某輔助動力裝置火焰筒頭部氣膜槽高度對燃燒室頭部流場影響分析

李煒 謝芳 林志勇

摘 要：輔助動力裝置燃燒室與發動機燃燒室相比，具有結構尺寸小，燃油流量及空氣流量小，空氣壓力低等特點，為了獲得良好的綜合性能，同時兼顧低廉的經濟成本，輔助動力裝置燃燒室的頭部設計具有其自身特點，頭部一般不采用常規的渦流器來形成回流區，而是在火焰筒頭部內、外環上設計若干道氣膜槽，通過內外環上的氣膜孔進氣在周向或軸向形成環渦，因此，火焰筒頭部氣膜槽的高度尺寸對頭部環渦流場有較大影響。目前國內在此方面的相關研究還不深入，公開發表的文獻也較少。本文以某輔助動力裝置燃燒室為研究對象，采用商用軟件ANSYS Fluent計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態流場的影響及對燃燒室點火及性能的影響，為今后的設計提供參考。研究結果表明：點火狀態，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會造成火焰筒頭部回流區位置發生變化，甚至消失，不利于點火。在大狀態下，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會造成火焰筒內的溫度分布發生變化，壁面的局部溫度升高，影響火焰筒的壽命。

關鍵詞：輔助動力裝置；火焰筒頭部；流場；氣膜槽高度

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0092-03

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit，簡稱APU）主要用于起動主發動機，為飛機環控系統提供壓縮空氣源，驅動飛機的液壓泵、發電機[1]。現在，無論是軍用飛機或是民用飛機都已經普遍使用了APU，使飛機不依靠地面的支持設備提供電源或氣源，更具有獨立性、舒適性。

輔助動力裝置燃燒室與發動機燃燒室相比，具有結構尺寸小，燃油流量及空氣流量小，空氣壓力低等特點[2]，為了獲得良好的綜合性能，同時兼顧低廉的經濟成本，輔助動力裝置燃燒室的頭部設計具有其自身特點，頭部一般不采用常規的渦流器來形成回流區，而是在火焰筒頭部內、外環上設計若干道氣膜槽，通過內外環上的氣膜孔進氣在周向或軸向形成環渦，因此，火焰筒頭部氣膜槽的高度尺寸對頭部環渦流場有較大影響。目前國內在此方面的相關研究還不深入，公開發表的文獻也較少。

本文以某輔助動力裝置燃燒室為研究對象，采用商用軟件ANSYS Fluent計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態流場的影響及對燃燒室點火及性能的影響，為今后的設計提供參考。

1 研究對象

本文以某輔助動力裝置燃燒室為研究對象，其結構示意見圖1。火焰筒頭部采用單渦頭部氣流結構，依靠火焰筒頭部內、外環上三道氣膜槽的空氣射流在火焰筒頭部組織穩定回流區，燃油在回流區與空氣混合并燃燒。

為了研究氣膜槽高度尺寸對燃燒室頭部流場的影響，本文僅改變第三道氣膜槽的高度（由設計值2.9mm分別增加到3.4mm和4.1mm），計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態流場的影響，并根據計算結果分析對燃燒室點火及性能的影響。

2 數值模擬計算

2.1 計算模型

為分析火焰筒頭部氣膜槽高度對燃燒室性能的影響，采用商業軟件ANSYS Fluent對燃燒室進行了點火狀態和某大狀態的數值模擬計算。

建立三維數值模型時，計算域取整個燃燒室全環形的1/3（120°扇形段），燃燒室計算模型與網格劃分見圖2，網格劃分軟件采用ANSYS meshing，總網格數約1388萬，網格的最大扭曲度為0.85，網格類型為六面體和四面體混合的非結構化網格，在規則區域盡量采用六面體網格，在幾何結構過于復雜的區域，比如頭部區域、冷卻孔附近區域采用四面體網格。

2.2 計算方法和邊界條件

（1）求解器選用“分離+隱式+穩態”；（2）湍流模型：Realizable k-ε湍流模型；（3）近壁區處理：增強型壁面函數；（4）燃燒模型：非預混燃燒模型；（5）噴嘴設置：噴嘴類型為cone噴嘴。

2.3 計算方案

研究中變化的氣膜槽高度方案如表1所示，共3個方案。其中，基準方案的尺寸為設計值2.9mm，模型1和2是在基準方案的基礎上增大火焰筒頭部第三道氣膜槽的高度。

3 計算結果分析

3.1 點火狀態

在點火狀態下，不同氣膜槽高度條件下計算得到的火焰筒頭部流場見圖3，由圖可以看出：（1）基準模型在火焰筒頭部靠近起動噴嘴的位置形成一個順時針的回流區。分析影響，從起動噴嘴噴出的燃油與空氣在該回流區充分混合并燃燒，可提高點火可靠性。（2）隨著第三道氣膜槽高度增大，回流區內流速和流向發生變化，造成回流區逐漸往火焰筒外環壁面及出口方向移動。當高度為4.1mm時，回流區減弱至不明顯。分析影響，回流區不明顯，起動噴嘴噴出燃油接觸到點火電嘴的電火花后形成的初始火團很難在該區域穩定，不利于點火。

3.2 大狀態

在大狀態下，不同氣膜槽高度條件下計算得到的火焰筒頭部熱態流場和溫度場見圖4、圖5。由圖可以看出：（1）目視可以看出，隨著氣膜槽高度增大，頭部流場發生變化，但變化沒有點火狀態明顯，分析原因是大狀態下氣流速度比點火狀態大，第三道氣膜槽對整個回流區的流場影響較小。（2）由于頭部流場發生變化，頭部溫度場也發生變化。以圖5中A區域為例，氣膜槽高度為設計值2.9mm時，A區域溫度約為652K～747K，當氣膜槽高度增加為3.4mm時，A區域溫度約上升為680K～795K，當氣膜槽高度增加為4.1mm時，A區域溫度約上升為740K～832K。分析影響，溫度更高，更易造成火焰筒壁面積炭，A區域燃氣溫度升高導致附近火焰筒壁面溫度升高，降低火焰筒使用壽命。

4 結語

本文以某型輔助動力裝置裝置為研究對象，計算了單一氣膜槽高度尺寸變化對燃燒室冷、熱態流場的影響及對燃燒室點火及性能的影響，分析計算結果，結論如下：（1）基準模型可在火焰筒頭部靠近起動噴嘴位置產生一個單渦回流區，有利于點火。（2）火焰筒頭部氣膜槽高度的差異會造成頭部流場的變化。點火狀態，頭部氣膜槽高度尺寸增大，會造成火焰筒頭部回流區位置發生變化，甚至消失，不利于點火。在大狀態下，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會造成火焰筒內的溫度分布發生變化，壁面的局部溫度升高，影響火焰筒的壽命。（3）火焰筒頭部氣膜槽高度尺寸的變化對燃燒室頭部流場的影響很大。因此，進行輔助動力裝置燃燒室火焰筒頭部設計時，要嚴格控制氣膜槽高度尺寸的公差值。

參考文獻

[1] 李東杰.輔助動力裝置的應用現狀和發展趨勢[J].航空科學技術，2012（6）：7-9.

[2] 金如山.航空然汽輪機燃燒室[M].宇航出版社，1988.

[3] Lefebvre，A.H. Gas Turbine Combustion[M].Taylor and Francis，1999.