渦軸發動機高溫升燃燒室初步設計

陳 龍，樊曉鋒

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.西藏軍區航空保障處，西藏自治區 拉薩 850000)

0 引言

隨著技術的發展，渦軸發動機性能參數相比之前有了較大的提升，如表1：單位功率提高了1～2倍，燃燒室進口燃氣溫度增加了200K～300K，燃油消耗率下降了30%，壓比提高了2～3倍。作為核心機組成的燃燒室亦是如此[1]。從國內外調研結果來看，發動機燃燒室仍然朝著高溫升和低污染兩個方向發展。

表1 典型渦軸發動機主要參數

英國的羅·羅公司與德國的 MTU 公司、法國的斯奈克瑪公司聯合研制的TP400發動機，是新一代的渦槳發動機，采用自由渦輪雙轉子，壓比達到了25，燃燒室出口溫度達到1600K～1700K。由于渦軸發動機研制技術及結構和渦槳發動機類似，所以推測下一代渦軸發動機的燃燒室壓比可達20～30，燃燒室出口溫度可達到1800K以上。在國內，渦軸發動機的研制一直制約著直升機的發展，發動機已經落后發達國家1-2代[2]，燃燒室作為核心部件更是這樣。所以，研究先進高溫升燃燒室對于追上甚至趕超國外先進水平有著重要的意義。

本文參考先進高溫升燃燒室設計方法，所設計的燃燒室為回流燃燒室，進口總壓2MPa，溫升可達1100K以上，對于新一代渦軸發動機燃燒室的設計有著積極的參考作用。

1 燃燒室設計要求

渦軸發動機燃燒室性能參數以及工作參數與上一代相比有了明顯的提高，而為滿足發動機長度的要求，先進渦軸發動機燃燒室采用回流結構。如表2所示，第五代渦軸發動機燃燒室進口總溫在800K左右，進口總壓2MPa以上，溫升在1000K～1100K，燃燒室最大狀態的效率可達到99%，總壓恢復系數在95%以上，出口溫度分布系統OTDF要求在0.25以下。燃燒室的徑向溫度分布系數RTDF影響渦輪葉片熱負荷，高溫升燃燒室要求RTDF不高于0.08[3]。OTDF及RTDF均在發動機最大狀態下測得，保證此時燃燒室熱負荷最高，出口溫度也最高。

表2 高溫升燃燒室設計要求

2 燃燒室總體設計

燃燒室總體尺寸不能超過機匣尺寸，并且能夠使一股流和二股流流暢通過燃燒室，保證良好的氣動特性。根據燃燒室設計手冊[4]，在設計要求已知的情況下，通過選取參考截面，計算參考速度確定燃燒室總體尺寸，通過流量分配決定燃燒室的開孔面積，進而確定燃燒室尺寸。

燃燒室流阻系數：

(2.1)

式中，ξB—燃燒室流阻系數；ΔPt3-4—燃燒室進出口壓力降；ρ3—燃燒室進口空氣密度；V3—燃燒室進口空氣速度。

(2.2)

式中，Aref—燃燒室參考截面積；m3—燃燒室進口空氣量；Tt3—燃燒室進口總溫；δB—燃燒室總壓恢復系數；Pt3—燃燒室進口總壓

火焰筒參考截面積：

AL=koptAref

(2.3)

式中，AL—火焰筒參考截面積；kopt—對應的系數，一般取 0.6～0.72。

流量方程：

(2.4)

可通過上式計算出火焰筒有效流通面積，然后按照流量分配以及流量系數依次計算燃燒室開孔面積。

3 燃燒室流量分配

隨著燃燒室溫升逐漸提高，為避免小狀態下貧油熄火，大狀態下局部富油及回火，高溫升燃燒室頭部流量分配比例大，流量分配相對常規燃燒室計算方法有所不同。先進高溫升燃燒室普遍采用分級分區的設計思路，中心頭部為預燃級穩定燃燒，周圍主燃級保證穩定燃燒[5]。首先燃燒室的致富系數可用來計算燃燒空氣分數，它定義為燃燒區油氣比和總燃燒室油氣比的比值。在先進燃燒室流量分配上，慢車狀態燃燒室總油氣比取0.011，貧油熄火極限要求的燃燒室油氣比為0.005。取貧油熄火下中心預燃級當量比為0.55～0.6，可以計算出慢車狀態下預燃級當量比在1.2～1.32左右。根據致富系數公式得到燃燒室致富系數取整為8，進而得到預燃級燃燒空氣占總燃燒空氣的12.5%。最大狀態下，通過取預燃級燃燒時當量比為定值計算預燃級供油量，主燃級供油量；取主燃級燃燒當量比為定值得到主燃級燃燒空氣量，然后按照冷卻、摻混和燃燒室出口溫度要求計算冷卻空氣量和摻混空氣量。

(3.1)

式中，φ—燃燒室致富系數；fac—燃燒區油氣比；fat—燃燒室總油氣比；Sat—燃燒空氣分數。

慢車狀態下整個燃燒室油氣比：

(3.2)

式中，fidle—慢車狀態下的燃油流量；at—慢車狀態下的總空氣量。

熄火時預燃級燃燒區當量比：

(3.3)

式中，fext—貧油熄火極限下的燃油流量；apz—貧油熄火極限下的預燃級空氣量。

熄火時總油氣比：

(3.4)

慢車狀態下預燃級燃燒區的當量比：

(3.5)

通過致富系數定義可計算致富系數為7.7，預燃級燃燒空氣分數為12.6%。

最大狀態下燃燒室的燃油流量：

(3.6)

式中，mf—貧油熄火極限下的燃油流量；ma3.1—設計點下燃油流量；Cpg—設計點下燃燒室進口空氣量；Tt4—燃燒產物比熱；Cp—燃燒室出口總溫；ηb—燃燒室進口空氣比熱；Hu—燃燒效率。

假定最大狀態下預燃級當量比為1.2，主燃級當量比為0.68,分別計算得到預燃級和主燃級的空氣量。冷卻空氣量分為頭部冷卻和火焰筒冷卻兩部分，火焰筒冷卻空氣占燃燒室進氣的20%，頭部冷卻占火焰筒冷卻氣量的0.36～0.4。摻混空氣量可通過燃燒室進氣與燃燒空氣量、冷卻空氣量相減得到。經計算，燃燒室主燃級、預燃級、摻混孔以及冷卻孔流量分配依次為42.5%、16.1%、15.7%、25.7%。

4 燃燒室各部件設計

4.1 旋流器設計

圖1為旋流器結構示意圖，頭部旋流器采用兩級軸向組合的方式。設計旋流器首先需要確定通過它的總壓損失，一般近似取通過火焰筒的總壓損失;流量分配取定后，兩級旋流器的流量分配分別對應主燃級和預燃級的流量分配。軸向旋流器參數計算如下：

圖1 旋流器結構示意圖

(4.1)

式中，msw—通過旋流器的空氣流量；Asw—旋流器的迎風面積。

通過以上公式得到旋流器迎風面積，確定旋流器流路內徑、葉片厚度、葉片數的情況下計算旋流器外徑。

(4.2)

為增加空氣流速，保證燃油在旋流器后方具有良好的霧化和摻混特性，先進燃燒室的軸向旋流器需要設計收斂延伸段[6]。收縮段的有效流通面積計算公式通常需滿足兩個假設：旋流器出口截面收縮，進口比出口大很多，氣流從旋流器出來后動壓頭完全損失掉。兩級旋流器有效流通面積：

(4.3)

式中，ACda—軸向旋流器的有效流通面積。

(4.4)

式中，D4—出口通道的外徑；D3—出口通道的內徑。

中心預燃級采用離心式空氣霧化噴嘴，噴霧錐角40°，出口直徑0.3mm。主燃級采用跨流直射噴嘴，采用周向布置，圓周均向共6個噴射位置，噴嘴直徑0.3mm，距離旋流器中心13mm，60°角噴射。

4.2 摻混孔設計

摻混孔結構示意圖如圖2。高溫升燃燒室由于頭部空氣量大，所以預留給摻混孔的空氣量相對減小。為達到理想的摻混深度，需要設計合適的摻混孔徑和排布[7]。間距與孔徑比一般取2～6左右，摻混孔選用翻邊孔也可增加射流深度，保證燃氣混合均勻，保證出口溫度分布。其中最主要的是動量密流比的確定。

圖2 摻混孔結構示意圖

(X—摻混段長度；Y—摻混深度；Tj—摻混射流空氣總溫；qm∞—摻混段來流空氣流量；dj—射流空氣直徑；θ—摻混射流與軸向夾角；T∞—摻混段來流總溫；qmj—摻混射流空氣量；ρj—摻混射流空氣的密度；ρ∞—摻混區來流熱氣的密度；Vj—摻混射流空氣的速度；V∞—摻混區來流熱空氣的速度。

摻混孔動量密流比：

(4.5)

摻混孔數量及排布計算：

S/Dj=(0.6-0.8)

(4.6)

Y/Dj=0.84J0.5(X/Dj)0.33

(4.7)

(4.8)

式中，Cj—摻混孔的流量系數；ACdj—摻混孔的有效流通面積；nj—摻混孔數量。

4.3 冷卻孔設計

多斜孔冷卻結構示意圖見圖3。高溫升燃燒室多采用多斜孔冷卻方式。在多斜孔冷卻設計中，冷卻孔與壁面呈一定角度，流量系數可達到0.86左右，冷卻孔直徑取0.5mm，與火焰筒角度取20°。在容易引起局部過熱的火焰筒位置需增加冷卻孔數，孔間距根據火焰筒尺寸取7.5mm×7.5mm。

圖3 多斜孔冷卻結構示意圖

(4.9)

式中，ACdc—冷卻孔有效流通面積；nc—冷卻孔數量；Dc—冷卻孔直徑；Cdc—冷卻孔流量系數。

(θ—冷卻孔與火焰筒壁夾角；L—冷卻孔間距；δ—火焰筒厚度；ф—冷卻孔直徑。)

5 燃燒室設計結果及驗證

表3、表4分別給出了火焰筒和旋流器的主要幾何參數。圖4、圖5分別給出了燃燒室的幾何模型和數值模擬結果。通過給定邊界條件驗證最大狀態下的燃燒室性能參數是否滿足要求。經過計算，最大狀態下的燃燒效率、總壓恢復系數、出口溫度分布系數、出口溫度徑向分布系數分別為99%、97.7%、0.13、0.02，滿足設計要求。

表3 火焰筒主要幾何參數

表4 旋流器主要幾何參數

圖4 燃燒室結構示意圖

圖5 燃燒室出口及各截面溫度云圖

6 結論

本文采用回流燃燒室構型，根據新一代高溫升燃燒室設計要求，計算燃燒室的總體尺寸及流量分配。經計算，主燃級、預燃級、摻混孔以及冷卻孔流量分配依次為42.5%、16.1%、15.7%、25.7%。火焰筒最大截面積，火焰筒直流段長度，排氣彎管長度分別為2883mm2、76mm、85mm。

根據流量分配及性能設計要求計算旋流器、摻混孔和冷卻孔結構尺寸，并在給定邊界條件下驗證燃燒室性能參數。旋流器采用兩級軸向旋流器分級供油，主預燃級分級分區燃燒的組合方式。摻混孔為單排翻邊孔，能夠增加射流深度，提高摻混效果。單頭部下摻混孔間距17.7mm，孔數8。燃燒室采用多斜孔冷卻，相比傳統冷卻方式冷卻效率更高。單頭部下冷卻孔數為260，排布位置集中在燃燒室頭部及主燃區火焰筒壁面。

通過三維計算仿真驗證設計結果，對比新一代高溫升燃燒室設計要求。經計算，最大狀態下的燃燒效率、總壓恢復系數、出口溫度分布系數、出口溫度徑向分布系數分別為99%、97.7%、 0.13、 0.02，所設計的高溫升燃燒室滿足設計要求。