燃燒室流量分配計(jì)算方法適用性研究

徐 麗，張寶誠(chéng)，劉 凱

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110003；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng)110034）

0 引言

流量分配是燃燒室設(shè)計(jì)、研制中最基本也是最關(guān)鍵的問(wèn)題之一[1-2]。其影響到燃燒室的點(diǎn)火、火焰穩(wěn)定、燃燒效率、總壓損失、壁面冷卻、出口溫度分布和排氣污染等燃燒性能和使用的各方面。如果得到合適的空氣流量分配，有了合適的沿周向均勻的冷卻空氣量，則僅需基本良好的燃油噴霧與之配合，就能實(shí)現(xiàn)良好的燃燒室綜合設(shè)計(jì)指標(biāo)[3-6]。流量分配不僅是火焰筒組織燃燒問(wèn)題，也影響到燃燒室的經(jīng)濟(jì)性和燃料利用率，在工程上要求與使用壽命進(jìn)行協(xié)調(diào)和折衷處理。在燃燒室設(shè)計(jì)指標(biāo)要求不斷提高，燃燒控制不斷細(xì)化的今天，燃燒室的流量分配就顯得更為重要。

流量分配的計(jì)算，一般在已知燃燒室進(jìn)口氣流參數(shù)和幾何尺寸條件下進(jìn)行。通過(guò)計(jì)算，驗(yàn)算預(yù)定的流量分配方案是否合適；根據(jù)流量分配計(jì)算結(jié)果和已有的研制經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整修改進(jìn)氣孔幾何尺寸，以達(dá)到需要的燃燒室性能。流量分配的計(jì)算方法主要有面積法、流阻法、等射流理論解法、平均流量系數(shù)法、基本方程法。哪種方法既簡(jiǎn)單實(shí)用又有足夠精度，成為工程設(shè)計(jì)上面臨的1個(gè)問(wèn)題[7-9]。隨著數(shù)值模擬方法的廣泛應(yīng)用，其在流動(dòng)方面的可靠性已得到驗(yàn)證[10-13]。在結(jié)構(gòu)確定的前提下，可以使用數(shù)值模擬方法進(jìn)行流量分配方案的驗(yàn)證。

本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室為研究對(duì)象，分別以有效面積法、流阻法進(jìn)行流量分配計(jì)算，并以數(shù)值模擬法驗(yàn)證2種方法的差異，確定工程適用性。

1 研究對(duì)象

以某現(xiàn)役先進(jìn)短環(huán)形燃燒室為研究對(duì)象，其火焰筒外環(huán)有15道冷卻氣膜，內(nèi)環(huán)有16道氣膜。火焰筒前端沿周向均勻分布28個(gè)旋流器，每個(gè)旋流器中心有1個(gè)雙油路離心噴嘴；火焰筒內(nèi)、外壁上周向均勻分布主燃孔、摻混孔和冷卻孔，具體為：火焰筒外環(huán)壁上第1排主燃孔共56個(gè)；第2排摻混孔，其中第1排包括5個(gè)直徑較大的孔和23個(gè)較小的孔，且軸向位置有所差別；另1排摻混孔28個(gè)。火焰筒內(nèi)環(huán)壁上第1排主燃孔共42個(gè)；第2排摻混孔，每排28個(gè)。內(nèi)、外環(huán)壁上氣膜冷卻孔各排不一，同1排孔的直徑有所不同，但數(shù)量均為28的倍數(shù)。物理模型如圖1所示。

圖1 燃燒室模型

2 2種方法流量分配計(jì)算結(jié)果

2.1 有效面積法

有效面積法是計(jì)算火焰筒空氣流量分配最簡(jiǎn)單也是比較適用的方法。該方法能在很短時(shí)間內(nèi)估算出所研究火焰筒的空氣量分配，特別適用于燃燒室調(diào)試過(guò)程中，在現(xiàn)場(chǎng)分析燃燒室性能時(shí)使用。而且由于各種誤差作用結(jié)果，采用復(fù)雜方法計(jì)算時(shí)其結(jié)果可能與有效面積法相差不多，因此燃燒室設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用此方法。

有效面積法假定[14]：沿火焰筒任一軸向截面，火焰筒的內(nèi)外壓差相等；在火焰筒2股通道中氣流密度不變。

基本計(jì)算式為

式中：ΔGi為第i 排孔的進(jìn)氣量，kg/s；Ga為總進(jìn)氣量，kg/s；Fi為孔的進(jìn)氣面積，mm2；μi為第i 排孔的流量系數(shù)。

有效面積法關(guān)鍵點(diǎn)之一是選定流量系數(shù)。60余年發(fā)動(dòng)機(jī)的研制、改型和使用，已積累了大量流量系數(shù)數(shù)據(jù)，特別是選擇良好的原準(zhǔn)燃燒室火焰筒進(jìn)氣孔流量系數(shù)值，對(duì)工程設(shè)計(jì)是實(shí)用、有效的[14-15]。為具有代表性，在本次燃燒室流量分配計(jì)算中，流量系數(shù)根據(jù)國(guó)外某發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒給出，典型各排孔的流量系數(shù)選取詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。本文各方法流量分配均為發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

流量分配結(jié)果：主燃孔進(jìn)氣量32.54%，第1排摻混孔進(jìn)氣量10.98%，第2排摻混孔進(jìn)氣量9.45%。

圖2 有效面積法流量分配

2.2 流阻法

流阻法考慮了各種進(jìn)氣孔的尺寸、幾何形狀、小孔氣流及流量系數(shù)等對(duì)流阻系數(shù)的影響，所以其計(jì)算結(jié)果理論上比有效面積法的更合理。而正是由于考慮了眾多影響因素，使得計(jì)算較為復(fù)雜，同時(shí)各因素影響值多為試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)所得，準(zhǔn)確性、適用性有待驗(yàn)證。該方法主要假設(shè)[14]：氣流在燃燒室內(nèi)流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)；2股通道內(nèi)的氣流總壓不變；火焰筒內(nèi)的總壓相等；氣流經(jīng)過(guò)火焰筒進(jìn)氣裝置的損失與火焰筒內(nèi)主流加熱的損失相互獨(dú)立。

在上述假設(shè)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出

式中：Gai為第i 流路的進(jìn)氣量，kg/s；Ga為進(jìn)入火焰筒的進(jìn)氣量，kg/s；ψm、ψim分別為以燃燒室最大截面為參考截面的火焰筒的總流阻系數(shù)和元件i的流阻系數(shù)。

典型元件流阻系數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。流量分配計(jì)算結(jié)果并與有效面積法對(duì)照如圖3所示。

從圖中可見(jiàn)，2 種方法流量分配結(jié)果主要區(qū)別在于大孔進(jìn)氣，流阻法主燃孔進(jìn)氣量為35.11%，比有效面積法的高2.57%；而流阻法摻混孔進(jìn)氣量為17.32%，比有效面積法的低3.11%；大孔總進(jìn)氣量（含旋流器）分別為59.79%及59.31%，基本相同。

圖3 流阻法與有效面積法流量分配對(duì)比

3 數(shù)值分析法

考慮到周向?qū)ΨQ及計(jì)算能力，本文以整個(gè)環(huán)形燃燒室1/28為計(jì)算域。采用Realizablek-ε 湍流模型，2階迎風(fēng)差分格式，質(zhì)量流量進(jìn)口，壓力出口，側(cè)面為周期對(duì)稱。流場(chǎng)分布如圖4、5所示。

圖4 主燃孔縱截面速度分布

圖5 燃燒室壁面速度分布

從圖中可見(jiàn)，由于各截面型面及位置差異，各進(jìn)氣孔流速有較大差異，說(shuō)明簡(jiǎn)單的假設(shè)計(jì)算會(huì)帶來(lái)一定誤差。主燃孔射流深度超過(guò)1/3腔高，有足夠穿透深度，同時(shí)益于頭部回流區(qū)的形成。主燃孔所在截面靜壓、總壓分布分別如圖6、7所示。

圖6 靜壓分布

圖7 總壓分布

從圖中可見(jiàn)，2 股通道及火焰筒內(nèi)靜壓基本不變，滿足了有效面積法沿火焰筒任一軸向截面，火焰筒的內(nèi)外壓差相等的假設(shè)；從圖7中可見(jiàn)，2股通道內(nèi)總壓基本穩(wěn)定，滿足了流阻法2股通道內(nèi)的氣流總壓不變的假設(shè)，但火焰筒內(nèi)總壓卻非均勻恒定，這使火焰筒內(nèi)的總壓相等假設(shè)無(wú)法完全滿足，將是影響其準(zhǔn)確性的1個(gè)因素。

流量分配模擬與理論計(jì)算對(duì)照如圖8所示。

由2種方法計(jì)算得到的流量分配結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知：在主燃孔處流阻法更接近模擬結(jié)果，而在摻混孔處有效面積法更接近。這應(yīng)該是由于流阻法假設(shè)的火焰筒內(nèi)總壓不變而實(shí)際總壓沿程損失，有效面積法假設(shè)沿程靜壓不變，實(shí)際由于速度滯止而有所增大導(dǎo)致的誤差。各方法對(duì)于冷卻氣膜進(jìn)氣量計(jì)算差別不大。

圖8 3種方法流量分配

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證各種方法的可靠性與精度，應(yīng)用沈陽(yáng)航空航天大學(xué)燃燒試驗(yàn)臺(tái)（如圖9所示），用堵孔的方法完成了火焰筒大孔進(jìn)氣量試驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)本體主要設(shè)備及功能：加溫器模擬壓氣機(jī)出口氣流溫度，孔板流量計(jì)計(jì)量進(jìn)氣流量，壓力傳感器測(cè)定進(jìn)氣壓力，背壓閥調(diào)節(jié)工作壓力。為減小壁面邊界層影響，試驗(yàn)件采用3頭部扇形段。各大孔進(jìn)氣量試驗(yàn)結(jié)果及與其他方法對(duì)比見(jiàn)表1。

圖9 燃燒試驗(yàn)臺(tái)

表1 火焰筒大孔進(jìn)氣量 %

從表中可見(jiàn)，無(wú)論各截面進(jìn)氣量還是總進(jìn)氣量，數(shù)值模擬結(jié)果都與試驗(yàn)吻合較好，證明了數(shù)值模擬在流場(chǎng)模擬領(lǐng)域的可靠性。有效面積法前段與實(shí)際偏差較大，后段吻合較好；而流阻法趨勢(shì)恰恰相反，這是由不同方法假設(shè)條件決定的；其總進(jìn)氣量均比實(shí)際值約低3%。這意味著冷卻氣量將減少3%，在高溫升燃燒室設(shè)計(jì)中應(yīng)予以注意。

5 結(jié)論

（1）采用有效面積法與流阻法計(jì)算流量分配精度基本相同，能夠適應(yīng)燃燒室設(shè)計(jì)初期估算。但由2種方法計(jì)算得到的大孔總進(jìn)氣量比實(shí)際值約低3%，在高溫升燃燒室設(shè)計(jì)中應(yīng)予以修正。

（2）采用有效面積法計(jì)算得到的摻混孔及以后位置的流量與實(shí)際值吻合較好，而采用流阻法計(jì)算得到的主燃孔及以前位置與實(shí)際值吻合較好。

（3）無(wú)論各截面進(jìn)氣量還是總流量，數(shù)值法結(jié)果均與試驗(yàn)值相當(dāng)吻合，證明了數(shù)值方法在流場(chǎng)模擬領(lǐng)域的可靠性，可用于燃燒室流量分配的精確計(jì)算。

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