量分配也随之改变，并且各部分空气流量无法准确测量与单独控制。这样很难将燃烧室各部分流量固定，实现燃烧室各区域流量及流量分配对燃烧室性能影响的孤立研究。
另一方面，航空发动机燃烧室中的燃烧过程非常复杂，包括气流流动、燃油雾化蒸发和混合、化学反应、燃气的辐射、传热传质等综合因素，完全掌握各种过程的机理是很困难的。因此，新的燃烧室测试技术是十分必要的。长期以来对于燃烧室温度、压力、速度以及组分的测量，是依靠热电偶、总压管、静压管、热线风速仪及燃气分析仪等各种物理探针来实现。由于物理探针容易干扰流场、容易受到环境的限制以及测量的是平均物理量，因此其使用范围有限，并且缺乏足够的测量精度、空间以及时间分辨率。近些年随着计算机和光学技术的迅猛发展，出现了如PIV(Particle Image Velocimetry)、CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)及PLIF(Planar Laser Induced Fluorescence)等流场、火焰结构及温度的非接触测量方法，大大提高了燃烧室测量的精度及适用范围。专利“一种航空发动机主燃室的综合光学测量平台”，专利号：CN104764609A，采用多种光学测量手段，对航空发动机燃烧室内燃油雾化、速度、温度和组分的测量，实现了航空发动机燃烧室的精细测量。但是该专利可能受限于燃烧室结构，虽然测量范围覆盖了燃烧室大部分区域，但是旋流器出口及射流孔出口处无法测量。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置及其试验方法，不仅简化了燃烧室的结构，还达到了对燃烧室气动热力参数进行孤立研究的目的，有效的增大了光学测量窗口的测量范围。
本发明提供了一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，包括燃烧室主体、主燃孔进气通道、掺混孔进气通道、光学测量窗口、点火电嘴及供油管道。
其中燃烧室主体为一矩形通道，头部端口焊接法兰用于与进气支管连接，旋流器安装在头部进气通道内，燃烧室主体两侧壁面分别设置光学测量窗口，上、下壁面分别安装主燃孔进气腔体及进气通道、掺混孔进气腔体及进气通道、电嘴和油管接头。
其中上主燃孔进气通道两端均焊接法兰，一端法兰与进气支管连接，另一端法兰与主燃孔进气腔体端口法兰连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封；下主燃孔进气通道两端均焊接法兰，一端法兰与进气支管连接，另一端法兰与主燃孔进气腔体端口法兰连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封。主燃孔进气腔体法兰安装在燃烧室主体上、下壁面上，中间使用紫铜垫片密封，主燃孔开在主燃孔进气腔体封闭端上。
其中上掺混孔进气通道两端均焊接法兰，一端法兰与进气支管连接，另一端法兰与掺混孔进气腔体端口法兰连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封；下掺混孔进气通道两端均焊接法兰，一端法兰与进气支管连接，另一端法兰与掺混孔进气腔体端口法兰连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封。掺混孔进气腔体法兰安装在燃烧室主体上、下壁面上，中间使用紫铜垫片密封，掺混孔开在掺混孔进气腔体封闭端上。
其中供油管道一端与焊接在燃烧室主体上壁面的油管接头采用螺纹连接保证密封，另一端与油泵出口连接。在燃烧室头部通道内，油管一端与焊接在通道内上壁面油管接头连接，另一端与喷嘴连接。
其中燃烧室主体两侧面设置光学测量窗口，具体为燃烧室主体两侧面开有凹槽，石英玻璃放置在凹槽内，石英玻璃两侧分别使用紫铜垫片用于密封，观察窗盖板将石英玻璃紧压在燃烧室主体侧壁上，观察窗盖板与燃烧室主体侧壁之间同样使用紫铜垫片进行密封。
所述一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于主燃孔进气腔体和掺混孔进气腔体可以拆换，其中主燃孔和掺混孔开孔孔径根据公式公式计算，公式中d为孔径，ma为空气流量，cd为小孔流量系数，pt1为小孔前总压，ph为小孔后静压。
所述一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于主燃孔进气腔体和掺混孔进气腔体宽度需大于小孔孔径的两倍以上。
所述一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于主燃孔进气腔体封闭端和掺混孔进气腔体封闭端壁厚为1mm。
所述一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于主燃孔进气通道和掺混孔进气通道，其中与燃烧室主体相连接的垂直段进气通道长度为通道水力直径的8～10倍。
所述一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于光学测量窗口覆盖主要燃烧区域，包括旋流器出口、主燃孔出口及掺混孔出口。
本发明还提供了一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)将主燃孔进气腔体和主燃孔进气管道连接、掺混孔进气腔体和掺混孔进气管道连接，但不安装在燃烧室主体上，仅与进气支管连接，检查其气密性。
2)将燃烧室头部进气管道与进气支管连接，检查气密性。
3)将各部件与燃烧室主体连接，各进气支管阀门全开，检查燃烧室整体气密性。
4)打开各进气支管阀门，打开气源，调节各进气支管阀门，观察各进气支管上压力表读数，待各压力表读数稳定并一致时，记录压力表测量的压力值和流量计的流量读数。
5)开启点火器，开启油泵，调节阀门，待供油流量达到试验工况时，记录供油流量与供油压力，开启光学测量设备。
6)根据需要调节各进气支管的空气流量，研究燃烧室各区域不同空气流量或流量分配对燃烧室性能的影响。
本发明的工作原理是：将完整的单头部燃烧室进行简化，取消外机匣结构，五路气流分别由燃烧室头部、主燃孔和掺混孔进入燃烧室，进气管道上分别安装阀门、总压管、静压管和流量计测量气流的总压、静压及流量，同时还可对各支路气流流量进行控制。在各支路气流总压相等的条件下，测量出的空气流量可以准确的计算出燃烧室的流量分配，并对燃烧室理论设计中的空气流量及流量分配进行验证。并且对各支路空气流量的单独控制，可以孤立其他气动因素，仅从各区域流量方面研究其对燃烧室性能的影响。另外，燃烧室结构的简化，便于光学观察窗口的布置，并且可以增大光学观察窗口覆盖范围。
本发明与现有的技术相比优点如下：
1、本发明涉及的试验系统仅是一个简化的单头部燃烧室，与传统的单头部燃烧室试验件相比，结构简单，便于加工和装配。
2、本发明所涉及的燃烧室分别进气方式，与传统的单头部燃烧室试验件相比，燃烧室各区域的空气流量可以准确的测量和控制。
3、本发明所涉及的主燃孔和掺混孔进气腔体方便拆换，可以根据燃烧室试验中不同要求进行更改。
4、本发明所涉及的光学测量窗口，与传统的单头部燃烧室试验件相比，由于燃烧室结构的简化，便于光学观察窗口的布置，并且可以增大光学观察窗口覆盖范围。
本发明有益效果在于：
1、本发明涉及的试验系统仅是一个简化的单头部燃烧室，与传统的单头部燃烧室试验件相比，结构简单，便于加工和装配。
2、本发明所涉及的燃烧室分别进气方式，与传统的单头部燃烧室试验件相比，燃烧室各区域的空气流量可以准确的测量和控制。
3、本发明所涉及的主燃孔和掺混孔进气腔体方便拆换，可以根据燃烧室试验中不同要求进行更改。
4、本发明所涉及的光学测量窗口，与传统的单头部燃烧室试验件相比，由于燃烧室结构的简化，便于光学观察窗口的布置，并且可以增大光学观察窗口覆盖范围。
附图说明
图1为本发明燃烧室工作示意图；
图2为本发明燃烧室结构示意图；
图3为主燃孔进气腔体结构示意图；
图4为掺混孔进气腔体结构示意图；
图5为燃烧室主体及观察窗结构示意图。
图中：1燃烧室主体，2a上主燃孔进气通道，2b下主燃孔进气通道，3a上掺混孔进气通道，3b下掺混孔进气通道，4头部进气通道，5观察窗盖板，6石英玻璃，7点火电嘴，8油管接头，9供油管道，10焊接法兰，11a上主燃孔进气管道端口法兰，11b下主燃孔进气管道端口法兰，12a上掺混孔进气管道端口法兰，12b下掺混孔进气管道端口法兰，13a上主燃孔进气管道末端法兰，13b上主燃孔进气管道末端法兰，14a上掺混孔进气管道末端法兰，14b下掺混孔进气管道末端法兰，15主燃孔进气腔体法兰，16主燃孔进气腔体，17主燃孔，18主燃孔进气腔体封闭端，19掺混孔进气腔体法兰，20掺混孔进气腔体，21掺混孔，22掺混孔进气腔体封闭端，23观察窗盖板垫片，24垫片，25凹槽，26光学测量窗口，27旋流器，28喷嘴，29燃烧室头部通道内油管接头，30气源，31进气总管，32a上掺混孔进气支管，32b上主燃孔进气支管，32c头部进气支管，32d下主燃孔进气支管，32e下掺混孔进气支管，33a上掺混孔进气支管流量计，33b上主燃孔进气支管流量计，33c头部进气支管流量计，33d下主燃孔进气支管流量计，33e下掺混孔进气支管流量计，34a上掺混孔进气支管控制阀门，34b上主燃孔进气支管控制阀门，34c头部进气支管控制阀门，34d下主燃孔进气支管控制阀门，34e下掺混孔进气支管控制阀门，35a上掺混孔进气支管压力表，35b上主燃孔进气支管压力表，35c头部进气支管压力表，35d下主燃孔进气支管压力表，35e下掺混孔进气支管压力表，36油箱，37油泵，38燃油控制阀门，39燃油流量计，40燃油压力表，41点火器，42导线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置进行详细说明。
图1给出了空气流量分区控制的燃烧室试验装置工作系统图，该系统包括燃烧室主体1、上壁面主燃孔进气通道2a、下壁面主燃孔进气通道2b、上壁面掺混孔进气通道3a、下壁面掺混孔进气通道3b、光学测量窗口26、点火电嘴7及供油管道9。
燃烧室主体1如图2所示，为一矩形通道，头部端口焊接法兰10用于与进气支管32连接，旋流器27安装在头部进气通道内，燃烧室主体两侧壁面分别设置光学测量窗口26，上、下壁面分别安装主燃孔进气腔体16及进气通道2、掺混孔进气腔体20及进气通道3、电嘴7和油管接头8。
其中上主燃孔进气通道2a如图3所示，两端均焊接法兰，上主燃孔进气管道端口法兰11a与上主燃孔进气支管32b连接，上主燃孔进气管道末端法兰13a与主燃孔进气腔体端口法兰15连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封；下主燃孔进气通道2b两端均焊接法兰，下主燃孔进气管道端口法兰11b与下主燃孔进气支管32d连接，上主燃孔进气管道末端法兰13b与主燃孔进气腔体端口法兰15b连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封。主燃孔进气腔体法兰15安装在燃烧室主体上、下壁面上，中间使用紫铜垫片密封，主燃孔17开在主燃孔进气腔体封闭端上18。
其中上掺混孔进气通道3a如图4所示，两端均焊接法兰，上主燃孔进气管道端口法兰12a与上掺混孔进气支管32a连接，上掺混孔进气管道末端法兰14a与掺混孔进气腔体端口法兰19连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封；下掺混孔进气通道3b两端均焊接法兰，下掺混孔进气管道端口法兰12b与下掺混孔进气支管32e连接，下掺混孔进气管道末端法兰14b与掺混孔进气腔体端口法兰19连接，两法兰之间使用紫铜垫片密封。掺混孔进气腔体法兰19安装在燃烧室主体上、下壁面上，中间使用紫铜垫片密封，掺混孔21开在掺混孔进气腔体封闭端上22。
其中供油管道9一端与焊接在燃烧室主体上壁面的油管接头8采用螺纹连接保证密封，另一端与油泵37出口连接。在燃烧室头部通道内，油管一端与焊接在通道内上壁面油管接头29连接，另一端与喷嘴28连接。
所述的主燃孔17和掺混孔21开孔孔径根据公式计算，公式中d为孔径，ma为空气流量，cd为小孔流量系数，pt1为小孔前总压，ph为小孔后静压。
所述的主燃孔进气腔体16大于主燃孔17孔径的两倍，掺混孔进气腔体20宽度大于掺混孔21孔径的两倍。
所述的主燃孔进气腔体16通过主燃孔进气腔体法兰15安装在燃烧室主体上、下壁面上，主燃孔进气腔体封闭端18上开有主燃孔17；掺混孔进气腔体20通过掺混孔进气腔体法兰19安装在燃烧室主体上、下壁面上，掺混孔进气腔体封闭端22上开有掺混孔21。
所述的主燃孔进气腔体封闭端18和掺混孔进气腔体封闭端22壁厚为1mm。
所述的主燃孔进气通道2和掺混孔进气通道3与燃烧室主体1相连接的垂直段长度为内通道水力直径的8～10倍。
所述的光学测量窗口26覆盖主要燃烧区域，包括旋流器27出口、主燃孔17出口及掺混孔21出口。
所述的光学测量窗口26如图5所示，包括凹槽25、观察窗盖板5、石英玻璃6和垫片24，燃烧室主体1两侧面开有凹槽25，石英玻璃6放置在凹槽内，石英玻璃两侧分别使用垫片24密封，观察窗盖板5将石英玻璃6紧压在燃烧室主体侧壁上，观察窗盖板5与燃烧室主体侧壁之间使用观察窗盖板垫片23进行密封。
本发明还提供了一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置的试验方法：
试验前，首先将主燃孔进气腔体16和主燃孔进气管道2连接、掺混孔进气腔体20和掺混孔进气管道3连接，但不安装在燃烧室主体1上，仅与进气支管32连接，检查其气密性。同理燃烧室头部进气管道4与进气支管32连接，检查气密性。待各部件气密性检查完成后，将各部件与燃烧室主体1连接，各进气支管阀门34全开，检查燃烧室整体气密性，待燃烧室整体气密性良好时，方可进行试验。
试验时，首先打开各进气支管阀门34，打开气源30，调节各进气支管阀门34，观察各进气支管上压力表35读数，待各压力表35读数稳定并一致时，记录压力表35测量的压力值和流量计33的流量读数。随后开启点火器41，开启油泵37，调节阀门38，待供油流量达到试验工况时，记录供油流量与供油压力，开启光学测量设备。最后可根据需要调节各进气支管32的空气流量，研究燃烧室各区域不同空气流量或流量分配对燃烧室性能的影响。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：包括燃烧室主体(1)、上壁面主燃孔进气通道(2a)、下壁面主燃孔进气通道(2b)、上壁面掺混孔进气通道(3a)、下壁面掺混孔进气通道(3b)、光学测量窗口(26)、点火电嘴(7)及供油管道(9)；
其中燃烧室主体(1)为一矩形通道，头部端口通过焊接法兰(10)与进气支管(32)连接，头部进气通道(4)内安装有旋流器(27)，燃烧室主体(1)两侧壁面分别设置光学测量窗口(26)，上、下壁面分别安装主燃孔进气腔体(16)、掺混孔进气腔体(20)、点火电嘴(7)和油管接头(8)；
其中主燃孔进气通道(2)两端均焊接法兰，主燃孔进气通道端口法兰(11)与进气支管(32)连接，主燃孔进气通道末端法兰(13)与主燃孔进气腔体(16)连接；
其中掺混孔进气通道(3)两端均焊接法兰，掺混孔进气通道端口法兰(12)与进气支管(32)连接，掺混孔进气通道末端法兰(14)与掺混孔进气腔体(20)连接；
其中供油管道(9)一端与焊接在燃烧室主体上壁面的油管接头(8)采用螺纹连接保证密封，另一端与油泵(37)出口连接。在燃烧室头部通道内，油管一端与燃烧室头部通道内油管接头(29)连接，另一端与喷嘴(28)连接。
2.根据权利要求1所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的主燃孔(17)和掺混孔(21)开孔孔径根据公式计算，公式中d为孔径，ma为空气流量，cd为小孔流量系数，pt1为小孔前总压，ph为小孔后静压。
3.根据权利要求1所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的主燃孔进气腔体(16)大于主燃孔(17)孔径的两倍，掺混孔进气腔体(20)宽度大于掺混孔(21)孔径的两倍。
4.根据权利要求1所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的主燃孔进气腔体(16)通过主燃孔进气腔体法兰(15)安装在燃烧室主体上、下壁面上，主燃孔进气腔体封闭端(18)上开有主燃孔(17)；掺混孔进气腔体(20)通过掺混孔进气腔体法兰(19)安装在燃烧室主体上、下壁面上，掺混孔进气腔体封闭端(22)上开有掺混孔(21)。
5.根据权利要求4所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的主燃孔进气腔体封闭端(18)和掺混孔进气腔体封闭端(22)壁厚为1mm。
6.根据权利要求1所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的主燃孔进气通道(2)和掺混孔进气通道(3)与燃烧室主体(1)相连接的垂直段长度为内通道水力直径的8～10倍。
7.根据权利要求1所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的光学测量窗口(26)覆盖主要燃烧区域，包括旋流器(27)出口、主燃孔(17)出口及掺混孔(21)出口。
8.根据权利要求1所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置，其特征在于：所述的光学测量窗口(26)包括凹槽(25)、观察窗盖板(5)、石英玻璃(6)和垫片(24)，燃烧室主体(1)两侧面开有凹槽(25)，石英玻璃(6)放置在凹槽内，石英玻璃两侧分别使用垫片(24)密封，观察窗盖板(5)将石英玻璃(6)紧压在燃烧室主体侧壁上，观察窗盖板(5)与燃烧室主体侧壁之间使用观察窗盖板垫片(23)进行密封。
9.一种空气流量分区控制的燃烧室试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
1)检验设备气密性；
2)打开各进气支管阀门(34)，打开气源(30)，调节各进气支管阀门(34)，观察各进气支管上压力表(35)读数，待各压力表(35)读数稳定并一致时，记录压力表(35)测量的压力值和流量计(33)的流量读数；
3)开启点火器(41)，开启油泵(37)，调节阀门(38)，待供油流量达到试验工况时，记录供油流量与供油压力，开启光学测量设备；
4)根据需要调节各进气支管(32)的空气流量，研究燃烧室各区域不同空气流量或流量分配对燃烧室性能的影响。
10.根据权利要求9所述的空气流量分区控制的燃烧室试验装置的试验方法，其特征在于，步骤1)所述的检验设备气密性过程具体包括以下步骤：
1)将主燃孔进气腔体(16)和主燃孔进气管道(2)连接、掺混孔进气腔体(20)和掺混孔进气管道(3)连接，但不安装在燃烧室主体(1)上，仅与进气支管(32)连接，检查其气密性；
2)将燃烧室头部进气管道(4)与进气支管(32)连接，检查气密性；
3)将各部件与燃烧室主体(1)连接，各进气支管阀门(34)全开，检查燃烧室整体气密性。
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