航空發動機燃燒室一體化設計系統

嚴 紅，嚴傳俊

（西北工業大學動力能源學院,西安 710072）

0 引言

燃燒室設計的質量和速度直接影響新型發動機的研制質量和周期。由于燃燒過程的復雜性，以往航空發動機主燃燒室設計主要依靠經驗和半經驗的設計方法。所采用的設計基于：燃燒理論模型（如火焰傳播速度模型和化學反應器模型）；現有燃燒室設計參數的統計和歸納；揭示燃燒室性能與其幾何參數、工作參數關系[1-3]的一些基礎實驗。而這些不能完全適應新型燃燒室的設計。現代計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）或計算燃燒學(Computational Combustion Dynamics,CCD)的迅猛發展，為燃燒室設計提供了有力工具。計算流體力學基于質量、動量、能量守恒定律，不僅可以計算燃燒室流場，預估燃燒室的性能，還可以對現有燃燒室設計公式進行驗證和修改，適用各類燃燒室。由于燃燒現象的復雜性和受計算資源限制，目前CFD還不能用于燃燒室的反設計，即不能用于直接確定燃燒室的尺寸和形狀。因此，經驗和半經驗設計方法在現階段還是必不可少的。燃燒室先進的設計方法是經驗、半經驗設計方法與CFD分析相結合的設計方法。

國外對燃燒室先進設計方法開發十分重視。美國GE公司Mongia等人[4]早在20世紀70年代就開始進行CFD在燃燒室設計中的應用研究，取得了許多重要的研究成果。美國霍尼韋爾（Honeywell）公司Lai[5]于1998年開始研制了1種用于燃燒室設計的先進燃燒工具(Advanced Combustion Tool,ACT）。ACT的特點是以CFD為基礎，在燃燒室幾何造型和網格生成方面采用參數化的方法，每個幾何特征都可以方便、快速地修改、增加、刪除，從而可以極大地縮短設計循環迭代的時間。GE公司Tangirala[6]于2000年提出將參數化幾何造型方法應用于燃氣輪機燃燒室設計。德國聯邦陸軍大學與RR公司于2004年合作開發了燃燒室初步設計系統（PRECODES）[7]，隸屬于歐洲研究項目“貧油低排放燃燒室設計方法（INTELLECT D.M）”。采用了參數化的CAD幾何造型、自動網格生成和CFD分析技術，其特點是在燃燒室初步設計階段就進行詳細的CFD分析，從而判斷初步設計是否達到性能指標的要求。以上研究有的側重以CFD為基礎的燃燒室設計，有的側重燃燒室初步設計自動化。

本文提出將燃燒室初步設計、CFD分析、優化設計結合起來，形成一體化設計系統。系統采用模塊化、參數化、自動化和一體化的技術，以提高設計質量，縮短設計周期，并便于使用。

1 燃燒室一體化設計系統的構成

燃燒室設計和研制過程如圖1所示。概念設計主要用于一些新型燃燒室，如駐渦燃燒室（Trapped Vortex Combusto，TVC）,雙環腔預混旋流燃燒室(Twin Annular Premixing Swirler，TAPS)，脈沖爆震燃燒室（Pulse Detonation Combustor，PDC）等。初步設計主要用于確定燃燒室主要尺寸和形狀，各組件（如旋流器）種類和尺寸，各種進氣孔的形狀、數目、大小及位置，流量分配及流程參數，為火焰筒數值計算提供邊界條件。詳細設計主要是進行燃燒室實體造型和CFD分析，以優化設計，并在優選的燃燒室基礎上進行試驗驗證。對試驗結果進行分析，判斷是否達到設計要求，如未達到，需再修改設計。這是漫長的過程。如何縮短設計周期、提高設計質量、減少試驗次數，是設計者面臨的富有挑戰的科學技術問題。

圖1 燃燒室設計和研制過程

所謂燃燒室設計系統一體化就把燃燒室設計各分過程有機地聯系起來，在統一框架內執行，由1個主程序調用，這有利實現設計過程的自動化；由于燃燒室各設計參數之間是非線性的，其相互依存的特性導致燃燒室初步設計過程是反復迭代的過程，通過參數化幾何造型和網格生成，可以極大地縮短設計周期；采用模塊化設計有利于設計方法的更新和擴充。燃燒室一體化設計的構想如圖2所示。

2 燃燒室初步設計

圖2 燃燒室一體化設計系統構想

2.1 設計指標

燃燒室設計指標取決于燃燒室類型和發動機總體設計的要求。典型的直流環型燃燒室如圖3所示，其設計指標為：（1）燃燒效率高（不小于0.99）；（2）總壓損失小（不小于 0.93～0.95）；（3）出口溫度分布均勻（TO,D=0.25,TR,D=0.12）；（4）慢車熄火燃料空氣比不大于7.5 g/kg；（5）點火高度為8～12 km；（6）尺寸小,容熱強度不小于 60×108kJ/(m3kPa)；（7）壽命長；（8）在整個工作范圍內不發生共振；（9）排氣發散符合標準；（10）質量輕。

2.2 輸入參數與幾何約束

燃燒室設計輸入參數主要有：燃燒室進口空氣流量、總溫、總壓、馬赫數、渦輪進口總溫、燃燒室總壓損失系數和渦輪冷卻空氣流量。幾何約束主要有：壓氣機出口徑向尺寸、渦輪進口徑向尺寸和燃燒室長度。燃燒室初步設計流程如圖4所示。

2.3 設計變量

環型燃燒室重要設計變量有：火焰筒頭部高度和速度、火焰筒長度與火焰筒頭部高度之比、燃燒室內外環腔速度、燃料噴嘴周向間距、容熱強度、參考速度和速度頭、進口速度頭。

2.4 流量分配

根據設計要求，將進入燃燒室的空氣分為3股：1股用來組織燃燒，如通過旋流器的空氣、通過氣動霧化噴嘴孔的空氣以及通過主燃孔和補燃孔的空氣；第2股是通過摻混孔的空氣，用來實現出口溫度分布要求；第3股用來冷卻火焰筒頭部和火焰筒壁面。進入火焰筒的空氣流量分配如圖5所示。

流量分配的計算方法主要有面積法、流阻法、通用1維流基本方程數值解法和網絡法。其中通用1維流基本方程數值解法不僅可以計算流量分配，還可以計算燃燒室沿程氣動熱力參數，為燃燒室CFD分析提供邊界條件。

圖5 空氣流量分配

2.5 燃燒室主要尺寸的確定

燃燒室主要尺寸包括燃燒室內外徑、高度、軸向長度和火焰筒內外徑、高度、軸向長度、內外環腔高度、內環高度、軸線傾角等。決定燃燒室和火焰筒基本尺寸的方法主要有速度法、燃燒室壓力損失法、容熱強度法和高空再點火關系式法等。選擇其中頭部面積最大者，根據給定的燃燒室出口溫度分布系數和火焰筒壓力損失，應用經驗公式確定燃燒室程度。

通過前置擴壓器（如圖6所示）將流速降到適當數值，以保證燃燒室最大可用靜壓，從而減輕質量和減少成本。因此，要求擴壓器在最短長度內獲得最大的擴壓。由所需的面積比根據連續方程計算允許的壓力損失。利用合適的關系式，可以導出面積比和允許的最大前置擴壓器長度，以防止氣流分離。此外摩擦損失要降到最小。

圖6 前置擴壓器

2.6 噴嘴設計

在不同飛行狀態下所需的燃料流量通過噴嘴提供。要求其霧化細度、噴霧錐角和霧珠空間分布符合預期要求。一般采用雙油路噴嘴。根據燃油流量、主副油路供油壓力和噴嘴設計程序不難確定噴嘴的幾何參數。

2.7 旋流器設計

根據燃燒室設計指標合理選擇旋流器的類型，如軸流旋流器、雙級軸流旋流器、雙級徑向旋流器和斜氣孔旋流器等。根據選定的旋流數、給定的流量分配、計算的旋流器流阻系數和旋流器進出口參數等確定旋流器有效面積、旋流葉片數、安裝角和旋流器的輪廓尺寸。

2.8 主燃孔、補燃孔和摻混孔設計

根據流量分配、射流速度和穿透深度、孔的流量系數，按設計程序確定主燃孔、補燃孔和摻混孔的數目、大小和形狀。

2.9 冷卻方式確定

目前對火焰筒壁面常用的冷卻類型有氣膜冷卻、發散冷卻、層板冷卻和瓦片式冷卻。應用火焰筒1維壁溫計算程序對冷卻系統進行數值計算，以確定冷卻系統尺寸和冷卻效果。

2.10 燃燒室性能估算

應用燃燒室初步設計的性能計算模塊可以估算燃燒效率、總壓損失、出口溫度分布因子、貧油熄火極限、點火極限、點火高度和排氣發散物等。

3 燃燒室CFD數值模擬

采用CFD進行燃燒室數值分析，一般分3步：前處理、求解、后處理。

3.1 前處理

前處理的目的是建立CFD分析所需求解域、網格和邊界條件。常用的軟件有GAMBIT，ICEM-CFD,GRIDEN等。GAMBIT軟件具有幾何造型、網格生成和邊界條件設置功能，對于結構相對簡單的燃燒室，可以直接進行幾何造型和網格剖分；對于幾何形狀比較復雜的燃燒室，需要采用CAD軟件（如UG、Pro/E，CATIA，PATRAN等）生成幾何模型后通過接口導入GAMBIT軟件。CAD軟件生成的幾何模型一般不能直接用于GAMBIT軟件網格生成，需要做一些必要的預處理，如合并重復的點、線、面，消除短邊、縫合缺口、修補尖角和倒角、去除小面和獨立輔助線等。

對于幾何形狀比較復雜的燃燒室，需要設計人員大量的手工操作，網格生成一般占CFD工作量40%～80%。在設計過程中，為了研究幾何參數和工作參數對燃燒室性能的影響，進行優化設計，需要進行大量相似的計算。每次都需要重新進行幾何造型，并生成網格，使設計周期大大延長。

網格生成軟件GAMBIT可以生成1種文本日志文件（Journal file），其中包括變量、數組、轉折語句、循環語句、函數、宏命令等程序語言，記錄了用戶操作的全部內容，包括處理的對象、方法和參數。GAM BIT軟件可以自動記錄日志文件，用戶也可以創建、修改和編輯日志文件，并通過運行日志文件來再現和重復所有操作，從而可以編程化、參數化、自動化地進行幾何建模和網格生成,與其它軟件接口還可以進行二次開發。GAMBIT軟件生成的環形燃燒室和火焰筒1/20扇形網格分別如圖7、8所示。

UG參數化建模方法具有簡單、方便、易開發和使用的特點，能夠在現有的CAD/CAE系統基礎上進行二次開發。參數化建模的關鍵是建立1套描述獨立參數和相關參數之間的約束方程組，然后根據1組新的獨立參數求解新的相關參數。當被引用部件中的表達式被更新時，與它鏈接的部件中的相應表達式也被更新。UG利用電子表格（Spreadsheet）驅動圖形，提供了與Microsoft Excel間的1個智能接口。在建模應用里，UG電子表格可以被認為是高級的表達式編輯器。信息可以從部件被抽取到電子表格里，在被用來更新部件前進行手工處理。表格驅動的界面和內部函數為相關的參數化設計提供了方便而有力的工具。

3.2 CFD分析

目前用于燃燒室氣動熱力性能分析的商業軟件有FLUENT、CFX、STAR-CD、CFDRC等，其中FLUENT是應用最為廣泛的CFD商業軟件。此外，還有開放式CFD軟件OpenFoam，源程序對用戶是開放的，用戶可以方便地加入物理模型和算法。

在進行CFD分析時，需要根據燃燒設計要求，選擇合理的物理子模型、數值計算方法、初始條件和邊界條件等。計算內容主要有：

（1）顯示燃燒室速度場、濃度場和溫度場，考察回流區大小和強度、射流穿透深度、油珠運動軌跡，判斷溫度分布是否合理；

（2）獲取燃燒室性能：流體阻力損失、燃燒效率、出口溫度分布、高空再點火特性、熄火特性、壁溫和排放等，判斷是否達到要求的性能指標；

（3）研究幾何參數和工作參數對燃燒室性能的影響，為修改初步設計指明方向；

（4）探索新概念燃燒室各分過程的規律。

用FLUENT軟件計算的油珠運動軌跡和火焰筒內速度場分別如圖9、10所示。

在燃燒室設計過程中為了研究幾何參數和工作參數的影響，常常需要進行CFD反復迭代計算。與GAMBIT軟件相似，FLUENT軟件也有可編輯的日志文件，根據計算需要可以進行修改。

3.3 后處理

為了便于分析計算結果和實現過程自動化，需要做到以下2點：

（1）創建用戶自定義函數UDF，輸出燃燒室出口平面數據（如溫度分布因子、排放指標和污染物濃度等）和燃燒室流場數據（如速度、當量比、溫度分布和油珠運動軌跡等）。

（2）創建附本文件和日志文件,顯示動畫圖形、流場結構、網格、等值線、流跡線和速度矢量等。

4 燃燒室優化設計

目前有很多優化算法，如數值優化、全局優化和多目標優化算法。對于燃燒室設計而言，可以采用屬于全局優化算法的遺傳算法（Genetic Algorithms，GA）。該算法運用了自然界中“優勝劣汰”的法則，并且在可能的解空間上形成多點逼近的評價工具。遺傳算法在收斂性、結構化、對優化目標函數無要求等方面的優點使其能夠有效運用于燃燒室優化設計中[8-9]。例如可采用該算法對出口溫度分布因子、火焰筒壁溫和排氣發散進行優化，優化設計流程如圖11所示。

5 燃燒室設計系統一體化集成方法

Visual C++是面向對象的語言，通過編寫程序接口，可以用來操縱和驅動初步設計模塊PCDD、UG、Gambit和Fluent軟件。

（1）通過電子表格EXCEL 調 用 PCDD、UG、FLUENT、GAMBIT軟件。

（2）ISIGHT[9]是設計過程集成、優化的通用軟件，可 以 集 成 PCDD、UG、Gambit和Fluent軟件。

以ISIGHT軟件作為燃燒室設計系統集成、優化的工具例舉如下：

（1）利用初步設計模塊PCDD讀取燃燒室設計輸入參數，經運行輸出PCDD.DAT文件；

（2）通過自編的VC程序，導入更新的PCDD.DAT文件，運行UG軟件輸出Parasolid文件；

（3）Gambit通過讀取*..jou文件，并導入Parasolid文件進行網格劃分，最后生成*..msh文件；

（4）Fluent通過讀取*..jou文件，并導入*..msh文件進行前處理及求解，最后輸出*..dat文件；

（5）由 Isight的優化組件驅動 PCDD、UG、Gambit和Fluent軟件自動運行并循環迭代，最終通過合適的優化算法（如遺傳算法）找到最優結果。

燃燒室一體化設計系統如圖12所示。

圖11 優化設計流程

6 結束語

本文論述了燃燒室一體化設計系統的基本原理和方法。該系統將燃燒室初步設計、CFD分析、優化設計有機地結合起來，為設計自動化提供了運行環境。通過幾何建模和網格生成的參數化和計算過程并行化，縮短了燃燒室設計周期；通過模塊化設計，提高了設計系統擴展和更新能力。可作為開展燃燒室一體化設計系統研究時參考。

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