徑向穩定器冷卻方式對壁溫和流場影響的數值模擬

翟云超，鐘世林，康玉東，鄧遠灝，王金濤

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

凹腔駐渦燃燒室因其火焰穩定能力強、燃燒效率高和貧燃吹熄極限低而受到廣泛關注[1-4]。美國GE公司率先實現了凹腔駐渦在加力燃燒室中的應用，在其專利[5]中，將凹腔駐渦作為值班火焰穩定器，通過徑向穩定器傳焰和組織燃燒。因徑向穩定器后方燃氣溫度遠遠超過了現有高溫合金的許用溫度，GE公司提出了一種徑向穩定器氣冷方案，其主要思想是利用外涵引氣來實現對徑向穩定器的冷卻，但并未對其冷卻方式及冷卻氣分布等特征進行闡述。相較而言，國內在該領域的研究尚處于起步階段，針對徑向穩定器冷卻的研究更是缺乏，暫未看到有公開發表的文獻。

基于此，本文針對徑向穩定器的冷卻展開了探究，利用Fluent軟件比較分析了沖擊冷卻[6-7]和沖擊-發散冷卻[8-11]兩種冷卻方式的冷卻效果及其對徑向穩定器后方流場的影響，并著重分析了發散孔傾角和發散孔開孔數目對冷卻和流場的影響。

2 計算模型

圖1給出了基于凹腔駐渦值班火焰穩定器的加力燃燒室模型，該加力燃燒室主要包括凹腔穩定器和徑向穩定器等。徑向穩定器所選材料為GH5188，該材料適用于1 373 K以下要求抗氧化性的零件。材料屬性可通過查詢材料手冊[12]獲得。

方案0為基準方案，無冷卻；通過方案1和方案2比較兩種冷卻方式的冷卻特點；方案3是在方案2的基礎上將發散孔傾角由90°調整為30°，即通過方案2和方案3比較發散孔傾角對冷卻的影響；方案4是在方案3的基礎上，保持發散孔傾角不變，將端板劃分為上、中、下三個區域，從上到下發散孔越發稀疏，為保證端板落壓比不變，增大外板上的開槽面積，即通過方案3和方案4比較發散孔排布對冷卻的影響。

3 計算方法和邊界條件

首先利用Icem軟件對上述加力燃燒室模型進行網格劃分，總網格量為550萬。而后采用商用Fluent軟件對上述模型進行數值仿真。選用壓力求解器，Simple算法；空氣為理想氣體，采用標準k-ε湍流模型；選用質量流量進口作為進口邊界條件，壓力出口為出口邊界條件。且在凹腔前進氣縫處設置左、中、右三處直射式噴嘴，采用solid-cone模型。燃燒模型采用有限速率/渦耗散模型，選用Fluent所提供的煤油五組分一步化學反應。進口邊界條件如表2所示。

4 結果分析

圖3給出了無冷卻徑向穩定器端板壁溫云圖。可見，端板溫度基本在1 900 K以上，超過了材料的許用溫度，印證了對徑向穩定器進行冷卻的必要性。

圖4、圖5分別給出了方案1～方案4的端板壁溫云圖及徑向穩定器中間截面的總溫云圖。可見，相較于無冷卻方案，沖擊冷卻和沖擊-發散冷卻均能明顯降低端板壁溫，使其低于材料最高許用溫度，滿足使用要求。

表1 冷卻方案Table 1 Cooling schemes

表2 進口邊界條件Table 2 Working conditions of calculation

對比方案1和方案2的端板壁溫云圖可見，在相同GC值下，采用沖擊冷卻的端板最高壁溫接近材料的最高許用溫度，而采用沖擊-發散冷卻的端板壁溫明顯低于材料的最高許用溫度，且其分布呈現出中間低兩端高的態勢。故相較于沖擊冷卻，沖擊-發散冷卻的冷卻效果更為顯著。另一方面，結合圖5可見，針對采用沖擊-發散冷卻方式的徑向穩定器，從端板中出來的冷卻氣會將從凹腔中出來的高溫燃氣吹離徑向穩定器后壁面，對徑向穩定器后方的流場結構造成影響，而采用沖擊冷卻方式的徑向穩定器則不會出現上述現象。

對比方案2和方案3的端板壁溫云圖可知，將發散孔傾角由90°改為30°后，端板壁溫分布由中間低兩端高演變成了上端高下端低。結合圖5可知，相較于方案2，方案3中從徑向穩定器端板冷卻孔中出來的冷卻氣將高溫燃氣整體吹離端板，而未破環高溫燃氣的流場結構，且越到徑向穩定器下方，高溫燃氣離徑向穩定器越遠，端板溫度越低，遠低于材料的最高許用溫度。可見，適當減小發散孔傾角能明顯削弱徑向穩定器冷卻氣對其后流場結構的影響。

對比方案3和方案4，兩種方案的端板壁溫分布規律一致，均小于材料的最高許用溫度。其中，方案4的端板壁溫略高，這是因為方案4對端板冷卻孔排布進行了調整，將原先的均布改為了分區排布，分為了上、中、下三個區域，且發散孔數逐漸減少。相較于方案3，方案4中的高溫燃氣離徑向穩定器端板更近，即減弱了徑向穩定器冷卻氣對其后方流場結構的影響。可見，在確保徑向穩定器不超溫的前提條件下，可適當減少端板發散孔的數目。

5 結論

對采用不同冷卻方式的徑向穩定器展開了數值計算，分析了不同冷卻方式的冷卻效果及對徑向穩定器后方流場的影響。主要得到以下結論：

(1)沖擊冷卻和沖擊-發散冷卻均能明顯降低徑向穩定器端板壁溫分布，且在相同GC值下，沖擊-發散冷卻的冷卻效果更好，但該種冷卻方式會對徑向穩定器后方的流場結構造成影響。

(2)適當減小沖擊-發散冷卻的發散孔傾角，有利于削弱從端板出來的冷卻氣對徑向穩定器后方流場結構的影響，但冷卻氣會將高溫燃氣整體吹離徑向穩定器壁面。

(3)針對發散孔具有傾角的沖擊-發散冷卻方式，在保證徑向穩定器不超溫的前提條件下，減少端板上的發散孔數，雖會使得端板壁溫有所升高，但可進一步削弱從發散孔中出來的冷卻氣對徑向穩定器后方流場結構的影響。