摻混段氣孔布置對(duì)出口溫度場影響的計(jì)算研究

嚴(yán)友誼 蔡志斌 朱明軍

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

燃燒室出口溫度及其分布特征對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及渦輪導(dǎo)向器、轉(zhuǎn)子葉片壽命及可靠性有重要影響。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，對(duì)燃燒室出口溫度的要求也相應(yīng)提高，但過高的熱點(diǎn)溫度及過大的溫度分布不均性對(duì)渦輪性能、可靠性及壽命的不利影響也越來越嚴(yán)重。因此在燃燒室出口溫度水平提高的情況下，優(yōu)化出口溫度場，消除過高溫度點(diǎn)及不合理的徑向溫度分布以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪部件工作需要，成為燃燒室出口溫度場研究的核心問題。早期對(duì)溫度場的研究基本采用部件性能試驗(yàn)，該方法能真實(shí)模擬燃燒室在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作過程，可信度高，但其研究門檻高、成本大、周期長。隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展和硬件水平的提高，燃燒室數(shù)值仿真計(jì)算在可行性和計(jì)算精度、準(zhǔn)確性方面有了顯著提高，燃燒室三維仿真氣動(dòng)熱力計(jì)算也成為出口溫度場研究的重要手段。

國內(nèi)外對(duì)出口溫度場研究非常重視，但公開文獻(xiàn)較少。C.E.Smith[1]較早使用三維CFD方法研究了摻混孔間距與火焰筒高度比對(duì)環(huán)形直流燃燒室出口溫度分布系數(shù)（OTDF）的影響。R.J.Lawson[2]較早使用三維CFD方法調(diào)整燃燒室出口徑向溫度分布曲線。John C.Delaat,Kevin J.Breisacher,Joseph R.Saus等[3]試驗(yàn)研究了根據(jù)出口溫度不均勻性信號(hào)控制燃油噴嘴流量的出口溫度場主動(dòng)控制技術(shù)。Holdeman J D,Srinivasan R,Reynolds R S等[4]較早研究了摻混孔幾何參數(shù)對(duì)燃燒室出口溫度分布的影響。胡好生、趙堅(jiān)行、鐘建平等[5]通過改變?nèi)加蛧娮觳迦肷疃燃斑x用不同霧化錐角的燃油噴嘴研究了燃燒室出口溫度分布系數(shù)。江立軍、曹俊、嚴(yán)明超等[6]對(duì)火焰筒上渦流器套筒與隔熱板不同配合間隙進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了套筒與隔熱板間環(huán)形射流對(duì)出口溫度場的影響。為研究回流燃燒室外環(huán)增加摻混及冷卻氣對(duì)燃燒室出口溫度場的影響，對(duì)基于基準(zhǔn)方案火焰筒設(shè)計(jì)的4種火焰筒開孔方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了該回流燃燒室溫度場變化的一般規(guī)律及調(diào)試方法。

1.計(jì)算方案與網(wǎng)格

1.1 計(jì)算方案

為研究摻混段氣孔布置對(duì)回流燃燒室出口溫度場的影響，在火焰筒外環(huán)摻混段壁面上設(shè)計(jì)了4種開孔方案進(jìn)行熱態(tài)性能計(jì)算。計(jì)算方案詳見圖1及表1，其中計(jì)算方案0為基準(zhǔn)方案，其余方案1～方案4均在基準(zhǔn)方案基礎(chǔ)上加大摻混孔徑及在大彎管不同位置增加不同孔徑及孔數(shù)的冷卻孔構(gòu)成。

圖1 計(jì)算方案結(jié)構(gòu)示意

表1 計(jì)算方案說明

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

建模和網(wǎng)格生成分別采用Workbench16.0內(nèi)集成的Geometry和Meshing工具。為減少計(jì)算量，對(duì)單個(gè)頭部建模，采用旋轉(zhuǎn)周期邊界模擬側(cè)壁流動(dòng)情況。為獲得準(zhǔn)確的燃燒室內(nèi)關(guān)鍵位置流動(dòng)特征及燃燒室流量分配，建模過程中未對(duì)渦流器、主燃孔、摻混孔、發(fā)散冷卻孔、噴嘴吹除積碳孔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格生成過程中對(duì)流動(dòng)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，并進(jìn)行了計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。最終確定各方案的網(wǎng)格量為1300萬～1800萬。

2.計(jì)算結(jié)果及分析

從圖2各方案外環(huán)摻混氣量百分比看，方案0與方案2～方案4外環(huán)摻混氣量接近，方案1比各方案外環(huán)摻混氣量大12%以上，因此相比其余方案。

圖2 各方案外環(huán)摻混氣量與總氣量百分比

從圖3各方案內(nèi)環(huán)摻混氣量百分比看，方案0與方案2～方案4內(nèi)環(huán)摻混氣量接近，方案1與其余方案最大氣量差異在3%以內(nèi)。

綜合圖2與圖3內(nèi)、外環(huán)摻混孔氣量百分比看，盡管方案1外環(huán)摻混孔孔徑由Φ6增加到Φ8（開孔面積增加77.8%）后，外環(huán)氣量大幅增加（外環(huán)摻混氣量增加13%），但由于增加的氣量是從除外環(huán)摻混孔以外的其余開孔上扣除的，故分?jǐn)傇趦?nèi)環(huán)摻混孔上的氣量減少并不多（內(nèi)環(huán)摻混氣量降低在3%以內(nèi)）。因此內(nèi)環(huán)摻混孔氣量受外環(huán)摻混段開孔影響較小。

圖3 各方案內(nèi)環(huán)摻混氣量與總氣量百分比

表2為各方案火焰筒流量分配對(duì)比（百分比氣量由各進(jìn)氣量除以進(jìn)口流量得到）。由表2可知，相比計(jì)算方案0（基準(zhǔn)方案），火焰筒外環(huán)摻混段壁面開孔使得方案1外環(huán)摻混氣量顯著增加，頭部氣量（包含渦流器進(jìn)氣及頭部冷卻氣）、渦流器氣量、內(nèi)環(huán)摻混氣量及主燃孔氣量降低。方案2～方案4頭部氣量、渦流器氣量、內(nèi)環(huán)摻混氣量及主燃孔氣量均有輕微下降，而外環(huán)摻混氣量少量增加。

表2 各方案火焰筒流量分配

火焰筒摻混段內(nèi)高溫區(qū)集中在靠近內(nèi)環(huán)及小彎管壁面一側(cè)。從內(nèi)、外環(huán)射出的摻混冷氣在進(jìn)入火焰筒后，與主流內(nèi)的高溫燃?xì)庋杆倩旌?，使得彎管?nèi)的燃?xì)鉁囟认陆担捎诟鞣桨傅臍饬糠峙浯嬖诓町?，?dǎo)致彎管內(nèi)摻混的效果有所差異。

圖4為計(jì)算得到的各方案燃燒室出口徑向溫度分布曲線對(duì)比（曲線橫坐標(biāo)為無量綱溫度，由各點(diǎn)溫度與出口平均溫度之差除以溫升得到，曲線縱坐標(biāo)為無量綱徑向高度，由各點(diǎn)徑向高度與通道高度比得到。其中，GTreq曲線為渦輪理想工作線）。從圖4看，各方案出口徑向溫度分布曲線的最高溫點(diǎn)均在通道上方，最高溫度由大到小依次為：方案4＞方案2＞方案3＞方案1＞方案0。相比渦輪理想工作線，各方案出口徑向溫度分布曲線上部溫度點(diǎn)大部分超出渦輪理想工作線；各方案出口徑向溫度分布曲線中部溫度點(diǎn)均在渦輪理想工作線范圍內(nèi)；各方案曲線下部溫度點(diǎn)除方案4溫度點(diǎn)在渦輪理想工作線內(nèi)，其余方案各點(diǎn)大部分超出渦輪理想工作線，各溫度曲線下部溫度值由大到小依次為：方案1＞方案0＞方案3＞方案2＞方案4。

表3為各方案計(jì)算的OTDF、RTDF值及壓力損失。從表3可知，相比基準(zhǔn)方案，增大外環(huán)摻混孔直徑（方案1）可以使得燃燒室出口溫度場OTDF、RTDF及總壓損失分別下降了13.6%、1.9%及21.9%，但會(huì)使得其徑向溫度分布曲線在下部有27.6%的溫度增加（圖4方案1曲線約12%通道高處）；大彎管下方布置氣孔方案（方案3，開孔面積約為141mm2，引氣量0.41%）比大彎管上方布置氣孔方案（方案2，開孔面積約為226mm2，引氣量1.53%）少約73%的氣量，但其OTDF及RTDF分別下降10.5%與6.3%，說明在外環(huán)摻混段后端布置開孔對(duì)溫度場的調(diào)控要更好；在大彎管布置多排氣孔（方案4，引氣量2.59%）使得OTDF、RTDF指標(biāo)相比基準(zhǔn)方案增大51.6%與32%，總壓損失降低7.5%，同時(shí)徑向溫度分布曲線葉根處的溫度明顯降低。

圖4 各計(jì)算方案燃燒室出口徑向溫度分布曲線對(duì)比

表3 各計(jì)算方案燃燒室出口溫度分布指標(biāo)及壓力損失

3.結(jié)論

通過上述研究，得出以下結(jié)論：

（1）外環(huán)摻混孔增大使得火焰筒頭部、渦流器、內(nèi)環(huán)摻混孔及主燃孔進(jìn)氣量下降。

（2）方案1外環(huán)摻混氣量增大13%，使得OTDF、RTDF及總壓損失分別降低13.6%、1.9%及21.9%，但會(huì)造成徑向溫度分布曲線12%通道位置處溫度升高27.6%。

（3）大彎管下方布置冷卻孔遠(yuǎn)比在其上方布置冷卻孔對(duì)出口截面葉根溫度降低更有效，同時(shí)OTDF及RTDF指標(biāo)也更低。

（4）在大彎管壁面布置多排氣孔使得總壓損失降低，同時(shí)徑向溫度分布曲線在葉根處的溫度也明顯降低。