渦輪轉子內動態燃燒模型機理探討

鄭海飛，唐 豪

(1.上海飛機設計研究院適航工程中心，上海201210；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016)

1 引言

長期以來，為提高航空發動機推重比，減少污染物排放，降低單位推力燃油消耗率，以及拓寬發動機穩定工作范圍[1-3]，經常采用的技術手段是提高燃燒室出口溫度和縮短燃燒室長度。但這種技術會縮短燃燒滯留時間，形成不完全燃燒，導致燃燒繼而發生于渦輪內，這與設計的初衷相違背。為了解決這一難題，利用延續至渦輪內的高溫高壓燃氣再次燃燒提高熱力循環性能，業界提出了渦輪內增燃技術，即在渦輪內增加燃燒室，噴油再次燃燒，以提高熱力循環性能[4-6]。

國外在上世紀末就開始了渦輪內增燃技術的研究。Sirignano等[4-6]首先提出了渦輪內增燃技術的概念及射流旋流結構方案，即渦輪葉間燃燒室(TIB)。射流旋流方案是利用周向二次射流產生的旋流離心力進行離心燃燒的新技術概念，在穩定燃燒的同時提高航空發動機的推重比。由于離心燃燒的離心加速度與燃燒環的半徑成反比，在大型燃氣渦輪發動機上使用TIB技術時，射流旋流方案無法達到預期的性能指標。因此，針對大型燃氣輪機的射流渦流方案應運而生，其應用駐渦凹腔穩焰技術——即利用凹腔前后壁面的二次射流在凹腔內形成回流區，從而達到穩定燃燒的目的。Sekar等[7-10]首次提出將駐渦凹腔(TVC)燃燒技術應用于TIB技術中，并分別對駐渦凹腔燃燒室、帶葉片的TIB燃燒室以及帶徑向凹槽葉片的TIB燃燒室的燃燒性能進行研究分析。結果顯示，由于增加了燃油和空氣的質量與動量，燃油和空氣能夠在駐渦凹腔內充分混合；此外，駐渦凹腔內出現了多個燃燒區域，這將有利于凹腔內的空氣和燃油的燃燒中間產物向主流通道內的滲透。

但目前針對射流渦流結構的方案，缺乏將射流渦流結構應用于渦輪轉子方面的研究。為此，本文建立了三個模型，即原高壓渦輪轉子模型和應用射流渦流方案的高壓渦輪轉子模型，利用數值模擬方法，采用尺度適應模擬湍流模型對高壓渦輪轉子內應用射流渦輪方案進行了仿真研究。

2 應用射流渦流結構的渦輪轉子幾何模型

應用射流渦流結構的渦輪轉子幾何模型，是在渦輪葉片底部耦合駐渦凹腔，并于凹腔前后壁面分別設置二次氣流射流孔，即渦輪內增燃技術的射流渦流方案。二次氣流的作用是加固燃燒回流區穩定燃燒及強化凹腔內燃燒產物與主流燃氣的摻混[10]。如圖1所示，射流渦流方案中，渦輪燃燒室包括駐渦凹腔(TVC)、徑向葉片(RV)和徑向葉片凹槽(RVC)三個結構，所以渦輪增燃技術的射流渦流方案可以簡稱為TIB-TRC方案。

本文研究的幾何模型，包括原高壓渦輪轉子模型(model-B1)和應用射流渦流方案的高壓渦輪轉子葉片有無徑向凹腔的模型(model-B2，model-B3)。圖2中渦輪轉子葉型為某發動機高壓渦輪轉子葉片葉型，葉片高度由發動機主燃室出口截面高度而定。

3 初始條件和數值模擬方案

為準確模擬主流通道內的燃氣特性，渦輪轉子進口截面的溫度分布采用渦輪導向器出口截面溫度分布。渦輪轉子的進氣角度和轉速分別為68.5°、1.2×104r/min。渦輪轉子進口截面的燃氣氣體質量分數采用渦輪導向器出口截面燃氣氣體質量分數，以提供較為符合實際的高溫高壓主流氣體特性。表1給出了進口氣體組分。

采用基于壓力的隱式穩態求解器模擬渦輪內增燃燃燒室內的流動與燃燒過程。梯度差值方案采用基于單元體的最小二乘法插值，其適用于六面體網格，與基于節點的格林-高斯格式具有相同的精度且不會出現偽擴散。壓力項的離散采用標準格式，壓力與速度耦合方程的求解算法為SIMPLEC。動量方程、能量方程及湍流方程的離散均采用二階迎風格式。數值模擬過程中應用尺度適應模擬湍流模型(SAS)，以上數值方法均參考文獻[11]～[13]。壁面函數為標準壁面函數，配合適當網格，壁面Y+約為30，符合數值模擬要求[14]。

表1 進口氣體組分Table 1 Gas component at inlet

對計算流體域進行六面體網格劃分。葉片前緣、尾緣及二次流入射孔處采用O型網格劃分[11]。壁面處網格距離為0.1 mm，網格增長率為1.2。邊界條件設置中，燃燒室主流進口和二次流進口均為質量進口，出口為壓力出口；周期邊界條件為旋轉周期邊界條件，其余均為壁面。表2列出了進出口的流量、溫度、壓力等初始條件參數和燃油性能參數。為模擬航空發動機實際情況，表中二次射流溫度取850 K，是因為來自高壓壓氣機的二次射流引氣的溫度范圍為700～1 000 K。燃油噴嘴為錐形噴嘴，分布于駐渦凹腔后壁面，且各噴嘴相互獨立。

表2 初始條件和燃油性能參數Table 2 Initial conditions and fuel performance parameters

4 結果與分析

4.1 動態燃燒對流場的影響

航空發動機高壓渦輪轉子葉間應用射流渦流方案，勢必對渦輪轉子葉間流場產生影響。圖3為主流通道內渦輪轉子葉片徑向截面(Radial=300 mm)處，原高壓渦輪轉子葉間和應用射流渦流方案后高壓渦輪轉子葉間流場的相對速度矢量分布。由圖可知，在葉片中間部位，model-B3的相對速度矢量場形態與model-B1和model-B2的不同。一部分流體被卷吸入model-B3的徑向凹腔后，在凹腔內形成低速區，造成一定的流動損失。這是因為徑向凹腔出口處存在尖角，促使流體在此急速轉向形成瞬間高速，進而造成流動損失。比較分析model-B1和mod?el-B2可發現，無徑向凹腔時，駐渦凹腔的增加與否對渦輪轉子葉間的相對速度矢量場形態影響不大，射流渦流方案的應用只是增加了渦輪轉子葉間的氣流速度，以及渦輪轉子葉間氣流對渦輪轉子做功的能量值。

4.2 溫度場比較及渦輪轉子內等溫燃燒可行性分析

圖4展示了主流通道內渦輪轉子葉片徑向截面(Radial=300 mm)處，原高壓渦輪轉子葉間和應用射流渦流方案后，高壓渦輪轉子葉間溫度場分布。由圖可看出，是否采用射流渦流方案溫度場的分布存在較大差異。model-B1中，主流通道內渦輪轉子葉片進口截面處的平均溫度值較高，且沿主流通道流動方向單調遞減；出口截面處的溫度分布較均勻，其平均溫度低于進口截面處的平均溫度，這是由于主流燃氣對渦輪轉子葉片做功的結果。model-B2中，主流通道內渦輪轉子葉片進口截面處的平均溫度略高于出口截面處的平均溫度，且主流通道內的溫度分布基本趨于均勻化；在渦輪轉子葉片無徑向凹腔的情況下，應用射流渦流方案可實現渦輪內的近似等溫燃燒過程。model-B3中，主流通道內的溫度分布十分均勻，渦輪轉子葉片進出口截面處的平均溫度基本相等；在渦輪轉子葉片帶徑向凹腔的情況下，應用射流渦流方案可基本實現渦輪內的等溫燃燒過程。這是因為徑向凹腔促進了主流燃氣與駐渦凹腔內二次氣流和燃燒中間產物的摻混，使燃燒較為充分，二次噴油燃燒所得能量對渦輪轉子葉片做功；在部分能量消耗的前提下，原主流燃氣的溫度較為均勻地分布于主流通道內。

表3列出了原渦輪轉子葉片和高壓渦輪轉子采用射流渦流方案情況下，渦輪轉子葉片進出口截面處總溫平均值和溫降值。可看出，原渦輪轉子葉片進出口的溫降值近200 K，這是由于主流燃氣對渦輪轉子葉片做功的結果。應用射流渦流方案后，渦輪轉子葉片進出口的溫降值分別為60 K和25 K，基本實現了渦輪內等溫燃燒過程。

表3 渦輪轉子進出口截面總溫比較Table 3 Comparison between total temperature at inlet and outlet of turbine rotor

4.3 動態燃燒對壓力場的影響

表4列出了原渦輪轉子葉片和高壓渦輪轉子采用射流渦流方案情況下，渦輪轉子葉片進出口截面總壓平均值和落壓比。從表中可看出，射流渦流方案應用于渦輪轉子葉片通道內時，高壓渦輪轉子葉片的落壓比與原渦輪轉子葉片的落壓比基本相等，這說明射流渦流方案的應用不會對原渦輪轉子葉片的做功能力和做功效果造成十分明顯的影響。

表4 渦輪轉子進出口截面總壓比較Table 4 Comparison between total pressure at inlet and outlet of turbine rotor

圖5為主流通道內渦輪轉子葉片徑向截面(Ra?dial=300 mm)處，原高壓渦輪轉子葉片葉間和應用射流渦流方案后，高壓渦輪轉子葉間的靜壓力場分布。從圖中可看出，是否采用射流渦流方案對靜壓力分布形態無較大差別，均是渦輪葉片壓力側為高壓區，吸力側為低壓區。不同之處在于，model-B2和model-B3渦輪葉片通道內的靜壓力要高于mod?el-B1渦輪葉片通道內的靜壓力，這是因為mod?el-B2和model-B3耦合了射流渦流結構，對主流燃氣的再次噴油燃燒促使了model-B2和model-B3燃燒室內壓力升高。對比model-B2和model-B3可發現：射流渦流方案應用于渦輪轉子葉片通道時，無論是否帶徑向凹腔，對渦輪轉子葉間靜壓力場的形態及分布均無較大影響。

5 結論

(1)是否帶駐渦凹腔對渦輪轉子葉間的相對速度矢量場形態影響不明顯，射流渦流方案的應用只是增加了渦輪轉子葉間的氣流速度和渦輪轉子葉間氣流對渦輪轉子做功的能量值。

(2)渦輪轉子內應用射流渦流方案，主流通道內的溫度分布較均勻(model-B2)和十分均勻(mod?el-B3)，渦輪轉子葉片進出口截面處的平均溫度基本相等。帶徑向凹腔的情況下，應用射流渦流方案渦輪轉子葉片進出口的溫降值分別為60 K和25 K，基本實現了渦輪內等溫燃燒過程，驗證了渦輪內增燃技術可實現渦輪內等溫燃燒的可行性。

(3)射流渦流方案的應用不會對原渦輪轉子葉片的做功能力和做功效果造成影響。此外，射流渦流方案應用于渦輪轉子葉片通道時，無論高壓渦輪葉片是否帶徑向凹腔，對渦輪轉子葉間靜壓力場的形態及分布均無較大影響。

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