旋流器结构参数对TAPS燃烧室性能的影响

2020-01-10陆景贺杨家龙

燃气轮机技术 2019年4期

苗淼，陆景贺，杨家龙

(1. 海军装备部，北京 100000；2. 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)

燃烧室的性能参数对航空发动机整体性能影响巨大，随着日益严苛的污染物排放标准的实施，如何保证燃烧室综合性能参数优越的同时降低污染物排放，对低污染燃烧室的研发提出了新的挑战。TAPS燃烧室利用贫油燃烧技术，其值班级燃油由两级同轴旋流空气雾化，主燃级燃油与径向进气进行混合以实现贫油燃烧[1]。在GEnx-1推力排放测试中，TAPS燃烧室已经达到并超过了国际民航组织在宽体飞机应用中确定的未来发展目标，其中单引擎LTO循环中 NOx，CO，HC和碳烟颗粒特征排放值仅占CEAP/6的52%，77.8%，94.6%和55.7%[2]。TAPS燃烧室中燃油在值班级旋流器下游回流区进行富油燃烧，新鲜预混气在主燃级回流区及剪切层与燃烧产物发生强烈的化学反应，不仅提高了燃烧效率，而且降低了污染物排放量[3]，因此引起了国内外学者的广泛关注。SK Dhanuka等人[4-6]采用激光诊断技术研究了TAPS燃烧室内的瞬时流场结构、火焰间相互作用和周期性回火现象等，研究表明回流区是实现火焰稳定的重要保证，轴向速度梯度小时火焰更容易受到喷嘴处扰动的影响。Lee C M等人[7]对装有7种不同结构的主燃级旋流器和喷嘴的燃烧室进行了声学测试、高温高压火焰筒试验和点火熄火边界测试，结果发现有3种结构的污染物排放仅为CAEP/6所要求的25%，其中最优结构在燃烧效率达99.9%以上时污染物排放仅为CAEP/6所要求的20%～30%。北京航空航天大学的李锋[8-10]等人通过数值模拟方法对比研究了TAPS燃烧室、SAC燃烧室和DAC燃烧室的燃烧性能参数，发现TAPS燃烧室的燃烧性能参数最佳。刘殿春等人[11]通过改变各级旋流器叶片角度，数值模拟研究了SAC燃烧室冷态场特性，发现三级旋流器旋流角对冷态场变化影响很大。徐榕[12]等人使用PIV试验研究了不同燃油喷射方式下燃烧室内的油雾特性，研究表明值班级单独供油，燃油雾化质量与燃油流量呈负相关；在主燃级单独供油时小幅度改善；二者共同供油时，燃油雾化质量与燃油分级比例基本无关。颜应文[13]等人利用PIV研究了值班级旋流器叶片角改变时，TAPS燃烧室气流结构的变化，发现中心回流区的径向和轴向尺寸与叶片角度成正比关系。邓远灏等人[14]试验研究了进口参数对燃烧室出口截面参数的影响，研究表明，污染物排放量与进口空气量呈负相关，与进口空气温度呈正相关。

综上，叶片角度变化对燃烧室性能的影响尚未深入开展。因此，本文选取较多叶片角，系统探究其变化对燃烧室流场结构的影响，并建立不同叶片角度下的燃烧性能参数预测模型。

1 数学与物理模型

TAPS燃烧室如图1(a)所示，由某环形燃烧室改进而来。将斜切径向旋流器改为三级旋流器，如图1(b)所示；并且消除了主燃孔、掺混孔等结构。为提高计算效率，在不影响计算结果准确性的前提下，选取了环形燃烧室扇形区域的1/20作为研究对象。

(a) 整体结构

(b) 旋流器剖面图图1 TAPS燃烧室

1.1 计算方法

通过FLUENT中的压力基求解器，采用SIMPLE算法，求解燃烧室湍流燃烧方程。湍流模型使用standard k-ε模型，默认壁面绝热无滑移；以C7H16代替柴油，通过离散相模型追踪油滴运动轨迹；燃烧模型选择快速化学反应模型；压力方程、能量方程、组分输运方程和动量方程等均采用二阶迎风格式进行离散，各参数收敛残差设为1e-6，监测的出口质量流量不变时即视为收敛。

1.2 数值计算验证

图2为某型燃烧室计算所得出口参数分布与试验数据[15]对比，燃烧室出口温度、氧气的径向分布趋势均与试验数据吻合良好，从而验证所选数值计算模型具有较高的准确度。

图2 燃烧室出口温度与氧气质量分数径向分布

1.3 网格无关性验证

在ICEM CFD中对燃烧室进行四面体网格划分，在冷却孔、旋流器叶片等位置进行局部加密，对网格数分别为188万、276万、434万和621万的结构进行了计算。相同边界条件下，由不同网格数计算的燃烧室中轴线的轴向速度和温度分布如图3所示。速度和温度分布在网格数目超过434万时不再受其影响。因此，采用网格数目为434万。

(a) 温度

2 TAPS燃烧室性能研究

仅值班级供油情况下，分别研究一级叶片角φ1和二级叶片角φ2改变时燃烧室中轴线和Z=65 mm(燃烧室回流区中心)参考线上各参数的变化规律。在主燃级和值班级供油比例为90%～10%时，研究燃烧性能参数随φ3的变化趋势。

2.1 一级叶片角对燃烧室性能的影响

本文选取φ1分别为15°、20°、25°、30°和35°，二三级叶片角φ2、φ3分别固定为45°和60°。其中速度分布主要选用20°、25°和30°进行分析。图4是不同φ1下参考线(图4(a)(b))和中轴线(图4(c))上的速度分布，φ1增大时，旋流数提高，参考线上切向速度在Y=±40 mm处增大趋势明显，而轴向速度基本无变化。图4(c)中轴向速度有两个极小值，表明了值班级和主燃级回流区所在的轴向位置。φ1增大使切向动量提高，导致回流区的轴向长度和径向长度稍稍增加。

(a) 切向速度

(b) 轴向速度

图4 不同φ1下燃烧室速度分布

图5为φ1改变时燃烧室性能参数的变化趋势。φ1增大，回流区体积增大导致较多的压力能转化为气流动能，因而压力损失增大；油滴受到的切向速度随φ1增大而升高，气动力增大使燃油雾化质量提高，燃烧更充分，所以燃烧效率在15°～25°间迅速增长；但是由于φ1继续增大对燃油雾化的促进作用已经达到极限，对燃烧效率促进作用不再明显，因而燃烧效率上升趋势较为平缓。

图5 不同φ1下燃烧性能参数

2.2 二级叶片角对燃烧室性能的影响

本文选定φ2分别为30°、40°、45°、50°和60°，φ1、φ3分别固定为30°和60°，并且选用φ2为30°、45°和60°进行速度分布分析。图6是不同φ2下参考线(图6(a)(b))和中轴线(图6(c))上的速度分布。增加φ2时，在中轴线和参考线上轴向速度为0的两点之间间距增大，说明回流区轴向长度和径向长度变大。火焰筒中心位置Y∈(-30 mm，30 mm)和外侧气流的切向速度明显升高，而轴向速度浮动不大。中轴线上轴向速度在文氏管出口处(Z=26 mm)逐渐增大，但是由于φ2增大对气流运动有阻碍作用，使火焰筒内气流的轴向速度逐渐减小。

(a) 切向速度

(b) 轴向速度

图6 不同φ2下燃烧室速度分布

图7为燃烧室性能参数随φ2的变化趋势。φ2增大时，对流经旋流器的空气阻碍作用增强，使得流动阻力损失增大，从而总压损失逐渐增大；但是由燃烧室内部压力能转化而来的气流动能可以显著提升燃油雾化水平，而且回流区体积增大使得燃油驻留时间增加，燃料燃烧的更完全，从而燃烧效率逐渐增加。

图7 不同φ2下燃烧性能参数

2.3 三级叶片角对燃烧室性能的影响

在主值两级供油比例为90%～10%，φ1和φ2分别为30°和45°时，研究了燃烧性能参数随φ3的变化趋势。图8是不同φ3下参考线(Z=55 mm，图8(a)(b))和中轴线(图8(c))上的速度分布。图8(a)中φ3为30°和45°时，由于径向旋流器旋向与第二级旋流器旋向相反，而且其形成的切向动量小于后者所形成的切向动量，因而火焰筒中心气流的旋向与后者的气流流向相同，进而表现出火焰筒中心位置的气体旋向与其壁面两侧气流旋向相反。φ3继续增大时，气流切向动量增加使得火焰筒内气流旋向与径向旋流器中的气流旋向一致，图8(a)中火焰筒两侧切向速度的极值越发靠近壁面，图8(b)中回流区径向尺寸增大。图8(c)中，φ3为30°和45°时，主回流区位置靠近旋流器出口且尺寸较小，与值班级回流区重合，因而在旋流器出口存在负速度较大的区域；φ3为60°和75°时，回流区尺寸增大，但轴向负速度的值较小。