涡扇发动机涵道比与红外辐射特征的关系实验

王 丰，吉洪湖，黄 伟

(南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016)

为了发展发动机排气系统红外隐身技术，国内外围绕发动机排气系统的红外辐射展开了大量研究。李伟等［1］通过数值计算的方法研究了不同锯齿对二元喷管红外特征的影响。黄伟等［2］通过数值计算的方法研究了表面温度和发射率对排气系统红外辐射的抑制作用。单勇等［3］通过实验研究了中心锥气膜冷却结构对红外辐射的影响。刘福城等［4］通过数值计算的方法研究了二元引射喷管对红外辐射的影响。黄伟等［5］通过实验研究了在喷管内加入对流辐射板对热喷流红外辐射的抑制效果。陈翾等［6］通过数值计算的方法研究了基于涂料性能参数的红外隐身技术。以上的研究工作均是针对特定发动机排气系统模型开展的，极大制约了发动机红外隐身能力的发展。

Decher等［8］在发动机总体性能设计阶段通过选择发动机总体设计参数来降低发动机的红外辐射，可大大降低发动机的红外辐射特征。毫无疑问，在发动机总体设计阶段就考虑红外隐身的思想是极具价值的。

发动机总体性能参数包括涵道比、涡轮前温度、增压比等。本文通过两组实验研究了涵道比对发动机壁面温度和红外辐射特征的影响。

1 实验测量系统

实验测量系统包括涡扇发动机系统模拟实验台、红外辐射测量系统和带加力燃烧室的排气系统腔体模型。

1.1 涡扇发动机排气系统模拟实验台

实验采用的是笔者所在课题组开发的涡扇发动机排气系统模拟实验台。该实验台由发动机排气模拟子系统、主流子系统、外涵子系统等组成，可对涡扇发动机排气系统的结构和喷流流场进行实验模拟，实验台结构如图1所示。详细的设计过程见文献［9］。

内涵子系统由控制台、燃烧室、内涵风机、内涵道和孔板流量计等部件组成。外涵子系统由孔板流量计、软管、外涵风机和稳压腔等部件组成。实验台实物照片如图2所示。内外涵风机均可提供1 kg/s左右的流量，并且流量大小可调。燃烧室出口的温度可达800～850 K。

图1 涡扇发动机排气系统模拟实验台结构

图2 实验台实物照片

1.2 红外辐射测量系统

红外辐射测量系统如图3所示，由傅里叶变换红外光谱辐射计、采集电脑和标定黑体组成。光谱辐射计由加拿大BOMEM公司生产，型号为MR-104。标定黑体由上海福源光电研究所研制，型号为HFY-301A。

傅里叶变换红外光谱辐射计是一种可用于测量点目标光谱辐射强度的仪器，它应用傅里叶变换实现光谱测量，其测量原理建立在对双光束干涉度量的基础之上。相对于其他依据光的折射或衍射而设计的光学测量仪器，该仪器具有多通道同时测量、高通量、高信噪比等优点，并且对于高精度的红外光谱测量而言，它几乎是目前唯一的选择。红外光谱辐射计对3～5 μm波段的中红外辐射信号的光电转换是通过锑化铟探测器来完成的，这类探测器具有微秒级的响应时间和非常高的信噪比。由于锑化铟探测器必须在温度小于100 K的情况下才能正常工作，因此在实验过程中必须用液氮对其进行制冷［10］。

1.3 带加力燃烧室的排气系统腔体模型

带加力燃烧室的基准排气系统模型的结构如图4所示，由支板、中心锥、内外涵内外涵分界面、火焰稳定器、加力筒体和喷管等部件组成。

图3 红外辐射测量系统

图4 带加力燃烧室的基准排气系统模型的结构

2 排气系统红外辐射特征测量方案

2.1 实验条件

内涵气流设置燃烧室出口温度为810 K，流量为1 kg/s;外涵气流温度为300 K，流量为0.4和0.5 kg/s。

2.2 黑体标定

用傅里叶变换红外光谱辐射计测量时通常需要进行二次标定，即首先用高低温黑体进行标定，在实验数据测量过程中，再采用一个中温黑体进行实时比对，获得实时的修正系数［11-13］。实验中还需注意的问题就是对背景辐射进行屏蔽，排除外露热壁面对测量结果的影响。图5给出了本研究采用的背景屏蔽方法，即在喷管出口处设置大面积的刷黑漆木板，对实验台外部热壁面的红外辐射进行遮挡。

2.3 壁面温度测量点的布置

实验中，在中心锥、内外涵分界面、支板、加力筒体和喷管壁面上共布置了30个热电偶测点，各个测点的布置情况如图6所示。其中加力筒和喷管为轴对称几何形状，被认为周向分布均匀，所以沿轴线布置一系列热电偶。

图5 背景屏蔽板

图6 热电偶布置位置示意图

2.4 红外辐射强度测量点的布置

红外辐射测量点的布置如图7所示。探测角α的定义为探测器与发动机喷管出口的连线与发动机轴线的夹角。因为喷管为轴对称喷管，只要测量一个空间面上红外辐射分布即可表示出整个空间红外辐射特征的分布，所以共测量10个方向上的红外辐射强度，分别是 α =0°，5°，10°，15°，20°，30°，45°，60°，75°，90°。

图7 红外辐射测量点

3 实验结果与分析

3.1 温度测量结果及分析

各测点的温度测量结果见表1和表2。由表1可见:中心锥的温度最高，约在810 K左右，沿着排气系统轴向逐渐降低;加力筒体的温度因为内外涵气流沿着轴向掺混逐渐加强，故加力筒体壁面温度沿轴向逐渐升高;喷管的温度最初因为内外涵气流掺混沿着轴向先升高，之后喷管截面积缩小，受加速气流的影响，温度沿轴向降低。

对比表1和表2可以发现:当涵道比增加后，越靠近排气系统喷管出口，加力筒和喷管壁面温度降低的幅度越大。这是因为:在加力筒前端内外涵气流刚开始掺混，高温内涵气流热量没有传到加力筒和喷管壁面附近的外涵冷气流，各壁面的温度接近外涵气流温度;当沿着轴线方向逐渐靠近喷管出口时，内外涵气流掺混越来越充分，高温内涵气流与外涵气流掺混换热，提高了加力筒和喷管壁面附近温度，从而影响到加力筒和喷管壁面温度。当涵道比增加时，外涵冷气流增加，在内涵气流流量和温度不变的情况下，促使内外涵气流掺混后整体气流的温度下降，越靠近喷管出口掺混越充分，掺混后整体气流温度下降幅度就越大。

表1 涵道比为0.4时各测点的温度值

表2 涵道比为0.5时各测点的温度值

3.2 积分辐射强度的空间分布

图8为实验排气系统腔体模型的红外辐射强度空间分布，其中:径向坐标为辐射强度;周向坐标为空间角度。图9为实验模型各部件投影面积随探测角度的变化，其中:横坐标为方向角;纵坐标为投影面积。

从图8可以看到:α=0°的辐射强度最大;随着探测角度的增加，红外辐射强度迅速降低;但在α=30°处，出现了辐射强度大于α=20°时的辐射强度的现象，这是因为受投影面积的影响。如图9所示，在30°方向上加力筒和喷管的投影面积有所增加，使探测器探测到的红外辐射强度增加。各方向积分辐射强度如表3所示。

图8 实验排气系统腔体模型的红外辐射强度空间分布

图9 实验模型的各部件投影面积随探测角度的变化

表3 不同涵道比各方向的红外辐射强度值

由图8并结合表3可以看出:随着涵道比的增加，冷气流量增加，发动机后体空间0°～90°方向的红外积分辐射强度均有减少，并且因为喷管壁面有效辐射的影响，在0°～30°方向降幅为10% ～15%，在30°～80°方向降幅为15% ～30%，在70°方向降幅最大。这是因为，在0°～30°方向，发动机辐射主要来自受内涵热气流影响的中心锥、涡轮等高温部件的辐射，涵道比的增加只是增加了外涵冷气流，内涵热气流的温度并没有改变，仅在中心锥下游，内外涵气流掺混后增加了气流对高温部件辐射的吸收，间接降低了到达探测器的辐射能量，所以此角度范围内，红外辐射强度降幅相对很小。在30°～80°方向降幅较大，这是因为在这个角度范围内，探测器只能探测到受内外涵气流掺混后的温度影响的加力筒和喷管壁面，涵道比变化对加力筒和喷管壁面温度的影响较大，所以降幅最大。在80°～90°方向降幅很小，这是因为，在此范围内随着角度增加，探测器能探测到的排气系统固体壁面越来越小，到达90°方向时，只能看到喷流，固体壁面影响消失。

4 结论

通过实验测量了带加力燃烧室结构的涡扇发动机排气系统的壁面温度分布、红外辐射的光谱和空间分布。得到以下结论:随着涵道比增加，外涵冷气流量增加，壁面温度降低，红外辐射特征降低，并且在排气系统加力筒之后，越靠近喷管出口，气流掺混越充分，壁面温度降幅越大;红外积分辐射强度在0°～30°方向内降幅为10% ～15%，在30°～80°方向降幅较大，在15% ～30%范围内，在70°方向降幅最大。

本文研究可以在发动机总体设计阶段预先分析涵道比变化对涡扇发动机红外辐射特征的影响，从而为更大幅度地降低发动机红外辐射提供参考。

［1］李伟，张勃，吉洪湖，等.不同锯齿对二元喷管实际腔体红外辐射特征影响数值模拟［J］.航空动力学报，2014，29(8):1810-1816.

［2］黄伟，吉洪湖，斯仁，等.降低表面温度和发射率抑制排气系统红外辐射的研究［J］.推进技术，2011，32(4);550-556.

［3］单勇，张靖周，邵万仁，等.涡扇发动机排气系统中心锥气膜冷却结构的气动和红外辐射特性实验［J］.航空动力学报，2012，27(1):9-15.

［4］刘福城，吉洪湖，林兰之，等.二元引射喷管几何特征参数对推力及红外特性的影响［J］.航空动力学报，2011，26(6):1244-1250.

［5］黄伟，吉洪湖，罗明东，等.对流辐射板抑制涡扇发动机热喷流红外辐射的实验［J］.航空动力学报，2007，22(12):2000-2005.

［6］陈翾，张健，王艳武，等.基于涂料性能参数的红外隐身技术［J］.光学精密工程，2009，17(2):280-285.

［7］罗明东，吉洪湖，黄伟.非加力涡轮发动机排气系统红外辐射强度的数值计算［J］.航空动力学报，2007，22(10):1609-1616.

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