工況變化對渦輪燃燒射流渦流技術(shù)方案的影響

鄭海飛，唐 豪

(1.上海飛機(jī)設(shè)計研究院適航工程中心，上海201210；2.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016)

1 引言

為突破航空發(fā)動機(jī)近年來發(fā)展過程遇到的研制瓶頸[1-5]，國外研究人員于上世紀(jì)末開始了渦輪內(nèi)增燃技術(shù)的研究并取得一定成果。Sirignano[6-8]等首先提出了渦輪內(nèi)增燃技術(shù)(TIB)概念，以提高航空發(fā)動機(jī)的推重比和效率，減少污染物排放，降低單位推力燃油消耗率和拓寬穩(wěn)定工作范圍；隨后，Sekar[9-12]等提出了針對大型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的射流渦流結(jié)構(gòu)方案，即在渦輪內(nèi)增燃技術(shù)中采用駐渦燃燒代替離心燃燒。但查閱資料發(fā)現(xiàn)，在航空發(fā)動機(jī)渦輪內(nèi)增燃技術(shù)的研發(fā)中，鮮有有關(guān)工況變化對渦輪燃燒射流渦流方案影響的研究。

本文就二次射流流量變化和環(huán)境壓力變化對渦輪燃燒射流渦流方案的影響進(jìn)行了研究。其中，二次射流流量變化時，環(huán)境壓力保持不變；環(huán)境壓力變化時，二次射流流量保持不變。采用基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器模擬渦輪內(nèi)增燃燃燒室的流動與燃燒過程，并在數(shù)值模擬過程中應(yīng)用尺度適應(yīng)模擬湍流模型(SAS)。研究得出了不同工況條件下射流渦流燃燒室性能的變化，可為渦輪內(nèi)增燃技術(shù)的發(fā)展完善提供有價值的參考。

2 射流渦輪方案和數(shù)值模擬

在渦輪葉片底部耦合駐渦凹腔，并于凹腔前后壁面分別設(shè)置二次氣流射流孔，這種結(jié)構(gòu)即為應(yīng)用渦輪內(nèi)增燃技術(shù)的射流渦流方案。二次射流的作用是加固燃燒回流區(qū)穩(wěn)定燃燒，及強(qiáng)化凹腔內(nèi)燃燒產(chǎn)物與主流燃?xì)獾膿交靃11]。如圖1所示，射流渦流方案中，渦輪燃燒室包括駐渦凹腔(TVC)、徑向葉片(RV)和徑向葉片凹槽(RVC)三個結(jié)構(gòu)，所以渦輪增燃技術(shù)的射流渦流方案可簡稱為TIB-TRC方案。

TIB-TRC方案的流體域及其邊界條件選擇如圖2所示。燃燒室主流進(jìn)口和二次射流進(jìn)口均為質(zhì)量進(jìn)口，出口為壓力出口邊界條件；采用平移周期邊界條件，其余均為壁面。計算流體域采用六面體網(wǎng)格劃分，葉片前緣、尾緣及二次射流入射孔處采用O型網(wǎng)格劃分[12]。壁面處網(wǎng)格距離為0.1 mm，網(wǎng)格增長率為1.2。

渦輪內(nèi)增燃燃燒室內(nèi)的流動與燃燒過程采用基于壓力的隱式穩(wěn)態(tài)求解器模擬。梯度差值方案采用基于單元體的最小二乘法插值，其適用于六面體網(wǎng)格，與基于節(jié)點的格林-高斯格式具有相同的精度且不會出現(xiàn)偽擴(kuò)散。壓力項的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，壓力與速度耦合方程的求解算法為SIMPLEC。動量方程、能量方程及湍流方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式；數(shù)值模擬過程中采用尺度適應(yīng)模擬湍流模型(SAS)；壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，配合適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格，壁面 y+約為30，符合數(shù)值模擬要求[13-16]。

3 工況方案設(shè)計

表1、表2分別給出了二次射流流量變化和環(huán)境壓力變化的工況條件。其中，二次射流流量變化時，環(huán)境壓力保持101 325 Pa不變；環(huán)境壓力變化時，二次射流流量保持0.014 kg/s不變。二次射流流量變化值選取依據(jù)為：二次射流是從發(fā)動機(jī)的部分冷卻氣流中抽取，因此選取核心流量的約20%為二次射流流量的上限值。環(huán)境壓力變化值選取依據(jù)是：常規(guī)發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作壓力在1 013 250～3 039 750 Pa范圍內(nèi)，因此選取常壓到1 013 250 Pa的環(huán)境壓力進(jìn)行比較分析。

表1 二次射流流量變化的工況條件Table 1 Operation conditions for secondary flow change

表2 環(huán)境壓力變化的工況條件Table 2 Operation conditions for ambient pressure change

4 結(jié)果與分析

4.1 不同工況對溫度場的影響

圖3給出了二次射流流量變化時射流渦流方案燃燒室的主流通道和駐渦凹腔內(nèi)縱橫截面的溫度分布。從圖中可看出，在X=18 mm的駐渦凹腔及徑向凹腔中間截面處，隨著二次射流流量的增加，其溫度度分布中局部高溫區(qū)逐步減少。這是因為在二次射流流量增加時，駐渦凹腔內(nèi)的燃油噴入量保持不變，從而造成燃燒當(dāng)量比下降，燃料的相對減少必然導(dǎo)致高濃度燃料區(qū)域的減少，所以該截面處的局部高溫區(qū)逐步減少。在X=65 mm的渦輪葉片出口截面處，隨著二次射流流量的增加，其溫度分布在葉片出口截面逐步趨向于均勻，渦輪葉片吸力面?zhèn)群蛪毫γ鎮(zhèn)鹊臏囟忍荻戎鸩较陆?。在Y=60 mm的主流通道的Y方向截面處，隨著二次射流流量的增加，其溫度分布在駐渦凹腔內(nèi)逐步趨向于均勻，局部高溫區(qū)逐步縮小、直至消失。

圖4給出了環(huán)境壓力變化時射流渦流方案燃燒室的主流通道和駐渦凹腔內(nèi)縱橫截面的溫度分布。從圖中可看出，在X=18 mm的駐渦凹腔及徑向凹腔中間截面處，隨著環(huán)境壓力的增大，其溫度分布，局部高溫區(qū)的位置、數(shù)量、大小以及徑向凹腔內(nèi)的溫度分布均大致相同。在X=65 mm的渦輪葉片出口截面處，隨著環(huán)境壓力的增大，其溫度分布大致相同，渦輪葉片吸力面?zhèn)群蛪毫γ鎮(zhèn)却嬖谙嗨频臏囟忍荻龋夜r4的溫度梯度較大。在Y=60 mm的主流通道的Y方向截面處，隨著環(huán)境壓力的增大，其溫度分布在駐渦凹腔內(nèi)大致相同，徑向凹腔內(nèi)存在局部高溫區(qū)，工況4局部高溫區(qū)的溫度較高。

圖5為二次射流流量變化時渦輪葉片出口截面處沿渦輪葉高方向的溫度分布。從圖中可看出，工況1時溫度分布呈現(xiàn)出葉中溫度低、葉頂和葉根區(qū)域溫度較高的趨勢，最大溫差約250 K，其中葉頂與葉根的溫差約為120 K。工況2和工況3時葉片出口溫度均呈現(xiàn)遞減趨勢，但不存在溫度階躍，遞減趨勢較為平緩，特別是工況3。工況2與工況3時葉片出口溫度的最大溫差約170 K。

圖6為環(huán)境壓力變化時渦輪葉片出口截面處沿渦輪葉高方向的溫度分布。從圖中可看出，工況4～工況6時溫度分布均呈現(xiàn)出葉中溫度低、葉頂和葉根區(qū)域溫度較高的趨勢。其中，工況5和工況6的溫度分布曲線在工況4的下方，其葉片出口溫度最大溫差約200 K，葉頂與葉根的溫差約120 K。

4.2 不同工況對燃燒性能的影響

圖7給出了二次射流流量變化時射流渦流結(jié)構(gòu)方案燃燒室的總壓損失和燃燒效率的變化。從圖中可清晰看出，隨著二次射流流量的增加，總壓損失和燃燒效率均呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢。二次射流流量為0.014 kg/s時總壓損失約為8.3%，但流量增加至0.041 kg/s后總壓損失增加至約11.5%。這是因為在二次射流進(jìn)口面積不增加的條件下，流量增加將導(dǎo)致二次射流在主流方向和徑向凹腔高度方向的動量增加，湍流度增加，從而促使總壓損失增加。二次射流流量為0.041 kg/s時燃燒效率最高，約99.3%。這是因為二次射流流量增加導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃油當(dāng)量比下降，使得燃燒更充分。此外，流量增加還使得二次射流在主流方向和徑向凹腔高度方向的動量增加，促進(jìn)了燃料與空氣的摻混，有利于燃燒的充分性。

圖8給出了環(huán)境壓力變化時射流渦流結(jié)構(gòu)方案燃燒室的總壓損失和燃燒效率的變化。從圖中可清晰看出，隨著環(huán)境壓力的增大，總壓損失呈單調(diào)遞減的趨勢，燃燒效率則呈單調(diào)遞增的趨勢。環(huán)境壓力的增大促進(jìn)了燃燒的充分性。當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到1 013 250 Pa時，燃燒效率約為99.3%。這表明高壓環(huán)境下，射流渦流方案燃燒室具備高燃燒效率和低總壓損失的優(yōu)良燃燒性能。

表3、表4分別列出了二次射流流量變化和環(huán)境壓力變化時，射流渦流結(jié)構(gòu)方案燃燒室污染物(未燃碳?xì)?UHC)、一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO))排放量的變化。由表3可知，隨著二次射流流量的增加，燃燒室的燃燒效率增加，使得渦輪葉片出口截面的未燃碳?xì)浜鸵谎趸寂欧帕恐鸩较陆?。此外，隨著二次射流流量的增加，渦輪葉片出口截面的一氧化氮排放量呈等倍遞減的趨勢。這是因為隨著流量的增加，燃燒室內(nèi)局部高溫區(qū)的數(shù)量和面積減小，同時局部高溫區(qū)的溫度也在下降，這就抑制了一氧化氮的排放。這表明增加流量，可以達(dá)到減少射流渦流方案燃燒室污染物排放的目的。由表4可知，隨著環(huán)境壓力的增大，燃燒室的燃燒效率增加，使得葉片出口截面的未燃碳?xì)浜鸵谎趸嫉呐欧帕恐鸩较陆怠?/p>

表3 二次射流流量變化對污染物排放量的影響Table 3 Effects of secondary flow change on pollutant emissions

表4 環(huán)境壓力變化對污染物排放量的影響Table 4 Effects of ambient pressure change on pollutant emissions

5 結(jié)論

(1)隨著二次射流流量的增加，駐渦凹腔及徑向凹腔中間截面處的溫度分布中局部高溫區(qū)逐步減少；渦輪葉片出口截面處的溫度分布在局部區(qū)域均勻，葉片吸力面?zhèn)群蛪毫γ鎮(zhèn)鹊臏囟忍荻戎饾u下降；主流通道Y方向截面處的溫度分布逐步趨向均勻，局部高溫區(qū)縮小，直至消失。環(huán)境壓力變化對射流渦輪方案燃燒室內(nèi)溫度分布的影響較小。

(2)隨著二次射流流量的增加，燃燒室總壓損失呈單調(diào)遞增的趨勢。隨著環(huán)境壓力的增大，射流渦流方案的燃燒效率呈單調(diào)遞增的趨勢，總壓損失呈單調(diào)遞減的趨勢。高壓環(huán)境下，射流渦流方案燃燒結(jié)構(gòu)所造成的損失可忽略不計。

(3)隨著二次射流流量的增加，渦輪葉片出口截面的未燃碳?xì)浜鸵谎趸?、一氧化氮排放量均逐步下降，達(dá)到了減少污染物排放的目的。隨著環(huán)境壓力的增加，渦輪葉片出口截面的未燃碳?xì)浜鸵谎趸寂欧帕恳仓鸩较陆怠?/p>

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