燃烧器常压热态试验动应变测量结果分析

2018-11-02刘维兵赵仕志成露艾松

东方汽轮机 2018年3期

刘维兵，赵仕志，成露，艾松

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

1 前言

燃烧器作为燃气轮机的三大核心部件，其主要作用是将燃料中含有的化学成份能通过燃烧化学反应，转变成热能，形成高温、高压的燃烧产物，推动透平做功。某型燃烧器为我公司独立开发的第一款燃烧器，其采用N只燃烧筒均布排列设计，天然气作为燃料，设计出口温度约1 400℃。

某新型燃烧器热态试验分为常压和实压两个部分，常压试验为实压试验的模化试验，除了出口压力和效率相较实压稍低外，其温度场分布、流动特性等基本相同。进行常压试验的根本目的就是找到燃烧器工作规律，为修正燃烧器设计方法、累积实压试验和提高产品运行可靠性提供技术准备和运行经验。

对于全新设计的燃烧器而言，初次进行热态常压试验面临很多不可预测的安全风险。其中最为严重的就是由于超温、脉动压力激振等因素造成的燃烧筒局部失效问题。国内外开展了很多燃烧器试验方面的研究工作。李彬等对浮动壁火焰筒壁温进行了试验研究[1]；肖隐利等对纯净空气来流的超音速试验室燃烧室进行了试验研究[2]；祁海鹰等采用试验方法对燃烧室出口温度分布的偏差问题进行了研究[3]；邓君香等对运用试验方法对脉冲爆震燃烧室与涡轮组合的性能进行了研究[4]；王能等对微型燃气轮机富氧燃烧室进行了数值和试验研究[5]；Dean A J等对燃烧室的脉冲爆震进行了研究介绍[6]；Glaser A等对脉冲爆震发动机性能进行了试验测试[7]等。当前国内外对燃烧器燃烧筒的研究主要集中在温度、脉动压力等方面，采用高温应变片测量动应变的方法评估燃烧筒的强度安全性研究目前很少。因此，为保证该新型燃烧器的试验安全可靠，采用高温应变片对燃烧筒动应变进行监测十分必要。

2 试验方案

2.1 试验装置

试验用燃烧室为全尺寸设计，整机采用N只燃烧室均布排列，每只燃烧室的工作特性基本相同。为便于开展试验工作，燃烧室试验台外缸采用了1/N弧度设计。燃烧室试验台如图1所示。燃烧筒结构如图2所示。

图1 某新型燃烧室试验台

图2 燃烧筒结构

2.2 高温应变片

燃烧不稳定产生的脉动压力主要对燃烧室的安全性产生影响，为此，试验时仅需在燃烧室上布置高温应变片传感器即可。高温应变片是一种可耐温超1 000℃的电阻测量传感器。其设计有温度补偿结构，可有效减小高温对应变测量结果的影响。燃烧室动应变测量用高温应变片如图 3所示。

图3 高温应变片

理论上高温应变片可同时测量结构的动应变和静应变。但由于高温应变片电阻丝材料种类单一，通常不能匹配被测材料的线胀系数。另一方面静态应变测量结果受到温度的影响较大，温度越高，产生的温飘现象越严重，静应变结果偏差也就越大。由于这两个原因，造成了应变的静态测量值不可靠。

2.3 贴片方式

高温应变片的贴片方式主要包含贴片位置和贴片方向两种。某新型燃烧筒采用六片高温应变片进行筒体的动应变测量。高温应变片的贴片位置和方向根据筒体模态振型而定。燃烧筒的模态一阶振型如图4所示。高温应变片贴片方式如图5所示。

图4 燃烧筒模态1阶振型

图5 高温应变片贴片方式

2.4 采集系统

动应变数据采集、数据处理分析及存储系统为DEWESoft软件。测量应变片使用最为广泛的理论是惠斯通电桥。这种电桥包括四个电阻。对于有温度补偿片的高温应变片而言，一个应变片在基体的主轴方向，另一个应变片在垂直横向上用于温度补偿。鉴于这种测量类型，这里采用了半桥电路设置。该采集系统如图6所示。

图6 DEWESoft测试系统

3 试验结果

整个常压热态试验阶段主要进行了点火边界、熄火边界和升负荷（温度）试验。根据动应变监测结果来看，试验过程中测得的最大动应变基本出现在升负荷（温度）过程中。这主要是因为脉动压力激振为燃烧筒提供了激振力，因而燃烧筒体上产生了动应变。因此，当燃烧脉动压力振幅最大时，高温应变片将会测得最大的动应变信号。高温应变片测得最大动应变信号时对应的脉动压力传感器所测得的幅频信号如图8所示。

图7 脉动压力测量信号

图 8所示为该时刻压力脉动最大时六片高温应变分别测得的1 000 Hz以内的动应变幅频信号。常压热态试验过程中，激振幅值显著的脉动频率基本都位于150 Hz以内的相对低频范围，高于此频率的脉动激振相较平缓。所有应变片监测结果显示：动应变幅值随频率增大而不断衰减。

图8 动应变监测信号

4 数据分析

高温应变片的测量结果为微应变，为直观反应燃烧器筒体的应力水平，需要将动应变折合为动态应力。由于常压热态试验中，燃烧筒的金属温度不断发生变化。因此，进行动态应力计算所需材料弹性模量也是一动态变化数据。但如果动应力计算采用室温下的弹性模量，这样计算出的动应力偏大，应力评估偏保守。表 1给出了整个常压热态试验过程中六片高温应变片分别测出的最大动应变及评估结果。从分析结果上看，燃烧筒上六个高温应变片测量出的动应变都很小，远低于材料高周疲劳极限，试验全程未检测到异常的应变突变。