無引氣式渦輪級間燃燒室設計與數值研究

駱廣琦，胡磊，孫東，張海明

無引氣式渦輪級間燃燒室設計與數值研究

駱廣琦，胡磊，孫東，張海明

(空軍工程大學工程學院，陜西西安710038)

利用流體計算軟件模擬渦輪級間燃燒室(ITB)三維兩相燃燒流場。對比分析無引氣式ITB與傳統ITB性能及流場分布。采用Realizablek-ε模型模擬湍流黏性，離散相模型追蹤油珠運動軌跡，非預混平衡化學反應模型模擬燃燒過程。計算結果表明：無引氣式ITB除總壓損失比傳統ITB的稍大外，其它指標均與傳統ITB的相當；但由于該方案不需要額外引氣，故提升了ITB發動機性能及應用價值。

渦輪級間燃燒室；無引氣式；離散相模型；非預混平衡化學反應；數值仿真

1 引言

渦輪級間燃燒室(ITB)技術是通過在多級渦輪間設置燃燒室進行二次燃燒，提高后級渦輪燃氣進口總溫，在渦輪單位功不變的情況下減小渦輪落壓比，從而提高噴管出口總壓和發動機性能，擴大發動機飛行馬赫數范圍[1～3]。從熱力循環角度看(熱力循環圖參見文獻[1])，ITB使發動機的熱力循環從傳統的布雷頓循環轉變為接近等溫循環，給工質加入了更多的熱能，使發動機循環功增大，更多的熱能轉換為氣體動能，使得發動機具有更高的推力性能。

Lewis早年研究了離心力場對火焰傳播速度的影響[4]，認為高離心力下火焰傳播主要依靠浮升力效應產生的“焰泡”遷移增大其傳播速度，并將火焰燃燒分為層流燃燒、湍流燃燒和浮力燃燒三種類型，通過實驗發現浮力燃燒火焰傳播速度比層流和湍流燃燒的快。同時，因為火焰有了環向速度分量，火焰需要的滯留時間，更多的是通過環向長度而不是軸向長度獲得，從而使得傳統發動機在有限空間內加裝ITB成為可能。

為使空腔內產生高離心加速度的旋流，目前國外普遍采用二股氣流的形式(如圖1)，將高壓壓氣機后的空氣從環繞在周向腔外側、相對于徑向都有一偏角的24個噴射孔射入空腔來實現。這必然要從壓氣機后大量引氣[5]。目前國外所采用的二股氣流的引氣量普遍達到20%，對于傳統發動機來說，過高的引氣量必然急劇降低發動機效率[6]。

圖1 傳統ITB結構示意圖Fig.1 Traditional ITB structure

本文設計了如圖2所示的無引氣式ITB結構。該結構方案主要包括進口段、導向葉片、凸臺、周向腔及出口段，采用大角度偏轉葉片的形式迫使來流產生高速旋流，利用離心力場燃燒原理提高火焰傳播速度，避免了從高壓壓氣機后大量引氣的弊端。為使高速旋流帶動整個周向腔內氣流，在葉片通道處設置一定高度的凸臺。高速氣流從截面積較小的葉片通道進入周向腔內，可在該周向腔內形成駐渦燃燒，增大火焰穩定性。燃油噴嘴設在葉片通道上方，燃油與高離心加速度氣流在周向腔內摻混燃燒。

圖2 無引氣式ITB結構剖圖Fig.2 Cross section of ITB without bleed

2 模型的建立

2.1 結構模型及網格劃分

該結構導向葉片為12個，葉片偏轉角度為55°；燃油由葉片通道上均布的12個入射孔噴入。為提高網格質量，將模型結構進行分塊處理，局部加密，網格總數為250萬個。

2.2 邊界條件

本結構由于周向腔頂部無空氣入口，為與傳統引氣式ITB燃燒效果[5]進行比較，采用了與文獻[7]進口條件相同的流量與油氣比，故主流進口氣流為0.268 374 kg/s，即傳統ITB主流流量與周向腔空氣入口流量之和。12個燃油噴嘴，每個的流量為0.000 445 kg/s，混合氣當量比為0.294。出口處采用壓力出口，主流通道入口溫度為528 K。需說明的是，該進口邊界條件并非模擬真實高壓渦輪出口條件，而僅為基礎理論實驗研究的簡化值，即未考慮進口氣流為燃燒室燃燒后的高溫、高污染氣體，本文為保持與文獻實驗條件一致而采用該條件。模型采用C12H23(JB-8+100燃油)作為反應物，通過圓錐霧化噴嘴噴入周向腔中，形成錐形噴霧。利用離散相模型模擬液滴流動。液滴來流的離散數量設置為20個，液滴直徑為100 μm，液滴的半錐角為35°，燃油溫度為300 K[8]。

2.3 計算模型及求解器

湍流模型采用Realizablek-ε模型，采用依據及ITB湍流模型研究發展詳見文獻[9]。對于本算例模擬的快速化學反應的紊態擴散火焰，采用非預混燃燒模型來模擬燃燒過程[10]。求解器為分離隱式穩態求解器，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法處理，各計算參數的離散均采用二階精度的迎風格式，控制方程采用亞松弛因子控制收斂。各殘差的收斂參數，除能量為10-6外，其余均為10-3。由于三維模型結構復雜，能量的殘差收斂較困難，故本文主要通過進、出口的流量和能量守恒判斷，同時監測出口處的平均溫度，當迭代到以上參數的殘差標準時，即可認為計算已收斂。

2.4 評估標準

采用總壓損失、燃燒效率等相關指標對研究對象進行性能評定。總壓損失定義為：

燃燒效率ηb采用尾氣評估法[12]計算：

式中：HC為燃油燃燒熱值；EICO、EICxHy為衡量一氧化碳與燃油的污染排放程度，定義為

式中：[]表示摩爾組分濃度；M代表分子量；α代表y/x；T為空氣中二氧化碳的摩爾百分數，這里假定為0.000 34；X/m的表達式為

式中：X為空氣比油的摩爾份數，h為進口空氣中水蒸氣的含量，Z定義為

3 結果分析

3.1 指標比較

由于本方案采取12個大角度偏轉葉片無引氣式結構，使得模型無法簡化成1/6周期性模型，故采用全尺寸結構進行計算。同時與1/6模型和全尺寸模型結果進行對比分析，相關結果如表1所示。表中，驗證模型采用傳統ITB，各計算模型采用相同的數值模型，1/6驗證模型與1/6文獻模型的物理模型相同；Texit為出口流量加權平均溫升。

文獻及本文的仿真模型與文獻實驗值的對比分析：實驗總壓損失約為5.0%，而文獻和本文仿真模型的普遍約為10.0%，計算值整體高于實驗值；全尺寸模型的仿真結果比1/6模型的更接近于真實物理實驗過程。

無引氣式ITB模型與傳統ITB全尺寸模型的對比分析：本模型的總壓損失要明顯高于傳統ITB模型。原因為本模型主要通過大角度偏轉葉片迫使來流產生高離心加速度，一方面，來流從較小面積的葉片通道進入較大面積的周向腔內，會造成較大的擴壓損失；另一方面，高速來流在大角度偏轉葉片作用下也必然造成一定的總壓損失。而傳統ITB模型單純從周向腔外部射入空氣，所以本模型造成的總壓損失必然偏大。因此，如何降低無引氣式ITB的總壓損失尤為關鍵。另外，與傳統ITB模型相比，本模型的燃燒效率、出口流量加權平均溫升及CO2濃度略低，CO和O2的濃度略高，即傳統ITB模型的燃燒過程更加充分。不過，本模型的整體性能基本達到了傳統ITB模型的水平。由于本模型不需要從高壓壓氣機后引氣，因此其結構將更具應用價值。

表1 結果比較Table 1 Comparison of results

3.2 流場分析

圖3為無引氣式ITB單側軸向截面流場圖，從圖中可明顯發現兩個低速區域。1區為周向腔后壁面夾角處，此區域為高速來流經過周向腔并在貼周向腔壁面流動過程中遇到壁面垂直拐角而形成的低速旋渦。2區為高速來流從凸臺上部進入后，產生圖示方向速度，從而在整個周向腔內形成駐渦燃燒。

圖3 軸向截面流場圖Fig.3 Flow field of the axial cross section

3.3 溫度場分析

無引氣式ITB模型內部軸向截面溫度分布如圖4所示。由于該模型的燃油在進入周向腔前已在葉片通道后端與來流摻混，因此進入周向腔內的氣流為燃油混合氣。從圖中可知，該模型的燃燒過程發生在整個周向腔內，在對應圖3低速區的地方出現兩高溫區。這是由于該兩處氣流速度較低，燃油在此兩處能穩定燃燒，故而溫度較高。

由圖5所示的外壁面溫度分布可知，該無引氣式ITB壁面高溫區主要分布在燃燒室后半段。這是因為燃油混合氣沿葉片通道射入周向腔內，來流在近壁面高速流動，對ITB外壁面形成氣膜冷卻，但在周向腔后半段壁面夾角處產生了穩定燃燒區，因而周向腔僅后壁面溫度較高，其它區域溫度較低。另外，在周向腔后壁面，高溫燃氣受12個葉片旋流的影響，在后壁面均勻分布著12個周期性的高溫區。

從圖6中的出口徑向溫度分布曲線可看出，出口溫度在根部區域較高，中部最低，上部較均勻。因此，對于后級渦輪葉片，根部的熱應力要大些，而尖部的熱應力要小些，整體出口溫度分布較為均勻。不過，該溫度分布與渦輪葉片需求的溫度分布(3/4葉高處溫度最高)不完全一致，有待進一步改進。

圖4 軸向截面溫度分布圖Fig.4 Temperature contour of the axial cross section

圖5 壁面溫度分布圖Fig.5 Wall temperature contour

圖6 出口徑向溫度分布Fig.6 Exit radial temperature distribution

4 結論

(1)本文設計的無引氣式級間燃燒室，除總壓損失比傳統渦輪級間燃燒室的稍大外，基本達到了傳統渦輪級間燃燒室的性能指標，加之不需要額外引氣，大大提升了渦輪級間燃燒室的應用價值。

(2)無引氣式渦輪級間燃燒室的周向腔內能形成兩個大范圍的高溫區，并能形成穩定的駐渦燃燒；該燃燒室外壁面高溫區主要集中在周向腔后壁面；出口徑向溫度分布曲線還有待進一步改善。

(3)下一步將研究該型無引氣式渦輪級間燃燒室各幾何參數對其內部流場、溫度場的影響規律。

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Design and Numerical Analysis of Inter-Turbine Burner without Bleed

LUO Guang-qi，HU Lei，SUN Dong，ZHANG Hai-ming
(Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

The differences between traditional Inter-Turbine Burner(ITB)and ITB without bleed were ana?lyzed by using CFD software to simulate the 3D combustor on two phase combustion performances and com?bustion flows.Realizablek-εmodel was applied to simulate the turbulence viscosity.The fuel droplet tra?jectories were modeled in Lagrangian frame of reference by using discrete phase model.Non-premixed com?bustion model was used to model turbulence-chemistry interaction.The calculation results indicated:this ITB has basically reached the performance index of the traditional ITB except for total pressure loss a bit larger.At the same time,this ITB did not need extra bleeding,which promoted the performance and applica?tion of ITB engine greatly.

Inter-Turbine Burner；without bleed；discrete phase model；non-premixed turbulence-chemistry interaction；numerical simulation

V231.2

A

1672-2620(2012)01-0001-04

2011-06-22；

2011-11-13

駱廣琦(197l-)，男，陜西涇陽人，教授，主要從事推進系統總體設計與性能研究等。