燃烧室流量分配计算方法适用性研究

徐 丽，张宝诚，刘 凯

（1.沈阳理工大学机械工程学院，沈阳110003；2.沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳110034）

0 引言

流量分配是燃烧室设计、研制中最基本也是最关键的问题之一[1-2]。其影响到燃烧室的点火、火焰稳定、燃烧效率、总压损失、壁面冷却、出口温度分布和排气污染等燃烧性能和使用的各方面。如果得到合适的空气流量分配，有了合适的沿周向均匀的冷却空气量，则仅需基本良好的燃油喷雾与之配合，就能实现良好的燃烧室综合设计指标[3-6]。流量分配不仅是火焰筒组织燃烧问题，也影响到燃烧室的经济性和燃料利用率，在工程上要求与使用寿命进行协调和折衷处理。在燃烧室设计指标要求不断提高，燃烧控制不断细化的今天，燃烧室的流量分配就显得更为重要。

流量分配的计算，一般在已知燃烧室进口气流参数和几何尺寸条件下进行。通过计算，验算预定的流量分配方案是否合适；根据流量分配计算结果和已有的研制经验，调整修改进气孔几何尺寸，以达到需要的燃烧室性能。流量分配的计算方法主要有面积法、流阻法、等射流理论解法、平均流量系数法、基本方程法。哪种方法既简单实用又有足够精度，成为工程设计上面临的1个问题[7-9]。随着数值模拟方法的广泛应用，其在流动方面的可靠性已得到验证[10-13]。在结构确定的前提下，可以使用数值模拟方法进行流量分配方案的验证。

本文以某型发动机燃烧室为研究对象，分别以有效面积法、流阻法进行流量分配计算，并以数值模拟法验证2种方法的差异，确定工程适用性。

1 研究对象

以某现役先进短环形燃烧室为研究对象，其火焰筒外环有15道冷却气膜，内环有16道气膜。火焰筒前端沿周向均匀分布28个旋流器，每个旋流器中心有1个双油路离心喷嘴；火焰筒内、外壁上周向均匀分布主燃孔、掺混孔和冷却孔，具体为：火焰筒外环壁上第1排主燃孔共56个；第2排掺混孔，其中第1排包括5个直径较大的孔和23个较小的孔，且轴向位置有所差别；另1排掺混孔28个。火焰筒内环壁上第1排主燃孔共42个；第2排掺混孔，每排28个。内、外环壁上气膜冷却孔各排不一，同1排孔的直径有所不同，但数量均为28的倍数。物理模型如图1所示。

图1 燃烧室模型

2 2种方法流量分配计算结果

2.1 有效面积法

有效面积法是计算火焰筒空气流量分配最简单也是比较适用的方法。该方法能在很短时间内估算出所研究火焰筒的空气量分配，特别适用于燃烧室调试过程中，在现场分析燃烧室性能时使用。而且由于各种误差作用结果，采用复杂方法计算时其结果可能与有效面积法相差不多，因此燃烧室设计中经常采用此方法。

有效面积法假定[14]：沿火焰筒任一轴向截面，火焰筒的内外压差相等；在火焰筒2股通道中气流密度不变。

基本计算式为

式中：ΔGi为第i 排孔的进气量，kg/s；Ga为总进气量，kg/s；Fi为孔的进气面积，mm2；μi为第i 排孔的流量系数。

有效面积法关键点之一是选定流量系数。60余年发动机的研制、改型和使用，已积累了大量流量系数数据，特别是选择良好的原准燃烧室火焰筒进气孔流量系数值，对工程设计是实用、有效的[14-15]。为具有代表性，在本次燃烧室流量分配计算中，流量系数根据国外某发动机燃烧室火焰筒给出，典型各排孔的流量系数选取详见文献[1]。本文各方法流量分配均为发动机最大工作状态，计算结果如图2所示。

流量分配结果：主燃孔进气量32.54%，第1排掺混孔进气量10.98%，第2排掺混孔进气量9.45%。

图2 有效面积法流量分配

2.2 流阻法

流阻法考虑了各种进气孔的尺寸、几何形状、小孔气流及流量系数等对流阻系数的影响，所以其计算结果理论上比有效面积法的更合理。而正是由于考虑了众多影响因素，使得计算较为复杂，同时各因素影响值多为试验或经验所得，准确性、适用性有待验证。该方法主要假设[14]：气流在燃烧室内流动为不可压缩流动；2股通道内的气流总压不变；火焰筒内的总压相等；气流经过火焰筒进气装置的损失与火焰筒内主流加热的损失相互独立。

在上述假设基础上推导出

式中：Gai为第i 流路的进气量，kg/s；Ga为进入火焰筒的进气量，kg/s；ψm、ψim分别为以燃烧室最大截面为参考截面的火焰筒的总流阻系数和元件i的流阻系数。

典型元件流阻系数见文献[1]。流量分配计算结果并与有效面积法对照如图3所示。

从图中可见，2 种方法流量分配结果主要区别在于大孔进气，流阻法主燃孔进气量为35.11%，比有效面积法的高2.57%；而流阻法掺混孔进气量为17.32%，比有效面积法的低3.11%；大孔总进气量（含旋流器）分别为59.79%及59.31%，基本相同。

图3 流阻法与有效面积法流量分配对比

3 数值分析法

考虑到周向对称及计算能力，本文以整个环形燃烧室1/28为计算域。采用Realizablek-ε 湍流模型，2阶迎风差分格式，质量流量进口，压力出口，侧面为周期对称。流场分布如图4、5所示。

图4 主燃孔纵截面速度分布

图5 燃烧室壁面速度分布

从图中可见，由于各截面型面及位置差异，各进气孔流速有较大差异，说明简单的假设计算会带来一定误差。主燃孔射流深度超过1/3腔高，有足够穿透深度，同时益于头部回流区的形成。主燃孔所在截面静压、总压分布分别如图6、7所示。

图6 静压分布

图7 总压分布

从图中可见，2 股通道及火焰筒内静压基本不变，满足了有效面积法沿火焰筒任一轴向截面，火焰筒的内外压差相等的假设；从图7中可见，2股通道内总压基本稳定，满足了流阻法2股通道内的气流总压不变的假设，但火焰筒内总压却非均匀恒定，这使火焰筒内的总压相等假设无法完全满足，将是影响其准确性的1个因素。

流量分配模拟与理论计算对照如图8所示。

由2种方法计算得到的流量分配结果与数值模拟结果对比可知：在主燃孔处流阻法更接近模拟结果，而在掺混孔处有效面积法更接近。这应该是由于流阻法假设的火焰筒内总压不变而实际总压沿程损失，有效面积法假设沿程静压不变，实际由于速度滞止而有所增大导致的误差。各方法对于冷却气膜进气量计算差别不大。

图8 3种方法流量分配

4 试验验证

为进一步验证各种方法的可靠性与精度，应用沈阳航空航天大学燃烧试验台（如图9所示），用堵孔的方法完成了火焰筒大孔进气量试验。

试验台本体主要设备及功能：加温器模拟压气机出口气流温度，孔板流量计计量进气流量，压力传感器测定进气压力，背压阀调节工作压力。为减小壁面边界层影响，试验件采用3头部扇形段。各大孔进气量试验结果及与其他方法对比见表1。

图9 燃烧试验台

表1 火焰筒大孔进气量 %

从表中可见，无论各截面进气量还是总进气量，数值模拟结果都与试验吻合较好，证明了数值模拟在流场模拟领域的可靠性。有效面积法前段与实际偏差较大，后段吻合较好；而流阻法趋势恰恰相反，这是由不同方法假设条件决定的；其总进气量均比实际值约低3%。这意味着冷却气量将减少3%，在高温升燃烧室设计中应予以注意。

5 结论

（1）采用有效面积法与流阻法计算流量分配精度基本相同，能够适应燃烧室设计初期估算。但由2种方法计算得到的大孔总进气量比实际值约低3%，在高温升燃烧室设计中应予以修正。

（2）采用有效面积法计算得到的掺混孔及以后位置的流量与实际值吻合较好，而采用流阻法计算得到的主燃孔及以前位置与实际值吻合较好。

（3）无论各截面进气量还是总流量，数值法结果均与试验值相当吻合，证明了数值方法在流场模拟领域的可靠性，可用于燃烧室流量分配的精确计算。

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