旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒室燃燒性能影響的數(shù)值分析

劉 威，王成軍，鄭 順，于 雷

(沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，沈陽 110136)

1 引言

燃燒效率高、流動(dòng)損失小、工作狀態(tài)穩(wěn)定、點(diǎn)火可靠、貧油熄火性能好、壽命長、污染排放低、出口溫度高且分布合理的高熱容、高性能燃燒室，是當(dāng)今燃?xì)廨啓C(jī)研制中的一項(xiàng)重要任務(wù)[1-3]，其研發(fā)過程中的燃燒室溫升問題一直是關(guān)注的重點(diǎn)。燃燒室溫升增加會(huì)導(dǎo)致燃燒室出口溫度升高，造成渦輪葉片工作環(huán)境更加惡劣，且燃燒性能的提升也必定會(huì)增加燃燒室污染物的排放。為解決上述問題，研究者采用多級(jí)旋流技術(shù)進(jìn)行了研究。國外，Mongia[4]采用多級(jí)旋流技術(shù)研究的數(shù)個(gè)高溫升燃燒室均滿足高溫升、低排放的要求，說明合理的燃燒室火焰筒頭部組織是解決燃燒室高溫升、低排放要求的重要方法；Li等[5]采用PIV技術(shù)對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三級(jí)旋流器燃燒室的流場特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的頭部對燃燒室回流區(qū)具有明顯影響；Fureby等[6]采用先進(jìn)測試儀，利用大渦模擬方法研究了三級(jí)旋流器燃燒室冷、熱態(tài)流場，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相符，說明采用大渦模擬方法對燃燒室設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)作用；Mansour等[7]進(jìn)行的多級(jí)燃燒室油霧場試驗(yàn)研究及其相關(guān)冷態(tài)流場數(shù)值仿真表明，多級(jí)旋流技術(shù)對燃燒室燃油霧化分布具有重要作用。國內(nèi)，王成軍等[8]對多級(jí)旋流器燃燒室設(shè)計(jì)及相應(yīng)的流場特性做了相關(guān)研究；袁怡祥等[9]在旋流器參數(shù)以及與燃油噴嘴結(jié)合對拓寬燃燒室工作范圍方面進(jìn)行的研究表明，合理的燃燒室頭部設(shè)計(jì)對提高燃燒室燃燒性能和降低排放具有重要作用；高偉偉等[10]研究了不同特征旋流器對高溫升燃燒室燃燒性能的影響，結(jié)果顯示旋流數(shù)及旋流器旋向?qū)μ岣呷紵倚阅芷鹬匾饔谩Ｓ缮鲜鲅芯靠梢?，旋流器對燃燒室形成穩(wěn)定回流區(qū)以及提高燃燒室性能有著極大作用，詳細(xì)研究旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒室燃燒性能的影響十分必要。

本文在前期研究[11-12]的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法研究旋流器旋向及各級(jí)葉片安裝角結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對中心分級(jí)燃燒室燃燒性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)化旋流器最佳匹配方案，并予以試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為中心分級(jí)燃燒室設(shè)計(jì)及燃燒性能改善提供指導(dǎo)。

2 計(jì)算模型與研究方案

2.1 幾何模型

中心分級(jí)燃燒室及旋流器結(jié)構(gòu)見圖1?；窘Y(jié)構(gòu)特征為：值班級(jí)和主燃級(jí)均為徑向旋流器，其結(jié)構(gòu)為同心軸排列，最外側(cè)直徑相等；值班級(jí)為雙旋流旋流杯式結(jié)構(gòu)，采用一種文氏管與套筒相匹配的雙級(jí)徑向旋流器，使用單油路壓力霧化噴嘴；主燃級(jí)為環(huán)形預(yù)混通道式結(jié)構(gòu)，環(huán)形腔內(nèi)設(shè)置30個(gè)射流噴嘴，其內(nèi)部通過的主燃級(jí)氣流在預(yù)混通道中會(huì)形成旋流，可增強(qiáng)燃料蒸發(fā)及油氣混合。旋流器中值班級(jí)第一、第二級(jí)、主燃級(jí)流量分配分別為7.7%，11.0%，81.3%，有效流通面積分別為134、181、1 373 mm2。

圖1 中心分級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)Fig.1 Central-staged combustor structure

2.2 計(jì)算方法與邊界條件

采用ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。由于所研究的為強(qiáng)旋流燃燒，故湍流模型選用適合其特性的Realizablek-ε湍流模型；壁面函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；微分方程離散采用SIMPLE方法計(jì)算速度與壓力耦合，用二階迎風(fēng)系數(shù)離散格式進(jìn)行隱式分離求解；燃燒模型為非預(yù)混燃燒模型和概率密度函數(shù)模型，輻射模型為P-1輻射模型，排放NOx模型為熱力型；入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件；以航空煤油為燃料進(jìn)行模擬。

2.3 網(wǎng)格劃分

對上述單頭部中心分級(jí)燃燒室進(jìn)行幾何建模，且在不影響計(jì)算域的情況下進(jìn)行模型簡化。利用ANSYS Meshing軟件完成網(wǎng)格劃分，并對主燃區(qū)和旋流器區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。由于燃燒室回流區(qū)是影響燃燒性能的重要參數(shù)，因此對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證[12]，最終選擇的合理總網(wǎng)格數(shù)約為510萬。

2.4 研究方案

基于中心分級(jí)燃燒室不同旋流器值班級(jí)和主燃級(jí)旋向及安裝角對燃燒室燃燒性能的影響，共設(shè)定了13種研究方案(表1)，研究旋流器值班級(jí)第一、第二級(jí)葉片和主燃級(jí)葉片安裝角度以及不同旋向組合對中心分級(jí)燃燒室燃燒性能的影響。

表1 研究方案Table 1 Study scheme

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 值班級(jí)第一級(jí)葉片安裝角對燃燒性能的影響

圖2、圖3分別為不同值班級(jí)第一級(jí)葉片安裝角下的回流區(qū)大小和中心截面速度矢量分布圖。圖2中橫坐標(biāo)為燃燒室頭部到燃燒室出口的距離，縱坐標(biāo)為燃燒室回流區(qū)高度，下文同。隨著安裝角的增大，從圖2中可看出回流區(qū)在長度和寬度上都呈先增大后保持不變的規(guī)律；從圖3中可看到兩個(gè)渦核間的距離逐漸增大，且呈現(xiàn)后移趨勢，上下渦核基本呈對稱分布。這是由于葉片安裝角增大時(shí)，旋流數(shù)增加，使切向動(dòng)量與軸向動(dòng)量增加，造成回流區(qū)增大并有后移趨勢。

圖3 不同第一級(jí)葉片安裝角下的中心截面速度矢量圖Fig.3 The middle section velocity vector diagram with different installation angles of the first stage blade

圖4 不同第一級(jí)葉片安裝角下的中心截面溫度分布Fig.4 The temperature distribution with different installation angles of the first stage blade

圖5 不同第一級(jí)葉片安裝角下的出口溫度分布Fig.5 The outlet temperature distribution with different installation angles of the first stage blade

圖4～圖6分別為不同值班級(jí)第一級(jí)葉片安裝角下的中心截面溫度、出口溫度和出口NOx濃度分布圖。由圖4可知，4種方案主燃區(qū)溫度分布基本一致，其中Base方案高溫區(qū)域均勻，燃燒較好。圖5表明隨著安裝角的增大，出口溫度高溫區(qū)域面積減小，但Base方案最高溫度較低。由圖6可知，出口NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著葉片安裝角的增大而減少。結(jié)合表2可看出，各方案燃燒效率均較高，出口平均溫度相差較??；Base方案的出口最高溫度、出口溫度分布系數(shù)(OTDF)均較低，表明其燃燒室出口品質(zhì)較好。綜上分析，第一級(jí)葉片安裝角增大時(shí)回流區(qū)變大，但當(dāng)角度持續(xù)增大到70°時(shí)會(huì)造成回流區(qū)后移，這說明第一級(jí)葉片安裝角不宜過大。從燃燒場截面溫度分布及燃燒室出口品質(zhì)分析，Base方案燃燒性能最優(yōu)，即第一級(jí)葉片安裝角為45°時(shí)燃燒性能較好。

圖6 不同第一級(jí)葉片安裝角下的出口NOx分布Fig.6 The outlet NOx distribution with different installation angles of the first stage blade

表2 不同第一級(jí)葉片安裝角下的燃燒性能參數(shù)Table 2 The parameter of combustion characteristics with different installation angles of the first stage blade

3.2 值班級(jí)第二級(jí)葉片安裝角對燃燒性能的影響

圖7、圖8分別為不同值班級(jí)第二級(jí)葉片安裝角下的回流區(qū)大小和中心截面速度矢量圖。由圖7可看出，當(dāng)安裝角增大時(shí)，回流區(qū)徑向變大，軸向有減小趨勢；但當(dāng)角度增大至70°時(shí)，回流區(qū)軸向變長。從圖8可看出，當(dāng)安裝角增大時(shí)，渦核徑向距離變大，回流區(qū)有向后變長的趨勢。這是由于第二級(jí)安裝角增大，會(huì)導(dǎo)致旋流器葉片出口處氣流的切向與軸向動(dòng)量增加，且第二級(jí)葉片進(jìn)氣量較第一級(jí)葉片的大，渦核擴(kuò)散能力增強(qiáng)使得回流區(qū)徑向尺寸增加。但是安裝角太大(超過60°)對回流區(qū)形成不利。

圖7 不同第二級(jí)葉片安裝角下的回流區(qū)Fig.7 The recirculation zone with different installation angles of the second stage blade

圖8 不同第二級(jí)葉片安裝角下的中心截面速度矢量圖Fig.8 The middle section velocity vector diagram with different installation angles of the second stage blade

圖9～圖11分別為不同第二級(jí)葉片安裝角下的中心截面溫度、出口溫度和出口NOx濃度分布圖。由圖9看出，隨著安裝角增大，高溫區(qū)域變得更均勻、分布較好，說明一定角度的增加對燃燒室燃燒具有較好的促進(jìn)作用；但當(dāng)角度增至70°時(shí)明顯出現(xiàn)不均勻區(qū)域，再次證明角度過大會(huì)影響燃燒性能。從圖10、圖11看出，安裝角增大時(shí)出口高溫區(qū)域及NOx排放大致為減小趨勢，但出口溫度Base方案燃燒高溫區(qū)域溫度較低，且其NOx排放較Case E的濃度低。結(jié)合表3可看出，Case E方案燃燒效率較高，但Base方案出口最高溫度、出口平均溫度及OTDF值較低，說明其出口溫度分布較好。綜合比較，第二級(jí)葉片安裝角不宜過大，選取45°時(shí)燃燒室燃燒性能較優(yōu)。

圖9 不同第二級(jí)葉片安裝角下的中心截面溫度分布Fig.9 The temperature distribution of middle section with different installation angles of the second stage blade

圖10 不同第二級(jí)葉片安裝角下的出口溫度分布Fig.10 The outlet temperature distribution with different installation angles of the second stage blade

圖11 不同第二級(jí)葉片安裝角下的出口NOx分布Fig.11 The outlet NOx distribution with different installation angles of the second stage blade

表3 不同第二級(jí)葉片安裝角下的燃燒性能參數(shù)Table 3 The parameter of combustion characteristics with different installation angles of the second stage blade

3.3 主燃級(jí)葉片安裝角對燃燒性能的影響

圖12 不同主燃級(jí)葉片安裝角下的回流區(qū)Fig.12 The recirculation zone with different installation angles of the primary stage blade

圖13 不同主燃級(jí)葉片安裝角下的中心截面速度矢量圖Fig.13 The middle section velocity vector diagram with different installation angles of the primary stage blade

圖12、圖13分別為不同主燃級(jí)葉片安裝角下的回流區(qū)大小和中心截面速度矢量圖。從圖12可看出，隨著安裝角增大，回流區(qū)軸向尺寸明顯減小，徑向尺寸基本保持不變。從圖13可看出，隨著安裝角增大，兩個(gè)渦核間的距離逐漸增大，上下渦核基本呈對稱分布，兩個(gè)渦心位置向上游靠近。這是由于隨著安裝角增大，氣流切向動(dòng)量增大，旋流作用增強(qiáng)，渦核擴(kuò)撒能力增強(qiáng)，導(dǎo)致兩個(gè)渦沿徑向擴(kuò)展。

圖14～圖16分別為不同主燃級(jí)葉片安裝角下的燃燒室中心截面溫度、出口溫度和出口NOx濃度分布圖。從圖14可看出，隨著安裝角增大，高溫區(qū)域增大，且溫度分布越勻稱，說明燃燒變得更加完全，使得圖15中出口溫度高溫區(qū)域減小。從圖16可看出，隨著安裝角增大，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。這主要是因?yàn)殡S著主燃級(jí)葉片安裝角增大，進(jìn)氣氣流切向動(dòng)量增大、旋轉(zhuǎn)作用增強(qiáng)，有利于主燃區(qū)燃燒，造成燃燒溫度場溫度逐漸增大，進(jìn)而增加了熱力型NOx的生成量。結(jié)合表4也可看出，隨著主燃級(jí)安裝角增大，燃燒效率、出口溫度品質(zhì)變得更好。綜合分析，Case H、Case I方案均有較高的燃燒效率及較好的出口溫度分布特性，但Case H方案的排放及回流區(qū)特性比Case I方案的好，研究認(rèn)為主燃級(jí)葉片60°時(shí)燃燒性能較優(yōu)。

圖14 不同主燃級(jí)葉片安裝角下的中心截面溫度分布Fig.14 The temperature distribution of middle section with different installation angles of the primary stage blade

圖15 不同主燃級(jí)葉片安裝角下的出口溫度分布Fig.15 The outlet temperature distribution with different installation angles of the primary stage blade

3.4 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向組合對燃燒性能的影響

圖16 不同主燃級(jí)葉片安裝角下的出口NOx分布Fig.16 The outlet NOx distribution with different installation angles of the primary stage blade

表4 不同主燃級(jí)葉片安裝角下的燃燒室性能參數(shù)Table 4 The parameter of combustion characteristics with different installation angles of the primary stage blade

圖17 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向下的回流區(qū)Fig.17 The recirculation zone with the different rotating direction of pilot stage and primary stage

圖17、圖18分別為不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向組合下的回流區(qū)大小與中心截面速度矢量圖。從圖17可看出，Case J、Base方案回流區(qū)徑向尺寸較大，但Base方案軸向尺寸較長。從圖18可看到，Case J、Base方案形成的渦核流場較好，Base方案負(fù)速度區(qū)域明顯較Case J方案的靠后，得出Case J方案形成回流區(qū)較好，即值班級(jí)兩級(jí)葉片旋向相反、值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)葉片旋向相同時(shí)形成的流場較好。這是因?yàn)楫?dāng)三級(jí)葉片旋向相同時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸向動(dòng)量較大，在三級(jí)葉片氣流作用下造成回流區(qū)軸向尺寸變長；但當(dāng)值班級(jí)兩級(jí)葉片旋向相反時(shí)，氣流旋向相反會(huì)導(dǎo)致切向動(dòng)量出現(xiàn)一定損失，所形成的旋流角度有所減小，同時(shí)值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)旋向相同，在主燃級(jí)氣流作用下回流區(qū)流場加強(qiáng)，會(huì)有較好的軸向回流，進(jìn)而形成較好的軸向回流區(qū)。

圖18 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向下的中心截面速度矢量圖Fig.18 The middle section velocity vector diagram with the different rotating directionof pilot stage and primary stage

圖19～圖21分別為不同值班級(jí)和主燃級(jí)旋向組合下的中心截面溫度、出口截面溫度與出口NOx濃度分布圖?？煽闯觯?種旋向組合中，Case J高溫區(qū)溫度較高且分布均勻，在火焰筒壁面附近也有較好的低溫區(qū)域，可認(rèn)為其燃燒較好；不同旋向組合下的出口溫度場變化不明顯；4種旋向組合中出口NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小為Case J＞Case K＞Base＞Case L。這是由于值班級(jí)旋向相反時(shí)燃油霧化性能比同向時(shí)的好，值班級(jí)第二級(jí)與主燃級(jí)同向時(shí)穩(wěn)定擴(kuò)散燃燒作用比反向時(shí)的好。結(jié)合表5可知，Case J燃燒效率最高，且出口溫度特性較其他方案的好。由此得出，值班級(jí)兩級(jí)葉片旋向相反、值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)葉片旋向相同時(shí)的旋向組合燃燒性能較優(yōu)。

圖19 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向組合下的中心截面溫度分布Fig.19 The temperature distribution of middle section with the different rotating direction of pilot stage and primary stage

圖20 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向組合下的出口溫度分布Fig.20 The outlet temperature distribution with the different rotating direction of pilot stage and primary stage

圖21 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向下的出口NOx分布Fig.21 The outlet NOx distribution with the different rotating direction of pilot stage and primary stage

表5 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向組合下的燃燒室性能參數(shù)Table 5 The parameter of combustion characteristics with the different rotating direction of pilot stage andprimary stage

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對4種不同值班級(jí)和主燃級(jí)旋向組合方案的燃燒性能，在沈陽航空航天大學(xué)新概念智能燃燒控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)段如圖22所示。

圖22 燃燒室試驗(yàn)段Fig.22 The combustor test section

試驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，所以測得的燃燒效率比高溫高壓環(huán)境下的低。試驗(yàn)過程中，在各方案穩(wěn)定燃燒后，通過燃燒室玻璃觀察窗觀察穩(wěn)定燃燒火焰，并記錄火焰燃燒圖像。采用燃?xì)夥治龇ㄓ?jì)算燃燒效率，Case J、Base、Case K、Case L的燃燒效率分別為94.8%、91.7%、93.5%、91.5%。從圖23中的燃燒圖像可看出，Case J方案的火焰明亮區(qū)域較大、淡藍(lán)色區(qū)域較小，表明其燃燒較充分，且與中心截面溫度分布較吻合。說明合理的旋向組合可改變火焰形狀，保證燃燒穩(wěn)定，對工程運(yùn)用有極為重要的作用。綜合分析看，值班級(jí)兩級(jí)葉片旋向相反比旋向相同時(shí)的燃燒好，值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)葉片旋向相同比相反時(shí)的燃燒好，表明試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算有較好一致性。

圖23 不同值班級(jí)和主燃級(jí)葉片旋向組合下的燃燒圖像Fig.23 The combustion stage with the different rotating direction of pilot stage and primary stage

5 結(jié)論

采用數(shù)值仿真方法研究了值班級(jí)與主燃級(jí)葉片角度及旋向組合對中心分級(jí)燃燒室燃燒性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 旋流器值班級(jí)葉片安裝角對中心分級(jí)燃燒室燃燒性能起著關(guān)鍵作用，值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)葉片安裝角度比值班級(jí)第一級(jí)葉片安裝角度對燃燒性能的影響明顯，安裝角度超過60°時(shí)或者小于45°時(shí)均不利于穩(wěn)定回流區(qū)的形成。

(2) 旋流器葉片旋向組合是影響中心分級(jí)燃燒室性能的重要參數(shù)，值班級(jí)兩級(jí)葉片旋向相反且值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)葉片旋向相同時(shí)可形成較好的回流區(qū)，且各燃燒性能也較好。

(3) 本文得出的最優(yōu)方案為旋流器值班級(jí)第一級(jí)葉片安裝角45°、第二級(jí)葉片45°、主燃級(jí)葉片60°，旋向組合為值班級(jí)兩級(jí)葉片旋向反向且值班級(jí)第二級(jí)葉片與主燃級(jí)葉片旋向相同。