燃油分級(jí)比例對(duì)TAPS燃燒室性能的影響

程 明，尚守堂，劉殿春，高家春，郭瑞卿，張珊珊，李 鋒

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

TAPS燃燒室是GE公司為下一代商用飛機(jī)研制的低污染燃燒室，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其第1代燃燒技術(shù)的NOX排放比目前常規(guī)燃燒室的降低50%，且具有使NOX排放持續(xù)降低50%～75%的潛力[1]。Mongia等人采用試驗(yàn)方法研究了TAPS模型燃燒室的瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、主燃級(jí)和值班級(jí)火焰的相互作用，以及周期性回火現(xiàn)象等[2-4]。國(guó)內(nèi)對(duì)于TAPS燃燒技術(shù)的研究尚處于起步階段。文獻(xiàn)[5]對(duì)單環(huán)腔中心分級(jí)燃燒室進(jìn)行了數(shù)值研究，通過(guò)改變旋流器旋向和葉片角度等幾何參數(shù)，分析其對(duì)燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[6]采用數(shù)值模擬方法初步研究了TAPS燃燒室3維二相流場(chǎng)，并且研究了2種燃燒室結(jié)構(gòu)和2種噴油方式下的燃燒性能，但沒(méi)有考慮燃油分級(jí)比例的影響。由于TAPS燃燒室采用了空氣徑向分級(jí)配合燃油徑向分級(jí)燃燒技術(shù)，故本研究實(shí)際涉及到空氣流量分配和燃油流量分配2個(gè)方面的內(nèi)容。

本文從TAPS燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜合分析TAPS燃燒室在不同工況下實(shí)現(xiàn)低污染及穩(wěn)定燃燒對(duì)各子燃燒區(qū)當(dāng)量比的要求，基于中等推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)提出TAPS燃燒室頭部旋流器的3級(jí)旋流流量分配方案，并在該方案下，對(duì)不同燃油分配比例對(duì)TAPS燃燒室性能的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 TAPS燃燒室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和低污染燃燒原理

TAPS旋流器由值班級(jí)和主燃級(jí)構(gòu)成，2級(jí)之間由一定高度的臺(tái)階隔開，值班級(jí)由內(nèi)、外2級(jí)旋流組成，二者之間被文氏管隔開，典型TAPS旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文獻(xiàn)[2-3]詳細(xì)介紹了TAPS燃燒室的流場(chǎng)特征。在高工況下，TAPS旋流器在主燃區(qū)中產(chǎn)生3個(gè)回流區(qū)，分別為主回流（PRZ）、角回流（CRZ）和臺(tái)階回流（LPZ），如圖 2所示。相應(yīng)燃燒區(qū)域被3個(gè)回流區(qū)劃分為值班級(jí)擴(kuò)散火焰區(qū)、剪切層火焰區(qū)和主燃級(jí)預(yù)混火焰區(qū)。

圖1 典型TAPS旋流器結(jié)構(gòu)

圖2 TAPS燃燒室高工況下主燃區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[7]對(duì)TAPS燃燒室低污染燃燒原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。在低工況下，僅值班級(jí)噴嘴噴射燃油。氣流在值班級(jí)2級(jí)旋流、文氏管和套筒的共同作用下，在套筒內(nèi)及其下游形成1個(gè)強(qiáng)大的值班級(jí)主流區(qū)，燃油在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行富油充分燃燒，其富油燃燒產(chǎn)物在剪切層及主燃區(qū)下游與主燃級(jí)新鮮空氣進(jìn)行快速摻混燃燒，以此實(shí)現(xiàn)低工況下的高效燃燒，同時(shí)獲得較低的污染物排放。TAPS燃燒技術(shù)通過(guò)增加文氏管和臺(tái)階裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)其目的。TAPS旋流器的徑向分級(jí)結(jié)構(gòu)決定了主燃級(jí)冷的新鮮空氣射流會(huì)對(duì)值班級(jí)火焰存在焠熄作用，如果在值班級(jí)燃燒不完全的情況下，加入大量主燃級(jí)新鮮空氣，焠熄作用會(huì)導(dǎo)致燃燒室內(nèi)CO排放的大幅增加，且燃燒效率大幅下降。主燃級(jí)和值班級(jí)射流之間的臺(tái)階將2級(jí)射流隔開一段距離，延緩了主燃級(jí)射流與值班級(jí)火焰的混合，為值班級(jí)的充分燃燒提供時(shí)間；文氏管結(jié)構(gòu)將值班級(jí)分為2級(jí)旋流，燃油與值班級(jí)內(nèi)旋流混合燃燒，外旋流則被包裹在內(nèi)旋流混氣的外側(cè)，延緩內(nèi)外2級(jí)旋流的混合，以此調(diào)節(jié)值班級(jí)套筒內(nèi)燃燒區(qū)的局部當(dāng)量比，避開污染物排放量較大的當(dāng)量比區(qū)間，以實(shí)現(xiàn)低污染燃燒。在高工況下，主燃級(jí)分配了大部分的燃油和空氣，在主燃級(jí)預(yù)混腔體中形成均勻貧油混氣，以實(shí)現(xiàn)低污染燃燒；值班級(jí)分配較少的燃油和空氣，形成的擴(kuò)散火焰用于穩(wěn)定主燃級(jí)火焰。由于大部分燃油進(jìn)行貧油燃燒，故在高工況下，TAPS燃燒室能夠大幅度降低NOX的排放。

由于TAPS燃燒室的流場(chǎng)呈現(xiàn)出清晰的分區(qū)燃燒結(jié)構(gòu)，故在進(jìn)行TAPS燃燒室流量分配與燃油分配方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮在不同工況下各子燃燒區(qū)低污染和穩(wěn)定燃燒對(duì)局部當(dāng)量比的要求。

2 TAPS燃燒室流量分配方案設(shè)計(jì)

以中等推力發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)（見(jiàn)表1），應(yīng)用TAPS燃燒技術(shù)對(duì)主燃區(qū)各子區(qū)域按低污染燃燒原理和燃燒室穩(wěn)定運(yùn)行要求進(jìn)行針對(duì)性的流量分配。

參考目前燃燒室火焰筒和渦輪冷卻水平，燃燒室流量分配方案如下：按總進(jìn)氣量的13%用作渦輪冷卻，20%用作火焰筒冷卻，10%用作頭部冷卻，余下57%的氣流為TAPS旋流器3級(jí)旋流流量。在對(duì)3級(jí)旋流進(jìn)行流量分配時(shí)，將值班級(jí)內(nèi)、外旋流看作值班級(jí)旋流處理。按設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，可以作出2級(jí)當(dāng)量比隨燃油分級(jí)比例的變化曲線趨勢(shì)，如圖3所示。在高工況下，考慮NOX、CO排放的要求時(shí)[8]，希望主燃級(jí)和值班級(jí)當(dāng)量比位于處于0.6～0.8的貧油燃燒區(qū)間[9]；而從燃燒穩(wěn)定性來(lái)考慮，則希望貧油預(yù)混燃燒的當(dāng)量比大于0.5。從圖3中可見(jiàn)，當(dāng)主燃級(jí)當(dāng)量比取為0.6～0.8時(shí)，值班級(jí)當(dāng)量比在主燃級(jí)燃油比例從0%～100%變化時(shí)大致位于處于0.2～0.6區(qū)間。

表1 某中等推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)

圖3 在高工況下主燃級(jí)和值班級(jí)當(dāng)量比隨燃油分級(jí)比例的變化

按照?qǐng)D3中主燃級(jí)當(dāng)量比和燃油分級(jí)設(shè)計(jì)流量分配方案時(shí)，在低工況下值班級(jí)的當(dāng)量比隨燃油分級(jí)比例的變化如圖4所示。由此可見(jiàn)，在高工況下，按主燃級(jí)當(dāng)量比為0.6～0.8，燃油分級(jí)比例從0%～100%變化設(shè)計(jì)流量分配方案時(shí)，會(huì)造成在低工況下值班級(jí)當(dāng)量比大幅度變化。顯然，值班級(jí)當(dāng)量比過(guò)大或過(guò)小都不利于污染物排放的控制，并且不利于發(fā)動(dòng)機(jī)工況的轉(zhuǎn)換。

綜合考慮圖3、4中的比例變化，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，按在高工況下主燃級(jí)當(dāng)量比為0.65、主燃級(jí)燃油比例為90%進(jìn)行流量分配。可以看出，該設(shè)計(jì)能夠保證在高工況下低排放和穩(wěn)定燃燒要求，同時(shí)能夠適應(yīng)燃油的大幅度改變，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的轉(zhuǎn)換。并且在低工況下值班級(jí)當(dāng)量比為3左右，不至于過(guò)大。

值班級(jí)2級(jí)旋流流量分配按氣液比為2來(lái)確定。故燃燒室頭部流量分配方案見(jiàn)表2。

表2 TAPS燃燒室頭部流量分配方案

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模型的建立

采用FLUENT軟件中的Realizable k-ε湍流模型、DDM噴霧模型、PDF燃燒模型、DO輻射模型、熱力模型NO排放模型進(jìn)行計(jì)算，文獻(xiàn)[5]將該模型的單環(huán)腔燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了其計(jì)算結(jié)果的可信度。為此，本文采用與其相同的數(shù)理模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)的燃燒室性能進(jìn)行對(duì)比，以研究在相同數(shù)理模型下，選擇合適的燃燒室結(jié)構(gòu)。

3.2 計(jì)算域

TAPS燃燒室計(jì)算域如圖5所示。在研究旋流杯霧化噴嘴時(shí)采用Thru-the-Vane方法[10-11]，計(jì)算域包括旋流器上游、旋流器及火焰筒區(qū)域，不考慮冷卻的影響。進(jìn)口段直徑為122 mm的圓柱形進(jìn)氣段，主燃區(qū)為100 mm×70 mm的矩形域，并帶有收斂段。

圖5 TAPS燃燒室計(jì)算域

3.3 求解及邊界條件設(shè)置

對(duì)TAPS模型燃燒室進(jìn)行穩(wěn)態(tài)二相燃燒流場(chǎng)計(jì)算。采用基于壓力的隱式求解器，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，壓力和動(dòng)量方程采用2階精度離散，采用SIMPLE算法求解。

取燃燒室高工況設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)口空氣流量為2.72 kg/s，溫度為860 K，工作壓力為3300000 Pa，總?cè)加土髁繛?.073 kg/s，在不改變幾何及計(jì)算參數(shù)的條件下，調(diào)節(jié)主燃級(jí)燃油比例從0%～100%，共11個(gè)算例。燃料為煤油，應(yīng)用非預(yù)混二相噴霧燃燒模型，采用離散相模型追蹤油珠軌跡，通過(guò)簡(jiǎn)化PDF模型模擬湍流與燃燒的相互作用。按熱力和瞬發(fā)NOX計(jì)算污染物排放。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1 燃油分級(jí)比例對(duì)燃燒室速度場(chǎng)的影響

對(duì)比11個(gè)算例后發(fā)現(xiàn)，TAPS燃燒室的流場(chǎng)在整體流型上差別不大，基本與圖6類似。從圖6中可見(jiàn)，值班級(jí)外旋流包裹在值班級(jí)內(nèi)旋流外側(cè)，且內(nèi)旋流與外旋流共同在燃燒室內(nèi)形成較強(qiáng)的主回流區(qū)，外旋流在套筒出口臺(tái)階處，形成臺(tái)階回流。主燃級(jí)旋流在到達(dá)滯止點(diǎn)后，部分形成角回流，其余的則包裹在值班級(jí)旋流外側(cè)。

圖6 TAPS燃燒室流場(chǎng)

雖然燃油分級(jí)比例對(duì)燃燒室整體流型的改變不大，但是從通過(guò)3級(jí)旋流器的流量來(lái)看，燃油分級(jí)比例對(duì)流場(chǎng)的改變非常大。燃油分級(jí)比例對(duì)3級(jí)旋流流量的影響如圖7（b）～（d）所示。由此可見(jiàn)，隨著主燃級(jí)燃油比例的增大，值班級(jí)內(nèi)、外旋流流量迅速增加，主燃級(jí)流量迅速減少，在燃油比例達(dá)到60%后，變化趨勢(shì)均變緩。說(shuō)明在旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，值班級(jí)旋流的平均速度會(huì)大幅增加，主燃級(jí)速度將會(huì)減小，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因應(yīng)該與燃燒熱釋放所增加的阻力有關(guān)。

3.4.2 燃油分級(jí)比例對(duì)燃燒室溫度場(chǎng)的影響

在主燃級(jí)燃油比例為0%、30%、70%和100%時(shí)，TAPS燃燒室Z=0截面溫度分布情況如圖8所示。由于計(jì)算的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)與燃油分級(jí)比例相關(guān)性一致，故沒(méi)有顯示全部云圖。對(duì)比圖 8（a）～（d），隨著主燃級(jí)燃油量的增加，燃燒室高溫區(qū)縮小，溫度場(chǎng)分布更加均勻。

燃燒室出口溫度分布系數(shù)（OTDF）如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，隨著主燃級(jí)燃油分配比例的增大，分布系數(shù)快速降低，當(dāng)主燃級(jí)燃油比例增大到60%后，出口溫度分布變化趨勢(shì)減緩。值得一提的是，文獻(xiàn)[2]指出，在沒(méi)有值班級(jí)擴(kuò)散火焰時(shí)，主燃級(jí)火焰無(wú)法穩(wěn)定存在，而本文基于簡(jiǎn)化快速PDF燃燒模型并沒(méi)有體現(xiàn)這一點(diǎn)。

圖9 燃油分級(jí)比例對(duì)出口溫度分布系數(shù)的影響

3.4.3 燃油分級(jí)比例對(duì)燃燒室排放的影響

污染物排放與燃燒室溫度存在強(qiáng)烈的相關(guān)性。高溫區(qū)減小、溫度場(chǎng)更加均勻必然會(huì)導(dǎo)致污染物排放大幅降低。燃燒室NOX、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨主燃級(jí)燃油比例的變化如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，燃油分級(jí)比例的變化對(duì)減少污染物排放作用非常大，NOX排放降低了90%以上，而CO則降低95%。隨著主燃級(jí)燃油比例的增大，NOX、CO的排放呈遞減趨勢(shì)，且趨勢(shì)漸漸變緩。但是,在燃油比例為90%時(shí)，NOX排放最低，這與之前流量分配時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)的燃油分配比例一致。再增大主燃級(jí)燃油比例時(shí)，NOX排放略有增加，而CO的排放依然為減少趨勢(shì)。

圖10 燃油分級(jí)比例對(duì)污染物排放的影響

4 結(jié)論

（1）燃油分級(jí)比例對(duì)TAPS燃燒室流場(chǎng)總體結(jié)構(gòu)影響不大，但是可以通過(guò)影響3級(jí)旋流流量分配，從而改變?nèi)紵业木植慨?dāng)量比，這需要對(duì)燃燒室的氣動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）燃油分級(jí)比例對(duì)燃燒時(shí)溫度場(chǎng)影響巨大，增加主燃級(jí)供油能夠顯著減小高溫區(qū)，并改善溫度分布的均勻性。

（3）NOX和CO的排放隨主燃級(jí)燃油比例的增大而大幅減少，其減少幅度漸漸變緩，對(duì)于NOX存在1個(gè)最佳排放燃油比例。

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