摻混段氣孔布置對出口溫度場影響的計算研究

嚴友誼 蔡志斌 朱明軍

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

燃燒室出口溫度及其分布特征對發動機性能及渦輪導向器、轉子葉片壽命及可靠性有重要影響。隨著發動機性能不斷提高，對燃燒室出口溫度的要求也相應提高，但過高的熱點溫度及過大的溫度分布不均性對渦輪性能、可靠性及壽命的不利影響也越來越嚴重。因此在燃燒室出口溫度水平提高的情況下，優化出口溫度場，消除過高溫度點及不合理的徑向溫度分布以滿足發動機及渦輪部件工作需要，成為燃燒室出口溫度場研究的核心問題。早期對溫度場的研究基本采用部件性能試驗，該方法能真實模擬燃燒室在發動機中工作過程，可信度高，但其研究門檻高、成本大、周期長。隨著計算科學的發展和硬件水平的提高，燃燒室數值仿真計算在可行性和計算精度、準確性方面有了顯著提高，燃燒室三維仿真氣動熱力計算也成為出口溫度場研究的重要手段。

國內外對出口溫度場研究非常重視，但公開文獻較少。C.E.Smith[1]較早使用三維CFD方法研究了摻混孔間距與火焰筒高度比對環形直流燃燒室出口溫度分布系數（OTDF）的影響。R.J.Lawson[2]較早使用三維CFD方法調整燃燒室出口徑向溫度分布曲線。John C.Delaat,Kevin J.Breisacher,Joseph R.Saus等[3]試驗研究了根據出口溫度不均勻性信號控制燃油噴嘴流量的出口溫度場主動控制技術。Holdeman J D,Srinivasan R,Reynolds R S等[4]較早研究了摻混孔幾何參數對燃燒室出口溫度分布的影響。胡好生、趙堅行、鐘建平等[5]通過改變燃油噴嘴插入深度及選用不同霧化錐角的燃油噴嘴研究了燃燒室出口溫度分布系數。江立軍、曹俊、嚴明超等[6]對火焰筒上渦流器套筒與隔熱板不同配合間隙進行數值模擬，研究了套筒與隔熱板間環形射流對出口溫度場的影響。為研究回流燃燒室外環增加摻混及冷卻氣對燃燒室出口溫度場的影響，對基于基準方案火焰筒設計的4種火焰筒開孔方案進行數值計算，研究了該回流燃燒室溫度場變化的一般規律及調試方法。

1.計算方案與網格

1.1 計算方案

為研究摻混段氣孔布置對回流燃燒室出口溫度場的影響，在火焰筒外環摻混段壁面上設計了4種開孔方案進行熱態性能計算。計算方案詳見圖1及表1，其中計算方案0為基準方案，其余方案1～方案4均在基準方案基礎上加大摻混孔徑及在大彎管不同位置增加不同孔徑及孔數的冷卻孔構成。

圖1 計算方案結構示意

表1 計算方案說明

1.2 計算網格

建模和網格生成分別采用Workbench16.0內集成的Geometry和Meshing工具。為減少計算量，對單個頭部建模，采用旋轉周期邊界模擬側壁流動情況。為獲得準確的燃燒室內關鍵位置流動特征及燃燒室流量分配，建模過程中未對渦流器、主燃孔、摻混孔、發散冷卻孔、噴嘴吹除積碳孔等結構進行簡化。為保證計算精度，網格生成過程中對流動復雜區域進行了局部網格加密，并進行了計算結果的網格無關性驗證。最終確定各方案的網格量為1300萬～1800萬。

2.計算結果及分析

從圖2各方案外環摻混氣量百分比看，方案0與方案2～方案4外環摻混氣量接近，方案1比各方案外環摻混氣量大12%以上，因此相比其余方案。

圖2 各方案外環摻混氣量與總氣量百分比

從圖3各方案內環摻混氣量百分比看，方案0與方案2～方案4內環摻混氣量接近，方案1與其余方案最大氣量差異在3%以內。

綜合圖2與圖3內、外環摻混孔氣量百分比看，盡管方案1外環摻混孔孔徑由Φ6增加到Φ8（開孔面積增加77.8%）后，外環氣量大幅增加（外環摻混氣量增加13%），但由于增加的氣量是從除外環摻混孔以外的其余開孔上扣除的，故分攤在內環摻混孔上的氣量減少并不多（內環摻混氣量降低在3%以內）。因此內環摻混孔氣量受外環摻混段開孔影響較小。

圖3 各方案內環摻混氣量與總氣量百分比

表2為各方案火焰筒流量分配對比（百分比氣量由各進氣量除以進口流量得到）。由表2可知，相比計算方案0（基準方案），火焰筒外環摻混段壁面開孔使得方案1外環摻混氣量顯著增加，頭部氣量（包含渦流器進氣及頭部冷卻氣）、渦流器氣量、內環摻混氣量及主燃孔氣量降低。方案2～方案4頭部氣量、渦流器氣量、內環摻混氣量及主燃孔氣量均有輕微下降，而外環摻混氣量少量增加。

表2 各方案火焰筒流量分配

火焰筒摻混段內高溫區集中在靠近內環及小彎管壁面一側。從內、外環射出的摻混冷氣在進入火焰筒后，與主流內的高溫燃氣迅速混合，使得彎管內的燃氣溫度下降，由于各方案的氣量分配存在差異，導致彎管內摻混的效果有所差異。

圖4為計算得到的各方案燃燒室出口徑向溫度分布曲線對比（曲線橫坐標為無量綱溫度，由各點溫度與出口平均溫度之差除以溫升得到，曲線縱坐標為無量綱徑向高度，由各點徑向高度與通道高度比得到。其中，GTreq曲線為渦輪理想工作線）。從圖4看，各方案出口徑向溫度分布曲線的最高溫點均在通道上方，最高溫度由大到小依次為：方案4＞方案2＞方案3＞方案1＞方案0。相比渦輪理想工作線，各方案出口徑向溫度分布曲線上部溫度點大部分超出渦輪理想工作線；各方案出口徑向溫度分布曲線中部溫度點均在渦輪理想工作線范圍內；各方案曲線下部溫度點除方案4溫度點在渦輪理想工作線內，其余方案各點大部分超出渦輪理想工作線，各溫度曲線下部溫度值由大到小依次為：方案1＞方案0＞方案3＞方案2＞方案4。

表3為各方案計算的OTDF、RTDF值及壓力損失。從表3可知，相比基準方案，增大外環摻混孔直徑（方案1）可以使得燃燒室出口溫度場OTDF、RTDF及總壓損失分別下降了13.6%、1.9%及21.9%，但會使得其徑向溫度分布曲線在下部有27.6%的溫度增加（圖4方案1曲線約12%通道高處）；大彎管下方布置氣孔方案（方案3，開孔面積約為141mm2，引氣量0.41%）比大彎管上方布置氣孔方案（方案2，開孔面積約為226mm2，引氣量1.53%）少約73%的氣量，但其OTDF及RTDF分別下降10.5%與6.3%，說明在外環摻混段后端布置開孔對溫度場的調控要更好；在大彎管布置多排氣孔（方案4，引氣量2.59%）使得OTDF、RTDF指標相比基準方案增大51.6%與32%，總壓損失降低7.5%，同時徑向溫度分布曲線葉根處的溫度明顯降低。

圖4 各計算方案燃燒室出口徑向溫度分布曲線對比

表3 各計算方案燃燒室出口溫度分布指標及壓力損失

3.結論

通過上述研究，得出以下結論：

（1）外環摻混孔增大使得火焰筒頭部、渦流器、內環摻混孔及主燃孔進氣量下降。

（2）方案1外環摻混氣量增大13%，使得OTDF、RTDF及總壓損失分別降低13.6%、1.9%及21.9%，但會造成徑向溫度分布曲線12%通道位置處溫度升高27.6%。

（3）大彎管下方布置冷卻孔遠比在其上方布置冷卻孔對出口截面葉根溫度降低更有效，同時OTDF及RTDF指標也更低。

（4）在大彎管壁面布置多排氣孔使得總壓損失降低，同時徑向溫度分布曲線在葉根處的溫度也明顯降低。