适用于飞机发动机的燃气取样耙及燃气分析系统和方法与流程

本发明属于航空发动机领域的一种燃气连续取样分析实验领域，涉及一种适用于飞机发动机的燃气取样耙及燃气分析系统和方法，具体是一种适用于燃烧室高温高压环境下的燃气连续取样及预处理系统，并给出了相应的时序控制实验方法。

背景技术

航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，体现着国家的科技发展水平和综合国力。随着人们环保意识的不断提高和国家军事实力的不断发展，航空发动机朝着低排放和大推重比的方向发展。

国际民航组织icao下属的航空环境保护委员会caep对民用航空发动机制定了一系列严格的排放标准，从caep/2到caep/8，对碳烟、一氧化碳、未燃碳氢的排放要求基本没有改变，但对nox的排放要求越来越严格，2016年新出台的caep/10标准对微粒物质超细烟尘颗粒和co2的排放量也有了新的规定。燃烧室作为航空发动机的“心脏”，也是污染排放产生的主要源头，为了发展环境友好型的低污染发动机，需要对燃烧室出口的燃气成分进行准确测量。

燃烧室作为航空发动机的三大核心部件之一，在燃烧室研发过程中，需要对燃烧室的出口温度分布、燃烧效率等性能参数进行评估。随着燃烧室出口温度和压力的不断提高，以及燃烧室内的强氧化性环境，导致传统的温度测量方法热电偶误差大、使用寿命短，计算得到的出口温度分布和燃烧效率偏差大，已不能满足先进燃气轮机燃烧室的性能考核要求，燃气分析法因具有测量精度高、使用成本低、适用范围广等优点而被广泛关注。

取样耙将高温燃气从燃烧室内取出，经过预处理系统后进入分析仪进行实时分析，实现燃气的连续取样及分析。在燃气取样时，最重要的是保证燃气组分浓度不变，因此化学反应的冻结是取样耙设计的核心，同时既要保证取样耙在高温高压燃气中的热防护特性，又要保证燃气不会因过冷而导致组分凝结,并有足够的强度保证取样耙的安全工作。如何同时保证这四点，并通过合理设计预处理系统实现燃气的实时取样和准确分析成为本发明的关键。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种适用于飞机发动机的燃气取样耙及燃气分析系统和方法，取样耙可实现高温高压环境下的燃气取样，配套的预处理系统保证分析系统在不同燃烧室工况下的稳定工作和准确测量，通过时序控制实现整个系统的连续取样及分析。

技术方案

一种适用于飞机发动机的燃气取样耙，其特征在于包括取样耙主体5、多个燃气取样孔6、安装法兰7、多个出水管、多个进水管、取样管10、多个冷却环腔和集水环17；取样耙主体5的中心设有下端封闭的盲孔，上端设有与盲孔连通的取样管10，中部设有安装法兰7，安装法兰7的下部设有与盲孔连通的多个燃气取样孔6；盲孔外、取样耙主体5的最下端设有集水环17，上端设有多个出水管和多个进水管，每个出水管和进水管通过通孔四周的冷却环腔与集水环17连通；所述多个出水管与多个进水管间隔排布。

所述燃气取样耙整体采用不锈钢或高温合金钢材料。

所述多个出水管和多个进水管为两个出水管和两个进水管，通过四个冷却环腔与集水环17连通。

所述多个燃气取样孔6为1-12个，沿取样耙径向等距分布或等环面积分布。

所述取样孔6直径为0.5-2.0mm。

一种利用所述适用于飞机发动机的燃气取样耙的燃气分析系统，其特征在于包括取样耙1、预处理系统3和分析系统4；取样耙1的取样管10通过伴热管2连接预处理系统3；预处理系统3置于保温箱18内，与取样管10连接的进气管通过一级过滤器19依次连接一号三通阀20和二号三通阀22，二号三通阀22的两个输出端分别连接取样泵23和减压阀24，取样泵23和减压阀24的输出汇聚后通过二级过滤器25分别联通针阀26和稳压器28，稳压器28的输出分别连接保温箱18外部的分析系统4总碳氢分析仪和氮氧化物分析仪，并通过冷凝器30连接保温箱18外部的碳氧化物分析仪；所述针阀26通过流量计27连接保温箱18上的排空端口；所述一号三通阀20的第三通连接保温箱18上的反吹端口；所述稳压器28的输出端口并联压力表29；所述一号三通阀20和二号三通阀22之间设有压力传感器21；所述连接采用管路连接。

所述伴热管2采用不锈钢或聚四氟乙烯。

一种利用所述燃气分析系统进行时序控制实验方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将取样耙通过法兰连接到试验段上，取样耙主体5探入试验段内，取样孔正对燃气来流方向，取样管10通过管路连接预处理系统3，将冷却水与进水管连接，出水管与排水系统连接通入冷却水预先对取样耙进行冷却

步骤2：将一号三通阀20切换至反吹回路，切断取样回路，将高压空气反吹使得取样管路不被燃气污染；

步骤3：调节燃烧室的空气流量和燃油流量，当达到点火要求时进行点火；

步骤4：将燃烧室工况推到第一个工况点，切换一号三通阀到取样回路，当整个分析系统的响应时间在要求范围内，并系统稳定后进行燃气的连续取样和分析；

步骤5：上一个工况点完成实验后，将燃烧室进口参数调到下一个工况点，并让其在该工况点稳定燃烧30s，待分析系统测量值稳定后进行数据采集；

在实验过程中，燃气压力随着工况的提高而增大，为了稳定进样压力，在燃气分析系统中设计了由压力传感器21、二号三通阀22、取样泵23、减压阀24组成的自动控制回路，当压力传感器21测量值小于进样压力p时，驱动二号三通阀22切换至取样泵回路进行取样，当压力传感器21测量值大于进样压力p时，二号三通阀22切换至减压阀回路进行取样；

步骤6：当试验工况完成后，关闭试验件的燃油和空气供应，并切换一号三通阀20到反吹回路，待整个系统冷却后，切断取样耙冷凝水和反吹空气。

有益效果

本发明提出的一种适用于飞机发动机的燃气取样耙及燃气分析系统和方法，取样耙将高温、高压燃气从试验段取出，通过伴热管将取出的样气输运到预处理系统，经过预处理系统将样气进行处理，最后进入分析系统进行组分浓度分析。在整个取样分析过程中，保证样气温度为t。

本发明具有如下优点：本发明中涉及的耐高温取样耙、预处理系统及相匹配的控制方法已经经过了实验验证。取样耙采用一次膨胀冷却和对流冷却相结合的冷却方式能够有效冻结燃气中的化学反应，保证燃气组分浓度的准确性；采用五孔水冷结构使得取样耙具有良好的耐高温、耐高压特性，304不锈钢材质的取样耙能够在2400k的高温燃气中安全、稳定工作；本发明中取样耙的主体结构是五孔棒料，其具有结构紧凑、取材方便、价格低廉等优点，有效降低了耐高温取样耙的生产成本，有利于工程应用。本发明中设计的预处理系统，具有反吹回路、自动控制回路、快速流路，并带有两级过滤、稳压、冷凝等功能，有效的保证了整个系统取样及分析系统的稳定性、可靠性和安全性，并提高了燃气组分浓度测量的实时性和准确性。本发明中给出的时序控制方法，对试验件、取样耙、预处理系统、分析系统等各部件进行了合理的时序控制，保证了燃气组分浓度测量的准确性。

附图说明

图1本发明实施例燃气轮机燃烧室燃气取样分析系统安装方式示意图

图2本发明实施例取样耙结构示意图

图3a本发明实施例图2中的a-a剖视图

图3b本发明实施例图3a中的b-b剖视图

图3c本发明实施例图3a中的c-c剖视图

图4本发明实施例预处理系统结构示意图

图5本发明实施例实验流程时序图

图中：1-取样耙，2-伴热管，3-预处理系统，4-分析系统，5-取样耙主体，6-燃气取样孔，7-安装法兰，8-出水管1，9-进水管1，10-取样管，11-出水管2，12-进水管2，13-冷却环腔1，14-冷却环腔2，15-冷却环腔3，16-冷却环腔4，17-集水环，18-预处理保温箱，19-一级过滤器，20-一号三通阀，21-压力传感器，22-二号三通阀，23-取样泵，24-减压阀，25-二级过滤器，26-针阀，27-流量计，28-稳压器，29-压力表，30-冷凝器。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明实施例提供了适用于燃气轮机燃烧室燃气取样分析系统安装方式示意图，其中包括取样耙1、伴热管2、预处理系统3、分析系统4。所述的取样耙1安装在燃气轮机燃烧室后测量段上，将燃气通过取样孔取出，经过伴热管2进入预处理系统3，在预处理系统3中对燃气颗粒物进行处理，对燃气温度、压力、流量进行调节，最后进入分析系统4进行组分浓度分析，在整个取样分析过程中，保证样气温度为t。所述的伴热管采用不锈钢或聚四氟乙烯制成，管子直径4-8mm。

所述的取样耙为多点混合取样结构，采用一次膨胀冷却和对流冷却相结合的冷却方式对样气的化学反应进行冻结。其中，取样耙主体采用五孔结构，中心圆孔为取样管，多个取样孔采集到的样气在中心取样管内进行膨胀冷却和混合；中心取样管周围的四个圆孔为冷却环腔，外部的两个进水管和两个出水管与四个圆孔一一相连，四个圆孔在取样耙端部通过集水环联通，保证循环水对取样耙的冷却；所述的取样耙通过法兰安装在试验段上。见图2。

图2为本发明实施例提供的取样耙1结构示意图，图3a为本发明实施例图2中的a-a剖视图，图3b为本发明实施例图3a中的b-b剖视图，图3c为本发明实施例图3a中的c-c剖视图。其中取样耙1由取样耙主体5、燃气取样孔6、安装法兰7、出水管18、进水管19、取样管10、出水管211、进水管212、冷却环腔113、冷却环腔214、冷却环腔315、冷却环腔416，集水环17组成。所述的取样耙主体5采用五孔结构，中心圆孔为取样管10，中心圆孔周围的四个圆孔为四个冷却环腔12-16，四个冷却环腔12-16通过集水环17相连。所述的燃气取样孔6贯穿取样耙主体5与取样管10相连，燃气通过取样孔进入取样管，取样孔6个数为1-12个，直径为0.5-2.0mm，取样孔沿取样耙径向等距分布或等环面积分布。所述的出水管18贯穿取样耙主体5与冷却环腔113相连，所述的进水管19贯穿取样耙主体5与冷却环腔214相连，所述的出水管211贯穿取样耙主体5与冷却环腔115相连，所述的进水管212贯穿取样耙主体5与冷却环腔116相连。所述的取样管和冷却环腔直径为4-8mm，取样耙材料选用不锈钢或高温合金钢。

所述的预处理系统主要实现样气处理、工况调节、过程控制等功能，由高温过滤器、三通阀、压力传感器、取样泵、减压阀、针阀、流量计、稳压器、压力表、冷凝器等部件组成。所述的取样泵与减压阀并联，并与三通阀串联，通过切换三通阀保证燃气分析系统可满足不同试验工况；所述的针阀与流量计串联后安装在二次过滤器后，用于调节整个系统的响应时间；所述的冷凝器安装在碳氧化物分析仪前面，通过降低样气中的含水量保证碳氧化物浓度的测量精度。

如图4所示为本发明实施例预处理系统结构示意图，主要包括预处理保温箱18、一级过滤器19、一号三通阀20、压力传感器21、二号三通阀22、取样泵23、减压阀24、二级过滤器25、针阀26、流量计27、稳压器28、压力表29、冷凝器30。所述的一级过滤器19、一号三通阀20、压力传感器21、二号三通阀22、取样泵23、减压阀24、二级过滤器25、针阀26、流量计27、稳压器28安装在预处理保温箱18中。所述的一号三通阀20控制整个取样分析系统的反吹和取样。所述的压力传感器21、二号三通阀22、取样泵23、减压阀24组成自动控制回路，当压力传感器21测量值小于进样压力p时，驱动二号三通阀22切换至取样泵回路，当压力传感器21测量值大于进样压力p时，二号三通阀22切换至减压阀回路。所述的针阀26和流量计27串联形成快速流路，用于调节整个系统的响应时间。所述的一级过滤器19和二级过滤器25用于处理燃气中的烟粒子，保护预处理系统中的各组件和分析仪。所述的稳压器28和压力表29用于消除压力脉动并监测进样压力，保证分析仪的安全使用。由于碳氧化物一般采用红外测量原理，所述的冷凝器30安装在碳氧化物分析仪前，对燃气中的水含量进行处理，提高碳氧化物浓度的测量精度。

所述的伴热管采用不锈钢或聚四氟乙烯制成，管子直径4-8mm。

所述的预处理系统中阀件采用气动阀件。

预处理系统中压力传感器与三通阀、取样泵、减压阀形成自动控制系统，当上游压力小于进样压力p时，压力传感器驱动三通阀切换至取样泵回路，当上游压力大于进样压力p时，压力传感器驱动三通阀切换至减压阀回路。

预处理系统将针阀和流量计配合使用，形成快速流路，调节连续取样分析系统快速的响应时间。

图5为本发明实施例实验流程时序图，主要分为准备阶段和实验阶段。在准备阶段，先将取样耙通过法兰连接到试验件上，保证其密封性，并打开循环水进行取样耙冷却，接着将预处理系统切换至反吹模式，随后调节燃烧室工作状态至点火工况，进行点火；在实验阶段，先将燃烧室工况调节至第一个工况点，并将预处理系统切换至取样模式，接着通过快速流路将整个采样分析系统的响应时间调节至要求要求范围内，待系统稳定后对第一个工况点进行组分浓度分析，第一个工况点实验完成后，将燃烧室工况调节至下一个工况点，并在该工况下稳定工作30s，随后对该工况点进行组分浓度分析；所有工况点完成实验后，切断燃烧室燃油和空气供应，将预处理系统切换至反吹模式，待整个系统完全冷却后，切断取样耙冷却水和反吹空气。

具体实验步骤如下：

步骤一：将取样耙通过法兰连接到试验段上，保证取样孔正对燃气来流方向，并通入冷却水预先对取样耙进行冷却。

步骤二：将一号三通阀切换至反吹回路，切断取样回路，利用高压空气反吹保证取样管路不被燃气污染。

步骤三：调节燃烧室的空气流量和燃油流量，当达到点火要求时进行点火。

步骤四：将燃烧室工况推到第一个工况点，切换一号三通阀到取样回路，通过快速流路保证整个分析系统的响应时间在要求范围内，待系统稳定后进行燃气的连续取样和分析。

步骤五：上一个工况点完成实验后，将燃烧室进口参数调到下一个工况点，并让其在该工况点稳定燃烧30s，待分析系统测量值稳定后进行数据采集。

在实验过程中，燃气压力随着工况的提高而增大，为了稳定进样压力，在燃气分析系统中设计了由压力传感器21、二号三通阀22、取样泵23、减压阀24组成的自动控制回路，当压力传感器21测量值小于进样压力p时，驱动二号三通阀22切换至取样泵回路进行取样，当压力传感器21测量值大于进样压力p时，二号三通阀22切换至减压阀回路进行取样；

步骤六：当试验工况完成后，关闭试验件的燃油和空气供应，并切换一号三通阀到反吹回路，待整个系统冷却后，切断取样耙冷凝水和反吹空气。