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tran分別是 ΔT 3圖 3給出了這兩種情況的壓氣機在溫熵圖上的壓縮過程與絕熱壓縮的對比 ,可以看出這種強度的傳熱將使熵增顯著加大、循環可用功明顯減小。圖 4是這兩種傳熱情況和絕熱情況的 MTE在各轉速下的推力對比 ,可以發現發動機推力因傳熱而顯著減少 ,在設計轉速下 (121 5 ×104 r/ min)分別減少了 15 %和 38 %。
2　 MTE2110整機環境下傳熱影響測量及改進研究
　　為了弄清實際微型發動機的傳熱情況及其造成的性能影響 ,本文以 MTE2110發動機為對象開展了試車實驗研究。在完成基本發動機的實驗測量后 ,通過對壓氣機靜子采取隔熱措施獲得了改進型發動機 ,通過兩者的對比實驗來進行壓氣機傳熱影響的研究。
21 1　微型發動機地面試車實驗設備
實驗在課題組建立的微型發動機地面試車測試平臺 (見圖 5 )上進行 ,主要設備有 (見圖
6):地面臺架系統、大氣參數測量系統、起動系統 (電機起動
)、供氣
(丙烷氣 )及點火系統、供油
轉速測量系統、振動監測
壓力測量系統和溫度測量系統。實驗檢
轉速 N、空氣流量、燃油流量 W f等總體性能參數 ;也對圖 1中發動機的 0 , 1 , 2 , 5截面及壓氣機轉子出口的平均氣動熱力參數進行了測量 ,力圖在不破壞整機工作環境的前提下獲得盡可能多的參數。實驗中采用的測量設備均進行了標定 ,確保測量的準確性。其中 : PSI的實測精度達到了 1 ‰,而推力傳感器的實測精度也達到了 2‰。
發動機在截面 1 ,2位置重新設計改裝了相應的部件以安裝傳感器 ,其余部件均保持不變 ,通過在噴管后 (5截面 )安裝熱電偶測耙和總壓探針耙來獲取噴管出口參數。為了準確測量發動機空氣流量 ,本研究改裝了進氣整流罩以形成一段等直圓管 ,并開設 4個靜壓孔。通過采用微型總壓探針的進氣整流罩流量標定實驗 ,獲得了截面流量、總壓恢復系數與靜壓的關系曲線。這樣 ,在整流罩安裝到發動機上進行整機運轉實驗時就可以由

圖 5　微型發動機地面試車平臺 Fig1 5　Ground testing rig of micro engine

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圖 6　發動機地面整機試車平臺示意圖 圖 8　MTE總體性能的節流特性
Fig1 6　Sketch of the ground engine testing rigFig1 8　Throttle characteristics of MTE

靜壓推算出流量等參數

,實驗數據也顯示在最大

×104 r/ min (設計轉速的約
65 %)后耗油率減小
流量時進氣總壓恢復系數也大于 01 98。  的幅度趨緩。運轉實測還發現 ,在整個壓縮通道中離燃燒室最遠的壓氣機進口也受到了傳熱影
21 2　MTE2110試車實驗結果

響 ,各轉速下都出現了幾 K的溫升。這顯示燃燒首先對基本的 MTE2110發動機進行多轉速室對壓氣機的傳熱影響不可忽略。
下的實驗測量。選取了從 31 00 ×104 r/ min到 121 59 ×104 r/ min之間的 10個不同轉速進行測量 ,每個轉速下均使發動機保持穩定轉速 N運轉 10 s以上 ,以測量發動機穩態工作參數。圖 7給出了微型發動機的推力、燃油流量隨轉速變化關系曲線 ,兩者都隨轉速增加而單調遞增且曲線斜率逐漸增大 (圖中所有參數均是折合到標準大氣條件下 )。實驗測得最大轉速對應的推力為 78 N ,空氣流量為 01 235 kg/ s。圖 8是由上述性能參數換算得出的發動機的節流特性 ,隨轉速增大單位推力 Fs逐漸增大 ,在高轉速時增加更快些 ;單位耗油率 SFC隨轉速增加逐漸減小 ,且在 81 00

圖 7　推力和燃油流量隨轉速變化曲線 Fig1 7　Variations of engine thrust and fuel flux with rotating speed
21 3　對壓氣機采取隔熱措施的對比實驗研究
為了通過試車實驗研究 MTE向壓氣機的傳熱強度及其造成的性能影響 ,對壓氣機靜子部件進行了改裝 ,在朝向燃燒室一側的盤體上增設了一層低密度隔熱材料 (見圖 9)。變轉速試車得到了隔熱改裝后壓氣機出口的溫度 ,圖 10給出了有無隔熱的微型發動機壓氣機出口溫度 T2的對比。可以看出 ,無隔熱的出口溫度在各轉速下都比有隔熱情況高出 40 K以上 ,而最大轉速下有隔熱的壓氣機溫升 ΔT03也僅為 140 K左右 ,有無隔熱的溫差約占 ΔT03的 30 %。考慮到本文采取的隔熱措施并不能保證嚴格的絕熱 (即ΔT03 > Δ Tad 3),則因傳熱引起的壓氣機出口溫升占絕熱狀態 ΔTad3的幅度會更大 ,效率系數 Rtran應更小 ;

圖 9　做隔熱改裝的壓氣機靜子件 Fig1 9　Compressor stator with heat insulation

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圖 10　對比有無隔熱的壓氣機出口溫度 圖 12　對比有無隔熱的發動機推力 Fig1 10　Comparison of compressor exhaust tempera2 Fig1 12　Comparison of engine thrust pressure ratios with tures with and without stator heat insulation

 

近燃燒室 (不過兩輪實驗都使用同一傳感器 ),這取隔熱措施使推力得到了大幅度的提高 ,在最大有可能會使測量溫度偏高 ,效率系數 Rtran轉速時采取隔熱措施的推力達到了 96 N ,增大了 消除這兩方面因素的測量有待今后的進一步研23 %。實測數據還顯示 ,發動機耗油率降低了
究 ,從本研究測量的參數對比至少已證明了微型發動機的壓縮通道中存在著顯著的加熱效應。
由于發動機的裝配調整、各部件工作特性波動、臺架安裝等因素將造成在結果重復性方面的誤差 ,因此本文進行了 3輪重復實驗 ,最大轉速對應的推力值偏差在 2%～3% ,體現了較好的重復性。
圖 11給出了有無隔熱的壓氣機壓比 ,可見隔熱基本上沒有改變壓氣機的壓比。這也說明了本文前面在建模分析中對不同傳熱的壓縮過程均采用相同壓比符合真實情況 ,傳熱使壓比不變而溫升增加將造成顯著的效率降低。圖 12對比了有無隔熱的發動機在各轉速下的推力 ,可以看出采

圖 11　對比有無隔熱的壓氣機壓比
Fig1 11　 Comparison of compressor pressure ratios with and without stator heat insulation
而考慮到測量壓氣機出口的溫度傳感器位置較靠
10 %以上。
　
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