PDF《航空燃气涡轮发动机燃气分析 测试及计算方法》

第 熬 第 逼 的 痹 航空动力学报 滴恼卤嗪 埠娇杖计新址⒍计治 测试及计算方法 王明瑞 ⊙ ” 至斟 泄娇展ひ导殴 沈阳发动机设计研究所蜓 豕こ檀笱 动力与能源工程学院 ┱∫赫攵院娇杖计新址⒍叭忌帐也考匝榈娜计治霾馐 介绍了测试的原理和系统组 成 完善了液体碳氢燃料的计算方法 发展了气体燃料的计算方法 分析了燃气组分测量值误差对燃烧参数计 算结果的影响 讨论了取样方式及混合式取样器结构的影响 给出了混合式取样器结构是否合理的判定条件 对比了高压全环燃烧室试验的燃气分析和常规测试的结果 结果表明 使用设计合理的混合式取样器 保证足 够的测点密度和使用合理配置的燃气分析测试系统 余气系数的测量精度优于 并对热电偶法和燃气分 析法燃烧效率偏差进行了分析 关〖〈喝计治黾扑惴椒晃蟛罘治蝗忌帐倚阅蝗计⊙蝗忌招 中图分类号 ∥南妆曛韭 收稿日期 白髡呒蚪 王明瑞 男 辽宁北票人 高级工程师 硕士 主要从事航空发动机燃烧试验工作 钇 钇 钇 钇领 钇 钇 槠 钇 迤 蚱 钇钇 钇钇 蚱钇炱 钇 嫫 钇 蜢 蚱 羝 钇 钇 淦钇 嫫淦 钇 跗钇 迤 淦 钇 嫫 黄 ∷孀藕娇辗⒍浦时鹊牟欢显黾 燃烧室 的出 口温度也不断提升 目前研制的推质比为 档暮娇辗⒍ 燃烧室出口平均温度已 达 嬉陨 热点温度超过 这已超出 绝大多数热电偶的测试能力范围 即使有少数能 测量 嬉陨衔露鹊娜鹊缗 由于只适用于还 〉 逼 王明瑞等 航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法 原环境 在类似航空发动机燃烧室的强氧化环境 中 使用寿命很短 热电偶的测量精度受使用环境 影响 很 大 很难保证测量结果具有较高的精度 送 燃气轮机在工业应用领域的增加以 及环保要求的日益严格 低污染物排放已成为燃 气轮机燃烧室最重要的指标之一 燃气分析不但 能检测燃烧室的排气污染物 而且能利用燃气成 分通过计算方法获得燃烧效率 余气系数和燃烧 温度等参数 燃气分析一般使用水冷取样装置 使 之具备高温燃气温度的测量能力 它已经成为航 空燃气涡轮发动机及燃烧室试验最重要的测试手 段之一 疚慕樯芰吮Ｖと计治霾饬拷峁既匪 采取的的测试方法 计算方法 并对测试方法所产 生的误差进行了分析 并进行了试验验证 试验结 果表明按文中的要求的方法可以确保足够的测量 精度 ∪计治霾饬吭砑跋低匙槌 燃气分析是利用取样装置把燃气引入测量仪 表进行成分分析 再通过燃气成分数据计算燃烧 效率 余气系数 燃烧温度以及污染物排放等参数 的一种测量方法 燃气分析测试系统主要由取样 装置 取样管路 分析仪器等部分组成 燃气分析 同热电偶一样是一种 点 测试技术 为使测量数 据能代表燃烧室出口截面的参数 必须布置足够 多的测量点 取样 装置通常径向布置 个测点 并可沿周向摆动以增加测点 ∪⊙爸 取样装置是一次受感部 直接与高温燃气接 触 通常采用水冷方式 取样装置将燃烧室内取样 孔附近的高温燃气取出 使进入取样装置的样气 快速冷却到 孀笥 使燃气的化学反应停止 而又不让燃气中的未燃碳氢成分和氮氧化物在取 样装置内冷凝 ⊙爸冒唇峁剐褪娇煞治旌鲜饺⊙骱 非混合式取样器 混合式取样器在出口设有一个 混合腔 从多个取样孔进入的样气在混合腔内混 合 再通过出口流出 混合式取样器的每个取样孔 所代表的面积应是相等的 取样孔应位于所代表 面积的形心 在进口截面为均匀流场时 应保证每 个取样孔进入的样气流量相等 非混合式取样器 从多个取样孔进样后 分别进行仪器分析 为方便 计算 取样器的取样孔建议按照等面积布置 ∪⊙苈 取样管路是取样装置出口到分析仪器进口的 管路和附件的总称 一般由保温管路 调节阀门 无 油真空泵 冷凝器 流量计以及各种接头等组成 在测量燃气中的 妥芴 两种成 分时 为防止 在管壁冷凝 需要对 样气进行保温 建议使用电伴热管 使用红外气体 分析仪测量 虾彩 为防止水蒸汽在分析 仪器的气室内冷凝 应使样气在进入分析仪器前 除去燃气中的水蒸汽 建议使用冷凝器使样气冷 却到大约 析出绝大部分水蒸汽 随后在管路 内自然升温 再进入分析仪器 当样气压力过高时 需要在管路上安装调压阀门 当样气压力低 崾 可在管路上安装无油真空泵抽取样气 》治鲆瞧 根据航空燃气涡轮发动机燃烧室燃气组分以 及试验目的 一般需 要测量的组分有 煤 掀 通常采用红外气体分 析仪 测量埠 火焰离子检测器测量 化学发光分析仪测量 曜佳亲排渲 高精度 已知体积分数 的气体或气体混合物 作为分析仪器零点和标定 点的基准 标定仪器零点的标准样气通常叫做零 点气 用来标定仪器在量程范围内某点精度的标 准样气通常叫做标点气 标点气体积分数的大小 依据被测燃气的最大体积分数来确定 并用最大 被测燃气体积分数的 ズ サ谋甑闫醇 查仪器的线性度 〖扑惴椒 针对常用的燃气分析法燃烧效率和余气系数 计算方法存在应用范围小 精度低的不足进行了 改进 将航空燃气涡轮发动机的燃料种类分成液 体碳氢燃料和气体燃料两种 液体碳氢燃料依据 氢碳比和低热值不同 采用了 作为名义分子 式 其低热值依据化验结果作为计算的输入值 根 据燃气轮机常用的气体燃料成分 在计算中假定 气体燃料由 布补吨 成分组成 每种组分的体积分数依据化验结果作 为计算的输入值 此外还考虑了空气中含湿量的 影响 新的计算方法还适用于燃气轮机燃烧室常 用的喷水降排放过程的计算 假定燃气由怪制遄槌 这些气体组分涵 盖了燃气中体积分数较多的气体种类 可以保证 埠】《×⊙” 第 熬 计算具有足够的精度 使得计算方法通用性更好 在实际测量时 根据燃烧室的特点 确认某种组分 体积分数较低 对计算结果影响较小 可以直接对 计算公式进行简化 ∪加靡禾逄记馊剂先忌帐业娜忌詹问扑 液体碳氢燃料在空气中燃烧的过程化学反应 方程式为 栖 栖 蚱蚱蚱 财掀雌财掀财 栖财┦街 为水和液体燃料的摩尔比 蛭肴 烧室的空 气摩尔数 蛭掌醒跗寤质 蛭掌械寤质 蛭掌 二氧化碳体积分数 为空气的摩尔含湿量 为 燃气中 组分的摩尔数 其中 蚱蚱 逼 ┦街 为燃烧室喷水与液体燃料的质量比 └墒幌凳 燃气中含有燃烧产生的水蒸气时 各组分气体 的体积分数定义为湿基体积分数 除去燃气中的水 蒸气时 各组分气体的体积分数定义为干基体积分 数 由于各组分气体的测试方法不同 通常情况下 煤 体积分数测量值为湿基的 埠驳奶寤质饬恐滴苫 燃气分析 对样气处理常用冷凝的方法 将样气冷却到 析出样气中的水分 但并不能完全除去样气中的水 分 为改善精度 需要对干基体积分数进行修正 ┦街 钗笃沽 下面计算公式中燃气成分的体积分数省略下 标 嘉拚蟮 干湿基转换系数 的定 义为 ∪忌招实募扑愎街懈髯榉痔寤质瓤赏 一使用干基体积分数也可统一使用湿基体积分数 ┯嗥凳扑愎 雌 〉笔褂檬寤质 雌 财掀财 ┤忌招始扑 逼 掀 财 雌 逼 掀财┦街 为每公斤燃料的发热量 单位为 肫┡欧胖甘扑 一氧化碳排放指数计算 逼 逼 掀财∥慈继记馀欧胖甘扑 逼 逼 掀财〉趸锱欧胖甘扑 逼 逼 掀财逼 逼 掀财∪加闷迦剂先忌帐业娜忌詹问扑 本节的计算方法适用于间接加温 燃用气体 燃料 伴随喷水的燃烧过程 其化学反应方程式为 嫫炱 嫫炱嫫炱嫫炱嫫炱嫫炱 栖 蚱蚱蚱 财掀雌财掀财 栖财┢渲 嫫炱 嫫炱嫫炱嫫炱嫫炱嫫 嫫┦街 旗为气体燃料的平均分子量 ┯嗥凳扑愎 嫫炱嫫炱嫫 嫫〉笔褂檬寤质 〉 逼 王明瑞等 航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法 财 财掀财┦街 和 为过程常数 ┤忌招始扑愎 嫫炱嫫炱嫫炱 掀 财 雌 掀财┦街 砦剂系哪Χ⑷攘 ┡欧胖甘扑 一氧化碳排放指数计算 嫫炱 嫫炱嫫炱 嫫 掀财∥慈继记馀欧胖甘扑 嫫炱嫫炱嫫炱 嫫 掀财〉趸锱欧胖甘扑 嫫炱嫫炱嫫炱 嫫 掀财 嫫炱嫫炱嫫炱 嫫 掀财∪忌瘴露鹊募扑惴椒 燃气分析法燃烧温度是通过测量燃气组分体 积分数计算出燃烧效率和余气系数 利用燃气平 均比定压热容或焓值与温度的关系数据 计算燃 烧温度 图蔽骄ㄑ贡热确扑闳忌瘴露鹊 流程 焓值法和平均定压比热法计算燃烧温度都可 以获得准确的计算结果 但由于燃气焓值的数据 比较难于获得 在 娣段诘娜计手 往往是不连续的 在断点处数据容易形成振荡而 不收敛 而燃气的平均比定压热容在此温度范围 内是连续的 先分别计算给定温度下燃气中各组 图 ∑骄ㄑ贡热确扑闳忌瘴露攘鞒掏 槠 钇 崞 宸值钠骄榷ㄑ谷热 再按组分的体积分数加权 平均 即可得到此温度下燃气的平均定压比热 当 燃气温度超过 媸 必须考虑热离解的影响 ∥蟛罘治 ∪计榉植饬烤榷匀忌詹问挠跋 通过对燃 气各组分的体积分数数据进行分析 讨论忽略某些组分对计算结果所产生的误差 当产生的误差较小时 可以不测量该组分也能满 足系统控制的测量精度 从而达到简化燃气分析 测试系统的目的 埠】《×⊙” 第 熬 ┣馄匀忌招屎陀嗥凳挠跋 利用式 ┖褪 ┓治銮馄寤质谋 化对燃烧效率和余气系数的影响 壳 房掀财┛ 犊掀财∫延械氖匝槭荼砻魅计只忌帐夷谇馄 的体积分数低于 在燃烧室的绝大部分工 况下 二氧化碳的体积分数大于 因此燃烧 效率变化的绝对值小于 余气系数变化的 绝对值小于 ┪慈继记舛匀忌招屎陀嗥凳挠跋 利用式 ┖褪 ├捶治鑫慈继记舛匀忌 效率和余气系数的影响 壳财 ┛ 掀财┛掀 ┛ 掀财∈匝槭菹允救计只忌帐抑辉诼底刺 存在少量的未燃碳氢 一般少于 对燃烧 效率和余气系数的影响可以忽略不计 但在燃烧 室点火启动的短时间内 未燃碳氢的体积分数较 大 能达到 ヒ陨 是由于燃烧室部件温度 比较低造成的 不是燃烧室稳定的工作状态 ┮谎趸级匀忌招屎陀嗥凳挠跋 壳 ┛ 掀财┛ 财 ┛ 掀财『娇辗⒍魅忌帐业 咸寤质话阍 ハ 加力燃烧室的咸寤质赡芨叽 器精度为 烧效率的误差小于 当燃气中 蔡寤质笥 ナ 余 气系数的误差小于 ┒趸级匀忌招屎陀嗥凳挠跋 壳掀 财 ┛ 掀财┛掀 ┛ 掀财《杂谌计只忌帐业母鞴ぷ髯刺 驳奶寤质 ブ浔浠 仪器精度为 可得出燃烧效率的误差小于 当燃气 中蔡寤质笥 ナ 余气系数的误差 小于 通过各种组分对计算结果影响的分析 可以 确定 在用燃气分析法测量燃烧效率和燃烧温度 时 是否检测氢气和未燃碳氢的组分体积分数对 计算结果影响很小 只需测量 虾擦街秩 气组分的体积分数即可达到サ南低尘 ∪⊙绞蕉匀忌詹问挠跋 取样方式分为混合取样和非混合取样 混合 取样是把取样器 上所有取样孔的样气先进行 混 合 再进行分析的方式 只需一套分析仪器 非混 合取样是每个取样孔的样气分别进入各自仪器进 行分析 取样器上有多少取样孔 就需要相应套数 的分析仪器 混合取样方式引起误差的主要原因有 ┤计只忌帐页隹诘妊沽 等流速的假 设偏差 ┤⊙状砻婊欠衤愕让婊跫 ┟扛鋈⊙椎交旌锨坏淖苎沽λ鹗欠 相同 严格来说 对每个混合式样气都应进行流量 测试 以确认在上游压力和流速相同的情况下 各 取样孔同时进样时 每个取样孔的流量相同 腔旌鲜饺⊙鞯娜⊙卓梢匀我獠贾 不 会产生相 互之间的干扰 可以得到燃烧室出口截面的温 度场分布 通过面积加权可以获得燃烧效率 余气系数和污染 物排放指标 但同时需要多套仪 器 这是国外发动机公司最常用的取样方法 综上所述 在保证混合式取样器各取样孔进 样量相同的情况下 燃气分析法燃烧效率的精度 优于 余气系数的精度优于 对同一 燃烧室出口截面数据分析表明 不同位置燃烧效 率的差别要远小于余气系数的差别 是否保证混 〉 逼 王明瑞等 航空燃气涡轮发动机燃气分析测试及计算方法 合式取样器各取样孔进样量相同对燃气分析法燃 烧效率影响较小 而对燃气分析法余气系数有较 大的影响 ∈匝榧敖峁 ∈匝槠骷安馐韵低 试验在某全环高压燃烧室试验器进行 试验 器由进气系统 排气系统 三路引气系统 冷却气 系统 防护舱 水系统 燃油系统 电器系统及测试 系统等组成 空气流量用流量喷嘴测量 经两级间 接加温达到规定状态后进入燃烧室 燃油流量用 涡轮流量计测量 在燃烧室出口的环形通道内相 间布置了两只测温电偶和两只燃气取样装置 夹 角为 馕碌缗己腿计 取样器固定于可沿燃烧室中心旋转的摆盘之上 摆盘可沿圆周方向旋 转 ⊙鹘峁辜 每只燃气取样器沿径 向布置蹈鋈⊙ 每个取样孔位.

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