駱廣琦，胡磊，孫東，張海明

無引氣式渦輪級間燃燒室設(shè)計(jì)與數(shù)值研究

駱廣琦，胡磊，孫東，張海明

(空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710038)

利用流體計(jì)算軟件模擬渦輪級間燃燒室(ITB)三維兩相燃燒流場。對比分析無引氣式ITB與傳統(tǒng)ITB性能及流場分布。采用Realizablek-ε模型模擬湍流黏性，離散相模型追蹤油珠運(yùn)動(dòng)軌跡，非預(yù)混平衡化學(xué)反應(yīng)模型模擬燃燒過程。計(jì)算結(jié)果表明：無引氣式ITB除總壓損失比傳統(tǒng)ITB的稍大外，其它指標(biāo)均與傳統(tǒng)ITB的相當(dāng)；但由于該方案不需要額外引氣，故提升了ITB發(fā)動(dòng)機(jī)性能及應(yīng)用價(jià)值。

渦輪級間燃燒室；無引氣式；離散相模型；非預(yù)混平衡化學(xué)反應(yīng)；數(shù)值仿真

1 引言

渦輪級間燃燒室(ITB)技術(shù)是通過在多級渦輪間設(shè)置燃燒室進(jìn)行二次燃燒，提高后級渦輪燃?xì)膺M(jìn)口總溫，在渦輪單位功不變的情況下減小渦輪落壓比，從而提高噴管出口總壓和發(fā)動(dòng)機(jī)性能，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)飛行馬赫數(shù)范圍[1～3]。從熱力循環(huán)角度看(熱力循環(huán)圖參見文獻(xiàn)[1])，ITB使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)從傳統(tǒng)的布雷頓循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏葴匮h(huán)，給工質(zhì)加入了更多的熱能，使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功增大，更多的熱能轉(zhuǎn)換為氣體動(dòng)能，使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推力性能。

Lewis早年研究了離心力場對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬4]，認(rèn)為高離心力下火焰?zhèn)鞑ブ饕揽扛∩π?yīng)產(chǎn)生的“焰泡”遷移增大其傳播速度，并將火焰燃燒分為層流燃燒、湍流燃燒和浮力燃燒三種類型，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)浮力燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿骱屯牧魅紵目?。同時(shí)，因?yàn)榛鹧嬗辛谁h(huán)向速度分量，火焰需要的滯留時(shí)間，更多的是通過環(huán)向長度而不是軸向長度獲得，從而使得傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在有限空間內(nèi)加裝ITB成為可能。

為使空腔內(nèi)產(chǎn)生高離心加速度的旋流，目前國外普遍采用二股氣流的形式(如圖1)，將高壓壓氣機(jī)后的空氣從環(huán)繞在周向腔外側(cè)、相對于徑向都有一偏角的24個(gè)噴射孔射入空腔來實(shí)現(xiàn)。這必然要從壓氣機(jī)后大量引氣[5]。目前國外所采用的二股氣流的引氣量普遍達(dá)到20%，對于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，過高的引氣量必然急劇降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率[6]。

圖1 傳統(tǒng)ITB結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Traditional ITB structure

本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的無引氣式ITB結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)方案主要包括進(jìn)口段、導(dǎo)向葉片、凸臺、周向腔及出口段，采用大角度偏轉(zhuǎn)葉片的形式迫使來流產(chǎn)生高速旋流，利用離心力場燃燒原理提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，避免了從高壓壓氣機(jī)后大量引氣的弊端。為使高速旋流帶動(dòng)整個(gè)周向腔內(nèi)氣流，在葉片通道處設(shè)置一定高度的凸臺。高速氣流從截面積較小的葉片通道進(jìn)入周向腔內(nèi)，可在該周向腔內(nèi)形成駐渦燃燒，增大火焰穩(wěn)定性。燃油噴嘴設(shè)在葉片通道上方，燃油與高離心加速度氣流在周向腔內(nèi)摻混燃燒。

圖2 無引氣式ITB結(jié)構(gòu)剖圖Fig.2 Cross section of ITB without bleed

2 模型的建立

2.1 結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

該結(jié)構(gòu)導(dǎo)向葉片為12個(gè)，葉片偏轉(zhuǎn)角度為55°；燃油由葉片通道上均布的12個(gè)入射孔噴入。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，將模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊處理，局部加密，網(wǎng)格總數(shù)為250萬個(gè)。

2.2 邊界條件

本結(jié)構(gòu)由于周向腔頂部無空氣入口，為與傳統(tǒng)引氣式ITB燃燒效果[5]進(jìn)行比較，采用了與文獻(xiàn)[7]進(jìn)口條件相同的流量與油氣比，故主流進(jìn)口氣流為0.268 374 kg/s，即傳統(tǒng)ITB主流流量與周向腔空氣入口流量之和。12個(gè)燃油噴嘴，每個(gè)的流量為0.000 445 kg/s，混合氣當(dāng)量比為0.294。出口處采用壓力出口，主流通道入口溫度為528 K。需說明的是，該進(jìn)口邊界條件并非模擬真實(shí)高壓渦輪出口條件，而僅為基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)研究的簡化值，即未考慮進(jìn)口氣流為燃燒室燃燒后的高溫、高污染氣體，本文為保持與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件一致而采用該條件。模型采用C12H23(JB-8+100燃油)作為反應(yīng)物，通過圓錐霧化噴嘴噴入周向腔中，形成錐形噴霧。利用離散相模型模擬液滴流動(dòng)。液滴來流的離散數(shù)量設(shè)置為20個(gè)，液滴直徑為100 μm，液滴的半錐角為35°，燃油溫度為300 K[8]。

2.3 計(jì)算模型及求解器

湍流模型采用Realizablek-ε模型，采用依據(jù)及ITB湍流模型研究發(fā)展詳見文獻(xiàn)[9]。對于本算例模擬的快速化學(xué)反應(yīng)的紊態(tài)擴(kuò)散火焰，采用非預(yù)混燃燒模型來模擬燃燒過程[10]。求解器為分離隱式穩(wěn)態(tài)求解器，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法處理，各計(jì)算參數(shù)的離散均采用二階精度的迎風(fēng)格式，控制方程采用亞松弛因子控制收斂。各殘差的收斂參數(shù)，除能量為10-6外，其余均為10-3。由于三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量的殘差收斂較困難，故本文主要通過進(jìn)、出口的流量和能量守恒判斷，同時(shí)監(jiān)測出口處的平均溫度，當(dāng)?shù)揭陨蠀?shù)的殘差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可認(rèn)為計(jì)算已收斂。

2.4 評估標(biāo)準(zhǔn)

采用總壓損失、燃燒效率等相關(guān)指標(biāo)對研究對象進(jìn)行性能評定?？倝簱p失定義為：

燃燒效率ηb采用尾氣評估法[12]計(jì)算：

式中：HC為燃油燃燒熱值；EICO、EICxHy為衡量一氧化碳與燃油的污染排放程度，定義為

式中：[]表示摩爾組分濃度；M代表分子量；α代表y/x；T為空氣中二氧化碳的摩爾百分?jǐn)?shù)，這里假定為0.000 34；X/m的表達(dá)式為

式中：X為空氣比油的摩爾份數(shù)，h為進(jìn)口空氣中水蒸氣的含量，Z定義為

3 結(jié)果分析

3.1 指標(biāo)比較

由于本方案采取12個(gè)大角度偏轉(zhuǎn)葉片無引氣式結(jié)構(gòu)，使得模型無法簡化成1/6周期性模型，故采用全尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)與1/6模型和全尺寸模型結(jié)果進(jìn)行對比分析，相關(guān)結(jié)果如表1所示。表中，驗(yàn)證模型采用傳統(tǒng)ITB，各計(jì)算模型采用相同的數(shù)值模型，1/6驗(yàn)證模型與1/6文獻(xiàn)模型的物理模型相同；Texit為出口流量加權(quán)平均溫升。

文獻(xiàn)及本文的仿真模型與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值的對比分析：實(shí)驗(yàn)總壓損失約為5.0%，而文獻(xiàn)和本文仿真模型的普遍約為10.0%，計(jì)算值整體高于實(shí)驗(yàn)值；全尺寸模型的仿真結(jié)果比1/6模型的更接近于真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)過程。

無引氣式ITB模型與傳統(tǒng)ITB全尺寸模型的對比分析：本模型的總壓損失要明顯高于傳統(tǒng)ITB模型。原因?yàn)楸灸Ｐ椭饕ㄟ^大角度偏轉(zhuǎn)葉片迫使來流產(chǎn)生高離心加速度，一方面，來流從較小面積的葉片通道進(jìn)入較大面積的周向腔內(nèi)，會(huì)造成較大的擴(kuò)壓損失；另一方面，高速來流在大角度偏轉(zhuǎn)葉片作用下也必然造成一定的總壓損失。而傳統(tǒng)ITB模型單純從周向腔外部射入空氣，所以本模型造成的總壓損失必然偏大。因此，如何降低無引氣式ITB的總壓損失尤為關(guān)鍵。另外，與傳統(tǒng)ITB模型相比，本模型的燃燒效率、出口流量加權(quán)平均溫升及CO2濃度略低，CO和O2的濃度略高，即傳統(tǒng)ITB模型的燃燒過程更加充分。不過，本模型的整體性能基本達(dá)到了傳統(tǒng)ITB模型的水平。由于本模型不需要從高壓壓氣機(jī)后引氣，因此其結(jié)構(gòu)將更具應(yīng)用價(jià)值。

表1 結(jié)果比較Table 1 Comparison of results

3.2 流場分析

圖3為無引氣式ITB單側(cè)軸向截面流場圖，從圖中可明顯發(fā)現(xiàn)兩個(gè)低速區(qū)域。1區(qū)為周向腔后壁面夾角處，此區(qū)域?yàn)楦咚賮砹鹘?jīng)過周向腔并在貼周向腔壁面流動(dòng)過程中遇到壁面垂直拐角而形成的低速旋渦。2區(qū)為高速來流從凸臺上部進(jìn)入后，產(chǎn)生圖示方向速度，從而在整個(gè)周向腔內(nèi)形成駐渦燃燒。

圖3 軸向截面流場圖Fig.3 Flow field of the axial cross section

3.3 溫度場分析

無引氣式ITB模型內(nèi)部軸向截面溫度分布如圖4所示。由于該模型的燃油在進(jìn)入周向腔前已在葉片通道后端與來流摻混，因此進(jìn)入周向腔內(nèi)的氣流為燃油混合氣。從圖中可知，該模型的燃燒過程發(fā)生在整個(gè)周向腔內(nèi)，在對應(yīng)圖3低速區(qū)的地方出現(xiàn)兩高溫區(qū)。這是由于該兩處氣流速度較低，燃油在此兩處能穩(wěn)定燃燒，故而溫度較高。

由圖5所示的外壁面溫度分布可知，該無引氣式ITB壁面高溫區(qū)主要分布在燃燒室后半段。這是因?yàn)槿加突旌蠚庋厝~片通道射入周向腔內(nèi)，來流在近壁面高速流動(dòng)，對ITB外壁面形成氣膜冷卻，但在周向腔后半段壁面夾角處產(chǎn)生了穩(wěn)定燃燒區(qū)，因而周向腔僅后壁面溫度較高，其它區(qū)域溫度較低。另外，在周向腔后壁面，高溫燃?xì)馐?2個(gè)葉片旋流的影響，在后壁面均勻分布著12個(gè)周期性的高溫區(qū)。

從圖6中的出口徑向溫度分布曲線可看出，出口溫度在根部區(qū)域較高，中部最低，上部較均勻。因此，對于后級渦輪葉片，根部的熱應(yīng)力要大些，而尖部的熱應(yīng)力要小些，整體出口溫度分布較為均勻。不過，該溫度分布與渦輪葉片需求的溫度分布(3/4葉高處溫度最高)不完全一致，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

圖4 軸向截面溫度分布圖Fig.4 Temperature contour of the axial cross section

圖5 壁面溫度分布圖Fig.5 Wall temperature contour

圖6 出口徑向溫度分布Fig.6 Exit radial temperature distribution

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)的無引氣式級間燃燒室，除總壓損失比傳統(tǒng)渦輪級間燃燒室的稍大外，基本達(dá)到了傳統(tǒng)渦輪級間燃燒室的性能指標(biāo)，加之不需要額外引氣，大大提升了渦輪級間燃燒室的應(yīng)用價(jià)值。

(2)無引氣式渦輪級間燃燒室的周向腔內(nèi)能形成兩個(gè)大范圍的高溫區(qū)，并能形成穩(wěn)定的駐渦燃燒；該燃燒室外壁面高溫區(qū)主要集中在周向腔后壁面；出口徑向溫度分布曲線還有待進(jìn)一步改善。

(3)下一步將研究該型無引氣式渦輪級間燃燒室各幾何參數(shù)對其內(nèi)部流場、溫度場的影響規(guī)律。

[1]駱廣琦，鄭九洲，張發(fā)啟.多級渦輪級間燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能對比研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29(1)：162—165.

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Design and Numerical Analysis of Inter-Turbine Burner without Bleed

LUO Guang-qi，HU Lei，SUN Dong，ZHANG Hai-ming
(Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

The differences between traditional Inter-Turbine Burner(ITB)and ITB without bleed were ana?lyzed by using CFD software to simulate the 3D combustor on two phase combustion performances and com?bustion flows.Realizablek-εmodel was applied to simulate the turbulence viscosity.The fuel droplet tra?jectories were modeled in Lagrangian frame of reference by using discrete phase model.Non-premixed com?bustion model was used to model turbulence-chemistry interaction.The calculation results indicated:this ITB has basically reached the performance index of the traditional ITB except for total pressure loss a bit larger.At the same time,this ITB did not need extra bleeding,which promoted the performance and applica?tion of ITB engine greatly.

Inter-Turbine Burner；without bleed；discrete phase model；non-premixed turbulence-chemistry interaction；numerical simulation

V231.2

A

1672-2620(2012)01-0001-04

2011-06-22；

2011-11-13

駱廣琦(197l-)，男，陜西涇陽人，教授，主要從事推進(jìn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與性能研究等。