陈帆;武越;张恒昕;杜昌昵
【摘 要】为确保环管型燃烧室火焰筒流量分布的均匀性,要求单台火焰筒流量相对偏差δ位于±1.5％之内.采用模拟压比法与相似理论,建立了火焰筒空气流量特性对比试验的数学模型,并对数据处理模型的误差传递进行分析,得出现有模型存在一个不能对火焰筒真实特性进行判定的区间,火焰筒入口空气压力偏差Δp1是引起δ误差的关键因素.为此,设计了一种基于两级扩散、整流集气装置的空气流量试验系统,并对一组16台火焰筒试验件进行了入口压力p1为20 kPa,40 kPa,60 kPa及80 kPa下的空气流量试验研究.数据显示火焰筒入口压力偏差小于±0.05 kPa,入口压力脉动相对值小于0.25％,产品特性参数C值的相对误差不大于±0.01％,可以实现对火焰筒流量特性一致性的判定.
【期刊名称】《火箭推进》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】6页(P85-90)
【关键词】环管燃烧室;火焰筒;流量特性;对比试验
孟子焱【作 者】陈帆;武越;张恒昕;杜昌昵
【作者单位】西安航天动力研究所,陕西 西安710100;西安航天动力研究所,陕西 西安710100;西安航天动力研究所,陕西 西安710100;西安航天动力研究所,陕西 西安710100
【正文语种】中 文
【中图分类】V434.3
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)
式中：k为比热比；T2为出口静温，为出口总温，K。试验时认为火焰筒中气流为等熵绝热过程，任意截面的滞止参数相等，即出口总温与入口总温入口总压与出口总压近似相等，集气装置内火焰筒入口截面测温点处气流流速很小，假设入口静温T1可认为与相等，可得
(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)
假设试验过程中气流为等熵绝热过程[9]，任意截面的滞止参数相等，均等于
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)
为使得数据具备可比性，将式(9)计算得到的C值与标准状态下计算获得的及q(λ2)代入式(6)，即可获得环境压力为101 325 Pa，温度为15 ℃时的流量值
计算同组试件同工况的折合流量的平均值对于单个试件若满足流量相对偏差δ位于±1.5%之内，
则视为合格，δ值由下式计算获得
(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)
入口压力p1的相对偏差与C值相对偏差的关系可通过试验获取，C值相对偏差等于折合流量的相对偏差，以一组16台为例，δ的相对偏差的分析如下
(12)
由误差传递公式知，平均折合流量的绝对误差与折合流量的绝对误差相等
(13)
火焰筒合格与否的判定依据为单个试件的折合流量与平均折合流量的相对偏差δ在±1.5%的区间之内，即
(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)
由于与的差值远小于其绝对值，因此可以认为即可得到
(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。
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