燃氣輪機帶閥片引射混合器內流特性分析

魏凱，羅忠,3*，孫永航，王宇

燃氣輪機帶閥片引射混合器內流特性分析

魏凱1,2，羅忠1,2,3*，孫永航1,2，王宇1,2

（1．東北大學機械工程與自動化學院，遼寧省 沈陽市 110819；2．東北大學佛山研究生院，廣東省佛山市 528312；3．東北大學航空動力裝備振動及控制教育部重點實驗室，遼寧省 沈陽市 110819）

引射混合器對燃氣輪機的降溫降噪具有決定性作用，與傳統的引射混合器相比，帶有閥片結構的引射混合器性能較好。為了充分探究其內流特性，進而為優化設計提供依據，在有無閥片的引射混合器構型下，基于計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)數值模擬，對比分析了其引射比、出口平均溫度、出口最高溫度、出口平均速度等表征引射性能的參數；針對帶有閥片的引射混合器，分析了不同閥片開度下的引射性能。結果表明：帶有閥片結構的引射混合器的混合性能顯著提高，在閥片開度為45°時，其引射性能最佳。

燃氣輪機；引射混合器；引射性能；閥片開度

0 引言

燃氣輪機工作時，燃燒室、壓氣機等所對應的機匣裝置會產生過高的溫度，這將會影響發動機上的電氣控制元器件和其他附件正常工作，并會對工作人員的安全產生很大的威脅，因此，燃氣輪機的冷卻是電器元件正常運行和工作人員安全操作的重要條件[1]。

引射器是一種利用高速高能流引射另一股低速低能流，進而混合，使主流降溫降噪的裝置[2]。學者們已廣泛研究了引射器的結構和進出口的參數對引射性能的影響，包括主次流進口壓力比、進出口的面積比(area ratio，AR)，擴張段、混合段的長度以及混合管的彎曲角度等。Keenan等[3-4]建議，對于AR為256的引射器，采用長度比(length ratios，LRs)為7～8的混合管道來實現良好的泵送性能。Liao等[5]建立了適用于引射器設計和分析的一維解析模型，新模型擴展了現有模型未解決的問題，并能有效地分析非設計工況，如發生在初級流中的沖擊。Bottenheim等[6]于2004年通過實驗設計與數值方法對一種新型排氣管道的性能進行了研究，發現其管道流動損失極為嚴重。Maqsood等[7]對圓截面的彎管混合管排氣引射器進行實驗與數值研究，充分探討了混合管的彎曲程度和進氣口旋流角度對引射性能的影響。Kim等[8]通過分析引射器的性能來預測主次流間的壓力比變化。Opgenorth等[9]通過實驗和仿真分析研究了在次流進口面積不變的條件下，次流進口的形狀對二次流量比和噴管壓力比的影響，結果表明，含有3個波瓣的次流進口具有最佳的引射性能。Namet-Allah等[10]對多級帶有吸入式擴壓器的氣–氣引射器在低馬赫數情況下進行實驗，研究了噴嘴長度對引射性能的影響。潘丞雄等[11]采用受限式和敞開式2種進口方式，對雙級波瓣引射混合器的引射性能進行數值模擬與實驗研究，結果表明敞開式進口性能最佳。劉培啟等[12]通過計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)方法對引射器的噴嘴間距、混合室直徑及擴壓式長度等關鍵結構參數進行了優化，結果發現引射器的等熵效率提高了約13%。葉宇琛[13]研究了直升機排氣引射器配合角度對引射性能的影響，結果表明：引射比隨排氣管上下配合角度的增大而增加，隨排氣管航向前后配合角度的增大先增加后減小。趙芳等[14]提出了一種產生高溫燃氣的燃氣發生器與引射器對接的方案并進行了試驗，結果表明，引射燃氣溫度一定范圍內的變化基本不影響引射器工作時的性能。

在目前廣泛研究的燃氣輪機和航空發動機的引射混合器構型中，主次流混合起始點是在主流的末端，而主流通道在整個引射混合器中占很大比例，致使混合不充分。對于帶有閥片結構的引射混合器，其獨特的構型可使主次流提前混合，與傳統型相比，增強了混合的均勻性。因此，為了充分探究在閥片結構下的內流特性，本文分析了傳統型與帶閥片的引射混合器的性能差異，討論了閥片開度對帶有閥片的引射混合器的性能影響，以期為引射混合器的優化設計提供依據。

1 工作原理與控制方程

1.1 引射混合器引射機理

引射混合器內的流體流動過程如圖1所示，高速的主流流體從噴嘴噴出后形成射流，由于射流與周圍流體間存在速度差，因此射流周圍原本靜止的流體在高速射流的卷吸下隨射流一起流向下游，從而在混合管入口附近形成一個低壓區域，使得引射流體被一同抽吸入混合器。主流與引射流兩者之間的交界面(射流界面)是流速不連續的間斷面，這種間斷面是不穩定的，因此在射流邊界上存在強烈的主次流脈動摻混及紊流現象。由于低速次流不斷摻混入主流，射流的斷面面積和質量流量沿程擴大，但速度將逐漸減小，最終射流將與次流完全摻混形成混合流。

圖1 典型引射器工作原理

1.2 流體動力學方程

對于引射混合器的內流場，其需要滿足各物理場守恒定律，如質量守恒、動量守恒及能量守恒等[15]。雖然各守恒方程包含了不同個數的變量，但都反映了物理量在單位時間、單位體積內的守恒特性。令為通用變量，則控制方程可表示為

式中：?()/?為瞬態項，其中為氣體密度；div()為對流項，其中為動力黏度；div(grad)為擴散項，其中為擴散系數；為源項。

由于在引射混合器中氣體的流動是2種存在速度差流體之間的互相混合，而且是不穩定的，因此運動需考慮湍流模型。選用標準的-模型，其湍流能與耗散率的控制方程為：

式中：為流體的動力黏度；為湍流能；為湍流耗散率；為湍流黏度；u為速度矢量的分量；G為由平均速度梯度引起的湍動能產生；參數1=1.44，2=1.92，=1.0，s=1.3。

2 計算模型與數值方法

2.1 計算模型

在傳統的引射混合器模型中，在主流出口前，主次流不進行摻混，如圖2所示。帶有閥片的構型如圖3所示，引射混合器的閥片位于排氣筒前端，周向均勻布置8個，打開時與軸線成45°，在排氣筒內部形成8個波瓣，引射一部分低溫氣流。

圖2 傳統引射混合器構型

圖3 帶閥片引射混合器構型

2.2 數值方法

本文基于Fluent進行引射混合器內流場的CFD數值模擬，分析有無閥片的引射混合器性能的差異性，并討論不同閥片開度對引射混合器性能的影響。引射性能的表征參數主要包括引射比、出口平均溫度、出口最高溫度、出口平均速度。受引射混合器各部件位姿的影響，閥片開度范圍為0°～45°，如圖4所示。

在劃分網格時，由于在打開閥片的附近存在主次流摻混，流場比較復雜，因此，為了保證仿真的精度，在閥片附近作球形加密，如圖5所示。具體為：在8個閥門的表面分別建立8個局部坐標系，在尺寸設置時選擇Sphere of influence(球面)加密方法，利用選取的8個局部坐標系作為網格加密的球心，在紅色球狀與藍色實體相交的區域進行加密，生成網格。截取對稱面后，球形加密后的效果如圖6所示，可以看出，在以閥片為中心的球形區域網格較密。

圖4 引射混合器不同閥片開度

圖5 球形加密區域

圖6 球形加密后網格示意圖

2.3 仿真方法驗證

為了驗證CFD仿真分析方法的正確性[16]，將仿真結果與文獻[17]的實驗數據進行了對比。在LRs為2、AR為1.95的工況下，出口的徑向速度比分布如圖7所示，其中：/p為出口某點速度與主流速度之比；/為出口某點到圓心的距離與出口半徑之比。仿真分析選用Standard-湍流模型及標準的壁面函數，從圖7可以看出，其實驗數據與CFD仿真結果吻合良好，平均誤差為3.41%，證明了本文仿真方法的正確性。

圖7 實驗數據與CFD仿真結果對比

3 計算結果與分析

3.1 有無閥片對引射性能的影響

表1列出了引射混合器在有無閥片2種結構下的主要引射性能。可以看出，與傳統引射器相比，在有閥片的結構下，其引射性能提高了約3倍，出口最高溫度與出口平均溫度均降低，而出口平均速度略有提高。這是由于在帶有閥片的結構下，主流進口前端的二次流通道處產生壓差，主次流第一次混合，從而可以卷吸更多的低溫次流，使引射比增加；隨著大量低溫氣體的吸入，出口的溫度也隨之降低，但總氣體的速度增加。

表1 引射混合器有無閥片性能對比

引射混合器在有無閥片2種結構下的對稱面溫度分布如圖8所示，可以看出，與無閥片的結構相比，在有閥片的結構下，其溫度混合較均勻，主次流混合的效果明顯提高。這是由于閥片與二次流通道的存在使次流可以通過二次流通道被吸入排氣筒內，提前與高溫燃氣混合，從而使均勻度增加。

圖8 有無閥片下對稱面溫度分布

3.2 閥片開度對引射性能的影響

圖9為閥片開度對引射比的影響曲線，可以看出，隨著閥片開度逐漸增大，引射比是逐漸增加的，閥片開度每增加10°，引射比平均增加約4.73%。這是由于當閥片開度逐漸增加時，主次流間通道的有效面積逐漸增大，在二次流通道附近流速不連續的間斷面隨之增大，這種間斷面是不穩定的，因此在射流邊界上存在強烈的主次流脈動摻混及紊流現象，在主流進口附近會抽引更多的二次流。

圖9 閥片開度對引射比的影響

閥片開度對出口平均溫度和平均速度的影響曲線分別如圖10、11所示。可以看出，隨著閥片開度逐漸增加，出口平均溫度逐漸降低，出口平均速度逐漸增加，閥片開度每增加10°，出口平均溫度降低7.65℃，出口平均速度增加1.09m/s。這是由于隨著閥片開度的增加，被引射的低溫次流流量越來越大，而主流流量不變，其總體流量與流速是逐漸增加的。

圖10 閥門開度對出口平均溫度的影響

圖11 閥門開度對出口平均速度的影響

圖12為出口最高溫度隨閥片開度的變化曲線，可以看出，隨著閥片開度逐漸增加，出口最高溫度越來越低。這是由于當閥片開度逐漸增加時，通過次流通道進入排氣筒的低溫被引射氣流增多，兩股氣流的混合度提高。

圖12 閥門開度對出口最高溫度的影響

4 結論

帶有閥片的引射混合器在原有構型的基礎上，在排氣筒前端增加8個閥片，以增強其主次流混合的強度。對比分析了有無閥片的引射混合器的性能，并分析討論了閥片開度對引射性能的影響，得到以下結論：

1）相比于傳統的引射混合器，帶有閥片結構的引射混合器引射比會大大提高，并且出口平均溫度明顯降低，出口平均速度略有提高，但相比于出口平均速度的增加值，其引射比和出口溫度的降低值是較大的，因此，帶有閥片的引射混合器的整體性能較傳統構型是提升的。

2）在閥片開度對引射性能的影響中，隨著閥片開度從0°增加到45°，引射比和出口平均速度呈上升趨勢，出口平均溫度和出口最高溫度呈下降趨勢，其整體的引射性能是提高的。因此，在閥片開度為45°時引射性能最佳，為引射混合器的結構優化提供了依據。

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Analysis of Internal Flow Characteristics of Gas Turbine Ejector Mixer with Valve Plate

WEI Kai1,2, LUO Zhong1,2,3*, SUN Yonghang1,2, WANG Yu1,2

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning Province, China; 2. Foshan Graduate School of Northeastern University, Foshan 528312, Guangdong Province, China; 3. Key Laboratory of Vibration and Control of Aero-Propulsion System (Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning Province, China)

The ejector mixer plays a decisive role in the cooling and noise reduction of gas turbine. Compared with the traditional ejector mixer, the ejector mixer with valve plate structure has better performance. In order to fully explore its internal flow characteristics and provide a basis for optimal design, the computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation was used to study the ejector configuration with or without valve plate. The ejector performance parameters such as ejector ratio, average outlet temperature, maximum temperature and average outlet velocity were compared and analyzed. The ejector performance with different valve openings was analyzed for the ejector mixer with valve plates. The results show that the mixing performance of the ejector mixer with valve plate structure is significantly improved. The ejection performance is the best when the valve opening is 45°.

gas turbine; ejector mixer; ejection performance; valve plate opening

2021-02-07。

10.12096/j.2096-4528.pgt.21019

TK 47

國家自然科學基金項目(11872148, U1908217)；廣東省基礎與應用基礎研究基金聯合基金項目(2020B1515120015)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (11872148, U1908217); Joint Foundation of Basic and Applied Basic Research of Guangdong Province (2020B1515120015).

(責任編輯 尚彩娟)