進氣徑向畸變對燃燒室性能影響研究與預測

張 軻 ，石云姣 ，姚建朋 ，羅紹文 ，趙寧波 ，楊 仁

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 10015；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

燃燒室進行相關設計、性能優化和試驗調試大多數在均勻進、出口條件下開展[1-3]。但在實際情況下，由于壓氣機的存在，使得燃燒室進、出口邊界為非均勻條件。因此，探究進氣畸變對燃燒室性能影響對部件間的氣動性能匹配以及優化設計具有重要意義。

國內外學者針對進氣畸變對燃燒室性能影響開展了大量研究。Donald 等[4]研究表明，進氣畸變導致燃燒室總壓損失增大，且周向速度畸變對出口溫度分布影響更為敏感；Clarke 等[5]發現非均勻流場下內外環氣流通道速度發生變化，火焰筒出現局部高溫且出口溫度場分布惡化；Barker 等[6]和Sanal等[7]發現，氣流存在畸變情況下擴壓器內的壓力顯著升高，其每條流線的路徑主要受上游葉片提供的入口條件影響；Scbultz 等[8]針對短環形燃燒室的試驗表明，徑向速度畸變對燃燒室出口徑向溫度分布無影響，但使總壓損失增加約2%；Humenik 等[9]針對渦噴燃燒室開展的試驗表明，在進口馬赫數為0.241 和溫比2.5 條件下，上出峰和下出峰徑向速度畸變使總壓損失增加0.72%和1.61%，徑向速度畸變對燃燒室出口溫度分布規律沒有明顯影響；孔令晗等[10]發現非均勻進口惡化了流場的對稱性，空氣與燃料摻混效果變差，導致燃燒效率降低；顧銘企[11]分別針對直流和環管燃燒室開展的的試驗研究表明，徑向畸變對直流燃燒室燒室出口溫度場分布不均勻系數（Outlet Temperature Distribution Factor，OTDF）基本無影響，周向畸變使出口徑向溫度最大值由距葉根70%處移至50%處；楊銳[12]針對全直流燃燒室試驗發現，進口速度畸變通過影響燃燒室內空氣分配比例影響燃燒效率，此外，進口流場畸變會使徑向溫度分布剖面形狀發生變化；吳鵬龍[13]研究發現，進口速度畸變對火焰筒頭部溫度分布影響較小，對燃燒室出口溫度品質惡化，使燒室出口溫度場徑向分布不均勻系數（Radial Temperature Distribution Factor，RTDF）嚴重惡化；梁志鵬等[14]研究發現，進口徑向和周向畸變使OTDF 顯著提高，徑向和周向畸變使出口截面上部產生周期性鋸齒狀溫度波動；王梅娟等[15]針對回流燃燒室的研究表明，導向葉片偏轉使主燃孔和摻混孔進氣存在偏轉角度，隨著偏轉角度的加大，燃燒室總壓損失系數減小，出口周向溫度分布不均勻度降低。

雖然國內外學者對燃燒室進口畸變問題開展了大量研究，但是研究結論隨著不同燃燒構型有所差異，尚未提出一種燃燒室部件特性預測模型。本文重點研究不同工況下燃燒室進口速度畸變的不均勻程度和畸變流型對空氣配比、燃燒效率、總壓損失和出口溫度均勻性的影響，并提出一種適用于燃燒室進口徑向畸變條件下的燃燒室性能預測模型。

1 物理模型與數值模擬方法

1.1 物理模型與網格劃分

環形燃燒室的單頭部燃燒室結構如圖1 所示。該燃燒室主要由燃燒室機匣、擴壓器、帽罩、斜切徑向旋流器、火焰筒以及火焰筒上的若干孔等組成。

根據上述燃燒室的結構特點，采用非結構化網格對計算域進行劃分，為提高計算精度，對頭部冷卻孔和壁面冷卻孔進行加密處理，如圖2 所示，最大網格尺寸為0.5 mm。此外，為確定出滿足獨立性要求的網格數量，不同網格數量下燃燒室出口平均溫度、總壓損失以及燃燒效率等典型特征參數的變化規律見表1。從表中可見，當網格數量從505 萬增加到539萬時，上述參數的變化率分別為0.39%、0.36%、0.08%，均小于1%，此時可認為該網格數達到了獨立性要求。因此，后續采用539 萬網格數進行相關數值模擬。

表1 網格無關性驗證

圖2 冷卻孔網格加密

1.2 數值模擬方法與邊界條件

考慮燃燒室內復雜的兩相旋流燃燒過程，采用商業軟件對該燃燒室進行數值模擬，其中分別選擇Realizable k-ε 湍流模型和DPM（Discrete Phase Mode）離散相模型，近壁面采用標準壁面函數，忽略輻射的影響，燃燒模型選擇EDC（Eddy Dissipation Concept）模型，采用7組分5步反應C16H29反應機理[16]。差分格式為2 階迎風格式，速度和壓力修正采用Coupled 算法。在進行模擬時，空氣進口邊界為質量流量入口，燃燒室出口邊界為壓力出口，壁面為絕熱、速度無滑移邊界條件。其中，設計工況下進氣壓力設為1.3 MPa，進氣溫度為682 K，進口空氣流量和燃油流量分別為1.382、0.03 kg/s。

燃燒室進口速度徑向畸變類型如圖3 所示。其中Y表示燃燒室進口徑向高度，燃燒室沿進口環面周向方向速度分布均勻。本文在燃燒室進口發生不同畸變度和峰值位置的徑向畸變開展了對燃燒流場和燃燒室特性的影響規律研究。擬合樣本為建立不同進氣模式下燃燒室性能預測模型的擬合組，校核樣本為驗證建立的燃燒室性能預測模型的驗證組，以驗證建立的預測模型的準確性。

圖3 燃燒室進口速度徑向畸變類型

1.3 模型驗證

為驗證本文所選數值模型的可靠性，分別選擇文獻[17-18]中的燃燒室進行對比分析。其中，在相同工況條件下Realizablek-ε湍流數值模擬與PIV 試驗測量流線[17]的對比結果如圖4 所示，EDC 燃燒模型數值模擬與試驗測量出口徑向溫度[18]的對比結果如圖5所示。從圖中可見，上述模型能夠較好模擬得到燃燒室內的流線、回流區（位置、尺寸、形狀）、出口溫度場等典型特征，并且與試驗結果的吻合較好（最大相對誤差為7%），驗證了所選湍流燃燒模型的準確性。

圖4 燃燒室中截面流線對比

圖5 出口徑向溫度分布

2 部件特性修正方法

在理論分析前提下，采用數值模擬代替試驗的方法開展特性修正方法研究，主要包括：

（1）模擬燃燒室在部件試驗環境（均勻進氣和無渦輪導葉）和整機試驗環境（考慮進氣流場畸變和渦輪導葉）下典型工況性能分析，得到燃燒室的部件特性參數（燃燒效率和總壓損失系數等）；

（2）對比燃燒室在部件試驗和整機試驗環境下的燃燒室性能，得到整機試驗環境下燃燒室特性的修正因子和預測模型；

（3）利用在部件試驗和整機試驗環境的試驗數據，對修正因子和預測模型驗證和再修正。

修正模型建立方法如下：

采用數值模擬方法，分別對燃燒室在均勻來流的設計點（des）和典型工況（uni）和在畸變來流條件（non）的燃燒室性能開展數值模擬研究，得到燃燒效率和總壓損失(ηdes,σdes)CFD、(ηuni,σuni)CFD、(ηnon,σnon)CFD。

根據設計點和典型工況下的燃燒效率與總壓損失可以得到燃燒室在典型工況下的高精度燃燒性能預測模型f1

基于設計點、典型工況、畸變來流條件下的燃燒效率與總壓損失結合式（1）得到在整機試驗條件下燃燒室性能修正因子α1

3 結果分析與討論

3.1 在設計工況下燃燒室進口徑向畸變

在設計工況下不同進氣模式下的燃燒室中截面速度分布如圖6 所示。從圖中可見，進氣模式的變化主要對擴壓器和機匣前半部分的流動影響較大，主燃孔穿深略有區別，回流區結構沒有發生明顯改變。隨著進口畸變最大速度從170 m/s 增大至180 m/s，速度畸變效應傳遞越遠。

圖6 不同進氣模式下的燃燒室中截面速度分布

不同進氣模式下的燃燒室中截面溫度分布如圖7 所示。從圖中可見，燃燒室外側回流區空氣量較少以及大部分燃油在此蒸發與裂解，導致主燃區除外側回流區都具有很高的溫度；由于流線輸運軌跡和中心回流區結構的差異，不同畸變形式下主燃區溫度分布有所差異。當畸變類型為外出峰時，外側回流區被擠壓尺寸縮小且加上部分主燃孔射流空氣的進入，高溫區向外側移動且內側回流區溫度下降；而當畸變類型為內出峰時，部分主燃孔射流空氣進入內側回流區強化摻混并參與燃燒，導致內側回流區燃燒充分，溫度較高。

圖7 不同進氣模式下的燃燒室中截面溫度分布

3.2 典型工況下燃燒室進口徑向畸變

在了解徑向畸變對燃燒室在設計工況下流動與燃燒特性影響的基礎上，本節主要在典型工況下研究進氣速度不均勻對燃燒室特性的影響。描述進氣不均勻現象的性能指標主要包括進口速度不均勻度和速度偏移位置。

進口徑向速度不均勻度X（偏移振幅）為

式中：Vmax為徑向速度最大值，m/s；Vavg為徑向速度平均值，m/s。

進口徑向速度偏移位置Y（偏移形式）為

式中：H為燃燒室進口高度；ymid為燃燒室進口徑向高度一半的位置。

在不同進氣條件下的徑向速度不均勻度x和最大徑向速度的偏移位置y如圖8 所示。其中1.0、0.8、0.5 和0.3 分別為燃燒室對應的不同工況，表示燃燒室在不同負荷下的工作條件。

圖8 不同進氣畸變條件下的不均勻度和偏移位置

燃氣輪機在不同運行工況下，進氣徑向畸變對燃燒室空氣分配比例的影響如圖9 所示。其中，壓氣機出口空氣分別通過燃燒室頭部、主燃孔、冷卻孔和摻混孔流入燃燒室中，分別參與燃料燃燒、壁面冷卻和摻混過程。相對于均勻進氣條件（各部分空氣占比為1）：進氣速度徑向畸變使火焰筒內空氣分配比例發生變化，但變化幅度不大。其中，進氣畸變使頭部空氣占比增大（<5%），使主燃孔（<1%）、冷卻孔和摻混孔空氣占比降低（<3%）在相同進氣畸變情況下，燃燒室工況對空氣分配影響不大。在相同條件下，中出峰畸變對空氣分配比例的影響最大，并且不均勻程度越大時，空氣分配比例變化幅度也越大。

圖9 進氣徑向畸變對燃燒室空氣分配比例的影響

燃氣輪機在不同運行工況下，進氣徑向畸變對燃燒效率和總壓損失的影響如圖10 所示。從圖中可見，進氣速度徑向畸變對燃燒效率和總壓損失有影響，但影響程度不同。燃燒室工況對進氣速度畸變所導致燃燒效率和總壓損失的影響很小，進氣速度畸變對燃燒效率的影響很小，進氣速度畸變使總壓損失增加，其影響程度（其增加幅度范圍為2%～15%）與進氣不均勻度和畸變類型相關。不均勻程度越大時，總壓損失增量越大；當最大速度位置由擴壓器上側（上-L）向下側（下-L）偏移時，總壓損失增量首先緩慢增加至中出峰（中），然后快速增加至下出峰（下），最后又降低至極限下出峰（下-L）；向上和向下極限偏移（上-L和下-L）時，總壓損失增量幾乎相同。

圖10 進氣徑向畸變對燃燒效率和總壓損失的影響

燃氣輪機在不同運行工況下，進氣徑向畸變對燃燒室出口OTDF的影響如圖11所示。從圖中可見，進氣速度徑向畸變對燃燒室出口OTDF的影響規律復雜（增加或減少），其影響程度與不均勻程度、畸變形式和燃燒室工況密切相關，變化范圍為-30%~20%。

圖11 進氣徑向畸變對燃燒室出口OTDF的影響

3.3 燃燒室部件特性預測模型

下面討論進口速度徑向畸變對總壓損失系數的修正模型。擬合樣本包括4種工況（1.0，0.8，0.5和0.3工況）7 種徑向畸變形式，共計28 個樣本數據。校核樣本包括4 個工況8 種徑向畸變形式，共計32 個樣本數據。根據前文所述的部件特性修正方法，并基于圖10 中數據，開展直流燃燒室進口速度徑向畸變對總壓損失系數的修正模型研究。建立了修正模型

模型中的輸入參數為燃燒室進口速度的徑向不均勻度x，最大徑向速度對應的徑向偏移位置y，均勻進氣條件下的燃燒效率ηuni和總壓損失系數σuni。輸出參數為燃燒效率修正因子α1η和總壓損失修正因子α1σ，進氣畸變條件下的燃燒效率ηnon和總壓損失系數σnon。

為了驗證所建立的預測模型的準確性，燃燒室進口速度徑向畸變的燃燒效率和總壓損失系數預測結果與數值模擬結果對比如圖12、13 所示，以驗證模型的準確性和精度。圖中分別為針對擬合樣本（28 個樣本）和校核樣本（32 個樣本）得到的模型準確性。在進口速度徑向畸變下燃燒效率修正因子的最大誤差為1.45%，總壓損失系數修正因子的最大誤差為3.43%。預測模型結果較為準確。

圖12 燃燒效率預測結果與數值模擬結果對比

圖13 總壓損失預測結果與數值模擬結果對比

4 結論

（1）進氣速度徑向畸變位置與畸變強度對擴壓器內和機匣前段影響較大，主燃孔穿深有所差異，燃燒室空氣分配比例改變，隨著畸變度的增加，畸變傳遞效應越強。

（2）燃燒室工況對進氣速度畸變所導致燃燒效率和總壓損失的影響很小，但是畸變模式和畸變程度會顯著影響到燃燒室的總壓損失，隨著進口最大速度位置下移，總壓損失先增大后減小。

（3）進氣速度徑向畸變對燃燒室出口OTDF 的影響規律較為復雜，其影響程度與不均勻程度、畸變形式和燃燒室工況密切相關，變化范圍為-30%～20%。

（4）基于進氣速度徑向畸變條件提出燃燒室部件特性預測模型，經驗證，該模型預測燃燒效率的誤差為1.45%，預測總壓損失的誤差為3.43%。