微型燃氣輪機燃燒室流場數值分析與試驗研究

喬卿貝，方傳宇，穆 勇,3，劉富強,3，劉存喜,3，徐 綱,3

(1. 中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100190；3. 中國科學院輕型動力創新研究院，北京 100190)

微型燃氣輪機體積小、質量輕、結構簡單、單機功率大、推重比大，被廣泛應用于航模及小型無人機。燃燒室作為燃氣輪機的重要部件，其工作性能是制約整機特性的重要因素之一，直接關系到循環效率、渦輪出功及壽命、飛行升限等[1-2]。因此考察燃燒室的工作性能，對了解和指導燃燒室的結構設計和優化，具有重要意義。

由于微型燃氣輪機結構尺寸微型化，其燃燒室與常規燃燒室相比,存在以下技術難點：1)燃燒室體積小，主燃區容積小，給火焰筒冷卻和燃燒穩定造成不利影響；2)燃燒室長度短，氣流停留時間短，容易造成燃燒不充分，同時增加了火焰筒出口溫度的調節難度；3)燃燒室面容比較大，傳熱損失大大增加，容易造成燃燒室熄火；4)燃燒室尺寸小，流阻損失大[3-4]。因此，在有限的空間內，設計出高性能的微型燃氣輪機燃燒室具有一定難度。

微型燃氣輪機燃燒室通常采用的結構是蒸發管燃燒室。它結構簡單，供油霧化壓力低，適合與火焰筒主燃區氣流結構相匹配。同時它與空氣霧化噴嘴一樣,能克服壓力霧化噴嘴易出現的壁溫高、冒煙以及排氣污染嚴重等弊端。因此,直到今天,蒸發管供油方式仍在高性能發動機上采用,例如：英國羅羅公司與法國透博梅卡公司共同研制的RTM322小型渦軸發動機，英國羅羅公司研制的推重比8的RB199發動機,歐洲噴氣渦輪公司研制的推重比10的EJ200發動機[5-6]，等。

燃氣輪機燃燒室性能考察方法主要分為兩種：CFD數值分析方法和實驗方法。CFD數值分析方法是一種成本低、應用范圍廣、周期短的方法[7-8],在燃氣輪機燃燒室優化設計中得到廣泛應用。但現階段由于燃燒數值模型的局限和燃燒室幾何模型的理想化周期性特征[9]，使得該方法通常過優地預測了燃燒室出口特征參數分布和燃燒效率，特別是在燃燒室部分負荷工況點，這種預測結果尤為突出。因此，采用實驗方法考察全環全壓燃燒室出口溫度分布及整體性能參數仍不可或缺。關于微型燃燒室的完整流場及性能分析的文獻較少[10]，大部分文獻主要集中在各類蒸發管的霧化蒸發特性研究方面。南京航空航天大學的姚尚宏等[11]對頭部旋渦蒸發管式直徑6 cm環形燃燒室進行了設計和實驗，考察了頭部旋流對燃燒室性能的影響，燃燒效率達80%。北京航空航天大學的林宇震[12]、朱菁[13]等通過實驗分別對不同形狀的蒸發管霧化性能進行了研究，得到了氣油比與蒸發率之間的關系。

鑒于此,論文針對微型燃氣輪機燃燒室，采用數值分析技術獲得流場結構信息，并采用實驗方法重點考察燃燒室出口溫度場分布。經分析對比，研究結果達到了出口溫度場品質設計要求。

1 研究對象

論文研究的微型燃氣輪機燃燒室是一種直流環型蒸發管燃燒室，其火焰筒結構如圖 1所示。燃燒室采用丙烷點火啟動，達到穩定運行后切換到燃油燃料，燃油經過蒸發管預蒸發后形成氣態燃料和空氣的混合氣，進入燃燒室主燃區燃燒。該種燃料供給系統結構簡單、油泵壓力低，很適合微型燃氣輪機。

圖1 火焰筒結構

火焰筒布置有16個蒸發管，蒸發管之間的距離與火焰筒高度之比接近0.5。火焰筒外環布置有3排主燃孔、1排補燃孔、2排相互錯位的摻混孔,其中第1，2排主燃孔之間間隔分布斜向劈縫。火焰筒內環分布有2排主燃孔、1排補燃孔、1排摻混孔，其中主燃孔之間也間隔分布有斜向劈縫。火焰筒內外壁上還各分布有5排冷卻小孔，其中有兩排交叉分布于主燃孔前。火焰筒最大直徑180 mm，長度150 mm。

2 CFD流場分析

針對該燃燒室進行流場數值分析，根據周期性選用了1/4結構進行建模，建立了包括機匣、進氣擴壓器、火焰筒、燃油管、排氣段在內的計算域。采用GAMBIT對計算域進行網格劃分，通過網格獨立性驗證，最終確定計算網格數為450萬。網格劃分見圖 2。燃燒室設計點主要進口參數壓力451 kPa，溫度500 K。

圖2 網格劃分

2.1 計算模型及控制方程

本文利用 FLUENT 對該燃燒室進行三維數值模擬，采用Realizablek-ε湍流模型、非預混平衡PDF模型、離散相模型等。為了簡化計算，采用簡化的標準壁面函數，周向采用周期性邊界條件等。求解時采用的控制方程如下：

連續性方程：

(1)

動量輸運方程：

(2)

能量輸運方程:

(3)

顆粒運動方程：

(4)

基于混合分數f的平衡PDF模型：

(5)

限于篇幅原因，上式中各變量的意義及取值可參考文獻[14]。

2.2 熱態流場分析

根據設計點參數給出空氣和燃油的邊界條件，其中燃油采用DPM模擬。圖 3為熱態下的燃燒室截面速度分布云圖，分別為蒸發管中心截面和兩個相鄰蒸發管之間的中截面。由圖3可知，在火焰筒頭部第一排主燃孔附近存在較大的低速回流區，有利于高溫氣體駐留，起到穩焰作用。蒸發管內氣流速度較大，平均速度約64 m/s，有利于燃油霧化蒸發。出口速度較均勻，出口平均速度142.7 m/s。

圖3 燃燒室截面速度分布

圖4為燃燒室截面溫度分布云圖。整個蒸發管幾乎都置于高溫氣流中，有利于燃油預熱蒸發，當然也存在高溫燒蝕的風險，但試驗表明蒸發管無明顯燒蝕。在補燃孔后，大部分高溫區被截斷，只有火焰筒中心線位置有部分約1 600 K的高溫氣流。

圖4 燃燒室截面溫度分布

經摻混氣流冷卻后，高溫氣體被有效降溫，出口溫度較均勻，見圖 5。出口內環溫度低，平均溫度為1 039 K；外環溫度較高，平均溫度為1 110 K；高溫區出現在三分之二葉高處，徑向最大平均溫度為1 220 K；出口平均溫度為1 165 K，最高溫度為1 238 K，設計點進口平均溫度500 K。出口溫度分布系數FOTD為0.110，FRTD為0.094，其定義如下：

(6)

(7)

圖5 燃燒室出口截面溫度分布

式中：T指溫度，單位為K。為了保證渦輪壽命，一般要求FOTD<0.3，FRTD<0.1，以上出口溫度分布系數達到設計要求。

另外，根據燃燒出口的CO、CO2、UHC體積濃度得出燃燒室的燃燒效率，其燃燒效率公式如下：

(8)

其中：

式中：ν[CO]、ν[CO2]、ν[UHC]分別為CO、CO2和CH4的單位體積質量濃度，單位為mg/m3；H為各物質低熱值；E為各物質的體積分數。由此，CFD得到的燃燒效率為99.9%。

圖6為火焰筒內的余氣系數沿軸向分布。從蒸發管出口開始統計，分別考察了主燃孔、補燃孔、摻混孔及與之對應的壁面小孔各部分的空氣流量分布。經分析，蒸發管內的余氣系數為0.218，主燃孔的余氣系數為1.206，補燃孔的余氣系數為0.721，摻混孔的余氣系數為1.568，整個火焰筒的余氣系數為3.96。

圖6 余氣系數沿軸向分布

3 燃燒室試驗分析

3.1 試驗臺簡介

燃燒室試驗臺整體結構如圖7所示，其結構主要包括導流段、實驗段和排氣段。導流段的主要作用是引導燃燒室進口氣流，并合理布置測量裝置及線路，使其滿足測量要求。實驗段的主要作用是按整機結構要求布置燃燒室，使其符合實際工作條件。排氣段的主要作用是引導高溫燃氣。

圖7 試驗臺系統示意圖

本試驗重點考察出口溫度分布特性，其溫度和壓力采用位移機構進行180°旋轉測量，在旋轉的轉盤上分別安裝2個熱電偶耙和2個壓力耙，保證全環出口參數測量。所測壓力、溫度及流量等參數采用計算機數據采集系統進行處理。燃燒產物采用1支采樣耙子和德國MRU煙氣分析儀進行現場處理，由煙氣分析儀獲得出口產物濃度和式(8)分析得出燃燒效率。

3.2 試驗結果及分析

燃燒室分別進行了丙烷點火、設計點兩個狀態試驗，主要對比分析設計點的出口溫度分布特性試驗結果與CFD結果之間的差別。

燃燒室點火狀態的壓力可近似為常壓，為了考核燃燒室丙烷點火性能，首先進行開放空間點火性能實驗，直接觀察燃燒狀態，確定穩定點火范圍，如表1所示。點火成功后的燃燒室出口火焰如圖 8 ，火焰較短，呈現藍色。

表1 穩定點火范圍

圖8 點火狀態出口火焰

為了獲得燃燒室設計點工作特性CFD與試驗結果的對比，試驗時進口參數與CFD保持一致。旋轉測量位移機構進行180°測量，工作時間約9 min，以此得到出口溫度場分布、出口產物濃度平均值和壓力均值。采用公式(8)分析其試驗時的燃燒效率，其設計點效率達到99.6%。另外，壓力損失為4.3%。蒸發管無明顯燒蝕，見圖9。

圖9 試驗后的火焰筒照片

3.3 CFD 和試驗出口溫度場對比

采用CFD得到的出口溫度場是一個平均化結果。而試驗件由于加工誤差必然會存在噴嘴流量和空氣量的差異，造成溫度場的不均勻。為了便于和數值計算結果對比，把試驗得到的燃燒室出口環形溫度分布平均到90°扇形區間內，得到如圖10的出口溫度分布。其中4個高溫孤島與4個蒸發管有關，另外與周向固定程序的測量步長較大等因素有關。對比圖10和圖5，CFD結果與試驗平均結果十分相似，高溫區主要集中在三分之二葉高處，FOTD為0.102，FRTD為0.067。相對CFD結果，試驗獲得的FRTD較小，其主要原因是出口溫度測溫耙子不能有效獲得內外環近壁面處的低溫氣流溫度，因此FRTD較為平坦。

圖10 出口90°扇形區間平均溫度分布云圖

將CFD與試驗平均得到的FRTD沿葉高方向分布繪制于圖 11中，二者分布趨勢一致：內環溫度略低于外環溫度，沿葉高方向呈現先增后減的趨勢。

圖11 燃燒室出口FRTD對比

4 結論

論文展示的CFD結果是經過多輪優化后的結果，并以此進行了燃燒室加工和試驗。從CFD與試驗結果對比而言，CFD方法有效提高了燃燒室設計的工作效率，為發動機設計工作提供了重要支持。通過對燃燒室出口溫度場進行分析，得出以下結論：

1) CFD方法獲取燃燒室流場特征和出口溫度場分布特性是可行的。數值模擬和試驗所得燃燒室出口溫度無論是分布云圖還是溫度分布系數均吻合較好。

2) 設計的燃燒室燃燒效率高、壓力損失小，結構可行。但小發動機的燃油總管油量分配均勻性對出口溫度分布影響較大，需進一步提高燃油總管的加工質量。

3) 采用沿周向平均方法統計出口溫度試驗數據，降低了高溫點數值，會低估FOTD統計結果，在進一步的工作中需尋求更合適的方法進行分析。另外，在出口安裝條件允許的情況下，適當提高測點密度，有利于提高試驗精度。