航空發動機折流燃燒室火焰筒構型設計方法研究

孟繁睿，雷雨冰

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

折流燃燒室充分利用了小型發動機的高轉速，具有燃油霧化質量優良的特點，廣泛用于高空無人偵察機、無人靶機、直升機、巡航導彈等的發動機上[1]。國外采用折流燃燒室的航空發動機主要有美國特里達因公司的J69系列、J402系列和法國透博梅卡公司的阿赫耶系列等，國內主要有WZ6、WZ8、WJ9和WP12等。

許多學者對折流燃燒室進行了研究。RAZINSKY E[2]統計了J402-CA-702發動機的折流燃燒室在不同飛行馬赫數和不同飛行高度條件下燃燒效率和氣動組合參數的試驗數據。HUEBNER S等[3]統計多種類型折流燃燒室燃燒效率與駐留時間的試驗結果，發現當折流燃燒室駐留時間<5 ms時，燃燒效率急劇下降。曾川等[4-5]研究了微型渦噴發動機離心甩油折流燃燒室的氣動熱力學參數和幾何參數的設計，并通過試驗驗證了設計參數的合理性。孫志杰[6]對折流燃燒室構型設計方法進行了初步總結，形成了直線段相連的折流燃燒室簡化構型。

目前，折流燃燒室公開的設計資料較少，本文總結并提煉了折流燃燒室火焰筒構型設計方法，并進行了初步設計，然后通過一維計算和三維計算驗證設計結果的合理性。

1 設計方法

在折流燃燒室設計過程中首先要給定燃燒室設計要求參數，包括燃燒室的設計點參數、尺寸限制參數、設計點性能要求參數等，然后根據這些參數進行折流燃燒室的設計。

1.1 總體尺寸設計

總體尺寸設計指的是設計計算燃燒室的總體徑向尺寸和軸向尺寸，具體包括機匣和火焰筒的徑向尺寸、火焰筒主燃區和摻混區等部分的軸向長度。本文根據圖1所示的折流燃燒室簡化構型設計折流燃燒室的總體尺寸。

圖1 折流燃燒室簡化構型示意圖

首先計算折流燃燒室機匣最大橫截面面積Aref，可以通過燃燒效率計算方法和壓力損失計算方法兩種方式得到，實際的機匣最大橫截面面積取兩種方法計算結果的最大值，但不能超過燃燒室尺寸限制。

由于燃燒效率ηB與氣動組合系數θ相關，氣動組合系數θ與機匣最大橫截面面積Aref相關，所以可以由燃燒效率求得氣動組合參數，進而可以求得機匣最大橫截面面積，如式(1)-式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：Pt3為燃燒室進口總壓；Tt3為燃燒室進口總溫；W3為燃燒室進口流量；Dref為燃燒室進口外徑；b與燃燒室總余氣系數相關，當總余氣系數<5.38時，b=300，否則，b=150；ai(i=0，1，2)為擬合曲線系數，其值見表1。

表1 式(2)的系數取值

通過壓力損失計算燃燒室機匣最大橫截面面積的方法如式(4)-式(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中：ξB是流阻系數；R為空氣的氣體常數，為287.0 J/(kg·K)；σB為燃燒室總壓恢復系數。由于流阻系數與機匣橫截面面積相關，設計時首先將流阻系數取一個初始值，反復迭代計算機匣橫截面面積。

求得機匣最大橫截面面積Aref后，根據外徑等于燃燒室進口外徑計算機匣的內徑。

對于圖1的折流燃燒室簡化構型圖，取兩個重要的火焰筒截面計算火焰筒徑向尺寸，分別是EI'截面和EI截面。兩個火焰筒截面外徑相同，面積取機匣橫截面面積的一定比例，如式(7)和式(8)所示，比例系數的取值范圍如表2所示。得到兩個火焰筒截面的面積后，計算兩個火焰筒截面的內外徑D1和d1。

表2 比例系數的取值范圍

AEI'=K1Aref

(7)

AEI=K2Aref

(8)

對于折流燃燒室，燃氣駐留時間t一般為5 ms～10 ms[2]，選定燃氣駐留時間t，計算火焰筒的軸向長度，計算方法如式(9)所示。

(9)

折流燃燒室火焰筒軸向長度分為主燃區軸向長度L2和摻混區軸向長度L3。主燃區軸向長度與摻混區軸向長度的比值范圍為0.75～0.85，同時燃燒室進口與火焰筒前端的軸向距離L1與燃燒段軸向長度L2的比值范圍為2～3，AH段的軸向長度與燃燒段軸向長度的比值范圍為0.45～0.55。

1.2 火焰筒具體構型設計

確定了折流燃燒室簡化構型的總體尺寸后，針對折流燃燒室簡化構型，設計折流燃燒室構型中的角度與相對長度。

對于圖1所示的折流燃燒室簡化構型，火焰筒內壁面已知I點坐標，I點為圓弧的最高點，確定圓弧尺寸(半徑范圍為5 mm～10 mm)，然后根據α2(范圍為70°～80°)和HI與圓弧相切這兩個關系，確定H點坐標，根據壁面構型角度α3(范圍為50°～80°)和α4(范圍為10°～20°)確定J點坐標，這樣就確定了折流燃燒室簡化構型的火焰筒內壁面(HIJK段)構型。

根據AH軸向長度確定A點坐標，按照α2略大于α1(兩者之差范圍為0°～10°)確定B點的坐標，這樣就確定了折流燃燒室簡化構型的前壁面(AB段)壁面構型。

對于折流燃燒室簡化構型的火焰筒外壁面(BCDEFG段)，BC段為垂直軸線的直線段，根據BC段徑向高度約為前壁面AB段徑向高度的1/5確定C點坐標。為減小火焰筒內氣流轉折段外側的氣流轉折角，D點的徑向高度一般低于F點，外壁面直線段DEF與發動機軸線夾角α5的范圍為0°～20°。不需要確定折流燃燒室簡化構型的火焰筒外壁面中的D點和F點坐標。

這樣就得到了折流燃燒室簡化構型中的A、B、C、E、H、I、J點的坐標。為了提高火焰筒的氣動性能，減小損失，將簡化構型中的火焰筒部分直線段壁面變為曲線段壁面，得到折流燃燒室最終的火焰筒構型，如圖2所示。兩種構型的區別為：圖2(a)的火焰筒內外壁面完全由曲線段構成，圖2(b)的火焰筒內外壁面由曲線段和直線段構成。

圖2 折流燃燒室最終設計構型示意圖

折流燃燒室火焰筒簡化構型至火焰筒最終構型的變化過程如下：

火焰筒前壁面AB段構型與簡化構型相同，為傾斜直線段。

火焰筒外壁面中，BC段構型與簡化構型相同，CDE段的圓弧與BC段在C點相切，火焰筒外壁面CE段的前段為圓弧段，向火焰筒外側凸出，除了使氣流轉彎，還有建立火焰筒外壁面附近回流區的作用。兩種火焰筒構型的外壁面設計方法如下。

對于圖2(a)的折流燃燒室火焰筒外壁面構型，CDEFG段為多段圓弧，G點的切線方向與發動機軸向夾角一般為30°～50°。通過C點、E點和G點的坐標以及C點和G點切線方向等關系確定外壁面構型。

對于圖2(b)的折流燃燒室火焰筒外壁面構型，構型為圓弧-直線-圓弧構型。指定外壁面G點的切線方向(與發動機軸向夾角約為50°～80°)，兩段圓弧的設計方法類似，均已知圓弧兩端的切線和一個切點的坐標進行壁面構型設計。

對于圖2(a)的折流燃燒室火焰筒內壁面構型，HI段為圓弧段，有建立火焰筒內甩油盤外側回流區的作用，與IJ段在內壁面I點通過一個小圓弧連接，小圓弧的半徑與折流燃燒室簡化構型的內壁面I點處圓弧半徑相同。內壁面IJ段與小圓弧相切，并與收斂段JK在J點相切，所以J點的切線方向與發動機軸向平行，收斂段JK段為一段圓弧。

圖2(b)的折流燃燒室火焰筒內壁面HI段構型與圖2(a)相同，IJK段與簡化構型的區別為：圖2(b)的火焰筒內壁面IJK段構型在J點處倒圓。

2 設計結果與計算分析

2.1 初步設計結果

對某型折流燃燒室進行初步設計，其部分設計要求參數如表3所示，折流燃燒室初步設計結果的二維構型如圖3(a)所示，三維構型結果如圖3(b)所示。火焰筒前壁面分布了一排主燃孔，外壁面周向均勻分布了20個進氣斗，進氣斗的上游分布了一排主燃孔，下游分布了一排摻混孔，內壁面徑向最高點處周向均勻分布一排大孔，該大孔的上游分布了兩排主燃孔，下游分布了兩排摻混孔，采用簡單平直孔的方式進行冷卻。

表3 折流燃燒室設計要求參數

圖3 折流燃燒室初步設計結果

2.2 一維流量分配計算結果

得到折流燃燒室初步設計結果后，采用流體網絡法[7]進行一維流量分配計算。這種方法首先將實際流動轉化為由節點和單元組成的流動網絡，然后在流動網絡的節點處使用流量連續方程，根據兩節點之間單元的壓降計算該單元的流量。在此基礎上，基于壓力修正的方法對流場的參數如壓力、密度和體積流量等進行修正，不斷地迭代直到滿足收斂精度。

一維流量分配計算的結果如表4所示，相對偏差的定義如式(10)所示。流量分配結果基本吻合，相對偏差在5%以內。

表4 折流燃燒室一維計算流量分配結果 單位：%

(10)

2.3 三維流場計算結果

對該折流燃燒室進行建模和網格劃分，采用該燃燒室的1/20扇形區域作為周期性計算域，劃分非結構網格，網格數量為525萬，采用FLUENT軟件進行數值模擬計算，燃燒室進口采用流量進口邊界，燃燒室出口采用自由流出邊界，湍流模型采用標準k-ε模型，燃燒模型采用有限速率/渦耗散模型。將修改開孔后的三維計算流量分配結果與初步設計結果流量分配結果和修改開孔后的一維計算流量分配結果進行對比，如表5所示，三維計算的流量分配結果與初步設計和一維計算的流量分配結果相吻合。

表5 折流燃燒室三維計算流量分配結果 單位：%

折流燃燒室不同截面的速度流場如圖4所示?；鹧嫱矁?，由于甩油盤和火焰筒前壁面與內壁面射流的共同作用，在甩油盤外側產生了兩個方向相反的回流區，另外在外壁面主燃孔附近由于射流孔的作用，也形成了一個回流區。

圖4 不同截面的速度分布

射流孔截面的流程結果如圖5所示。在甩油盤外側附近，余氣系數很小，隨著主流的流動，沿程的余氣系數逐漸升高，在一定的位置油氣比達到了化學反應恰當比，化學反應速率較高的區域與油氣的化學反應恰當比區域基本重合。根據溫度云圖，火焰筒內、射流孔附近的溫度較低，尤其是火焰筒前壁面與外壁交匯處附近甚至在1000 K以下，燃氣最高溫度約為2400 K，高溫區域主要集中在進氣斗上游，甩油盤外側的溫度約為1500 K。這是因為一方面是此處油氣比過高，不利于燃燒，另一方面也是由于液態燃油蒸發吸熱，降低了此處的溫度。氧氣作為燃燒反應參與物，與二氧化碳的分布規律相反，燃燒區域消耗氧氣，生產二氧化碳，并由于擴散作用，使非燃燒區域的氧氣濃度下降，二氧化碳濃度上升。

圖5 射流孔截面的流場結果

根據后處理計算得到，該折流燃燒室的燃燒效率為0.987，總壓恢復系數為0.962，滿足設計要求參數。

3 結語

本文提煉整理折流燃燒室火焰筒的構型設計方法，按照總體尺寸設計和具體構型設計的步驟進行。然后對初步設計結果依次采用流體網絡法進行一維流量分配計算和采用FLUENT軟件三維流場計算，根據計算結果，初步設計的回流燃燒室滿足初步設計的流量分配結果，相對偏差在5%以內，燃燒效率為98.7%，總壓恢復系數為96.2%，滿足設計要求。