燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室網(wǎng)絡(luò)式流量分配設(shè)計(jì)

吳晶峰，周燕佩

（中國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定中心，北京　100102）

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室網(wǎng)絡(luò)式流量分配設(shè)計(jì)

吳晶峰，周燕佩

（中國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定中心，北京100102）

采用一維網(wǎng)絡(luò)式方法對(duì)某型燃燒室進(jìn)行流量分配設(shè)計(jì)，并作三維數(shù)值模擬驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)式方法將燃燒室分割為若干個(gè)獨(dú)立的單元，各單元互相關(guān)聯(lián)構(gòu)成整體網(wǎng)絡(luò)。整體網(wǎng)絡(luò)通過(guò)壓力關(guān)系式求解，得到各元件壓力損失、質(zhì)量流量等性能參數(shù)。對(duì)某型燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化建模并作優(yōu)化設(shè)計(jì)，目標(biāo)包括：①各排主燃孔及氣膜冷卻孔流量分配；②燃燒室進(jìn)出口壓降4.2%。對(duì)優(yōu)化后的燃燒室結(jié)構(gòu)作三維數(shù)值模擬并與一維網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果顯示：二者吻合很好，各排孔的流量分配以及燃燒室總壓損失目標(biāo)均實(shí)現(xiàn)良好，顯示一維網(wǎng)絡(luò)方法在燃燒室復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的精確性和可靠性。

燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒室；一維網(wǎng)絡(luò)；流量分配；燃燒

燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)三大部件之一，對(duì)于燃機(jī)的性能、成本和安全性都有重要影響。燃燒室結(jié)構(gòu)及部件的設(shè)計(jì)手段包括經(jīng)驗(yàn)公式[1]、實(shí)驗(yàn)方法[2-3]和數(shù)值模擬方法等[4-10]。與實(shí)驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬方法具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性和易重復(fù)迭代等特性，計(jì)算精度也在逐步提高；當(dāng)然，在現(xiàn)階段的燃燒室設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試仍然是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

影響燃燒室性能的因素包括燃燒室類(lèi)型、燃燒組織方式、空氣流量分配、當(dāng)量比分布、有效面積、火焰停留時(shí)間等[11]。上述因素中，空氣流量分配影響到燃燒區(qū)域、當(dāng)量比分布以及火焰停留時(shí)間等，有效面積則與燃燒室總壓降相關(guān)，影響下游渦輪進(jìn)口條件，對(duì)燃燒室性能及透平性能有著直接的影響。因此，本文選取空氣流量分配以及燃燒室總壓降這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

對(duì)于空氣流量分配，擴(kuò)散形式燃燒室和預(yù)混形式燃燒室有著本質(zhì)的差別，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究并得出一系列經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，如Sawyer[12]和Saravanamuttoo等[13]定義了擴(kuò)散形式燃燒室中主燃區(qū)、二次區(qū)和摻混區(qū)的空氣流量；Gauthier[14]定義了預(yù)混型燃燒室中通過(guò)旋流器和射流孔進(jìn)入主燃區(qū)的空氣流量，以及通過(guò)摻混孔的空氣氣量。對(duì)具有多排主燃孔和氣膜冷卻孔的燃燒室結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，數(shù)十排孔的空氣流量（即開(kāi)孔面積）很難同時(shí)精確控制，同時(shí)，開(kāi)孔面積又與總壓降息息相關(guān)，需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往需要多次循環(huán)迭代才能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。三維數(shù)值模擬方法盡管計(jì)算速度較快，但是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)仍存在著建模繁瑣、計(jì)算規(guī)模較大的缺點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)方法盡管精確，卻更是無(wú)法承受多次的反復(fù)迭代。基于上述背景，本文開(kāi)展了一維網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)燃燒室流量進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。

一維網(wǎng)絡(luò)方法，通過(guò)編寫(xiě)程序或商業(yè)軟件架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一維網(wǎng)絡(luò)方法的基本原理如下[15]：將復(fù)雜燃燒室結(jié)構(gòu)的三維流動(dòng)求解簡(jiǎn)化為一維求解，將燃燒室分割為若干個(gè)獨(dú)立的元件，元件模型中輸入幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，各元件互相關(guān)聯(lián)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)壓力關(guān)系式求解，得到各元件的壓力損失、質(zhì)量流量等氣動(dòng)性能參數(shù)；通過(guò)化學(xué)平衡方法和摻混、回流模型模擬燃燒室內(nèi)燃燒效應(yīng)；一維網(wǎng)絡(luò)中各元件的控制方程為半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系式，包含一系列經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；在一維網(wǎng)絡(luò)中引入傳熱模型，計(jì)算熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射等效應(yīng)；采用一維網(wǎng)絡(luò)方法，結(jié)合傳統(tǒng)一維設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，有望進(jìn)一步縮短燃燒室主體及部件的設(shè)計(jì)周期，減少燃燒室流量實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高設(shè)計(jì)精度及可靠性。

1　一維網(wǎng)絡(luò)基本元件

一維網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算有3種方法，分別是節(jié)點(diǎn)法、回路求解法和單元法[15]，3種方法各有優(yōu)劣，本文屬于第一種節(jié)點(diǎn)法，基于壓力-流量關(guān)系求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)及各元件壓力、流量、流速、密度等參數(shù)的精確計(jì)算。一維網(wǎng)絡(luò)模型的基本單元如圖1所示，基本要素為單元和節(jié)點(diǎn)。其中，單元代表所模擬的各部件結(jié)構(gòu)或物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，節(jié)點(diǎn)連接各獨(dú)立單元，獨(dú)立單元內(nèi)部流動(dòng)采用半經(jīng)驗(yàn)控制方程計(jì)算，單元之間的數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

圖1　一維網(wǎng)絡(luò)基本單元Fig.1　Basic elements of 1-D network

一維網(wǎng)絡(luò)建模采用Flowmaster軟件，包含各類(lèi)元件模型。文中使用的部分元件模型包括：

1）源項(xiàng)模型用于燃燒室進(jìn)、出口的邊界封閉，根據(jù)邊界條件不同，分為流量源邊界或壓力源邊界。

2）通道模型用于燃燒室中各種定截面或變截面流動(dòng)通道，包括噴嘴內(nèi)部管道流動(dòng)、火焰筒流道等；

3）過(guò)渡模型分為突變模型和漸變模型，分別用于模擬面積發(fā)生突然擴(kuò)張（收縮）或者漸變擴(kuò)張（收縮）的流動(dòng)特征；

4）損失模型 用于模擬流動(dòng)通道中限流器類(lèi)型結(jié)構(gòu)，包括旋流器、主燃孔、摻混孔、氣膜孔等，同時(shí)還可作為通道模型損失模擬的補(bǔ)充元件；

5）流體修正模型用于模擬燃燒效應(yīng)，可輸入工質(zhì)成分以及自定義輸出工質(zhì)組分，模擬燃燒后的升溫效應(yīng)以及燃燒及流動(dòng)過(guò)程的總壓損失效應(yīng)。

在一維網(wǎng)絡(luò)中，關(guān)鍵參數(shù)包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)。其中，結(jié)構(gòu)參數(shù)由燃燒室具體結(jié)構(gòu)尺寸決定，性能參數(shù)則包括損失模型的流量系數(shù)和通道模型的阻尼系數(shù)等，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者參考數(shù)據(jù)確定。

2　燃燒室結(jié)構(gòu)及建模

2.1燃燒室結(jié)構(gòu)

本文研究的對(duì)象為某擴(kuò)散形式燃燒室，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該燃燒室為典型的逆流式燃燒室結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)流襯套、火焰筒、燃料噴嘴、空氣旋流器、配氣蓋板、過(guò)渡錐頂?shù)?，火焰筒具?排主燃孔、20排氣膜冷卻孔，導(dǎo)流襯套空氣進(jìn)口處6排沖擊冷卻孔。

圖2　燃燒室結(jié)構(gòu)Fig.2　Combustor structure

空氣由導(dǎo)流襯套進(jìn)口截面流入，逆流至燃燒室頭部，途經(jīng)氣膜冷卻孔和3排主燃孔，進(jìn)入頭部后分為兩股，一股由配氣蓋板經(jīng)過(guò)渡錐頂進(jìn)入主燃區(qū)，另一股空氣由中空葉片通道進(jìn)入中心環(huán)管，由空氣旋流器流出進(jìn)入主燃區(qū)參與燃燒；燃燒室頭部結(jié)構(gòu)，包括燃料氣進(jìn)口以及中心清吹空氣管路。

2.2一維建模

本節(jié)對(duì)燃燒室整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一維建模，選取典型結(jié)構(gòu)的一維模型進(jìn)行描述。

燃燒室頭部包括導(dǎo)流襯套通道、CAP孔、魚(yú)鱗孔、旋流葉片通道和旋流器，是燃燒室中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能突出的部分，其一維模型如圖3所示。圖中標(biāo)示①處采用突擴(kuò)模型模擬流體經(jīng)導(dǎo)流襯套到頭部空間的面積突擴(kuò)流動(dòng)；②處采用一個(gè)損失模型模擬CAP小孔結(jié)構(gòu)；③處采用一個(gè)損失模型模擬魚(yú)鱗孔結(jié)構(gòu)；④處采用一個(gè)損失模型模擬旋流葉片通道結(jié)構(gòu)；⑤處采用一個(gè)損失模型模擬旋流器；其余流動(dòng)通道采用內(nèi)部通道模型模擬。

圖3　燃燒室頭部一維模型Fig.3　1-D model of combustor head

圖4給出了燃燒室3排主燃孔區(qū)域結(jié)構(gòu)的一維建模，每排主燃孔均采用一個(gè)損失模型模擬，圖中標(biāo)示⑥、⑦、⑧分別對(duì)應(yīng)一排主燃孔；氣膜冷卻孔也采用相同方式模擬；在火焰筒內(nèi)主燃區(qū)，采用3個(gè)流體修正模型模擬燃燒效應(yīng)，自定義輸出流體的組分，輸入熱量或輸出溫度以模擬燃燒后溫升效應(yīng)，輸入損失系數(shù)模擬燃燒過(guò)程總壓損失。

圖4　燃燒室主燃區(qū)一維模型Fig.4　1-D model of combustor primary zone

圖5給出了導(dǎo)流襯套的沖擊冷卻孔模型，冷卻孔一共有6排，每排100個(gè)孔，符合典型的孔類(lèi)限流器結(jié)構(gòu)特征，采用損失模型建模，輸入每排孔的總物理流通面積和流量系數(shù)Cd，求解孔前后的壓力、流量、速度等。

圖5　沖擊冷卻孔一維模型Fig.5　1-D model of impacting cooling holes

該燃燒室整體一維網(wǎng)絡(luò)模型共計(jì)有元件108個(gè)，節(jié)點(diǎn)75個(gè)。

3　一維設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

3.1初始結(jié)構(gòu)

首先對(duì)上述初始燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，其壓力分布和流量分配數(shù)據(jù)作為一維模型系數(shù)修正的參考依據(jù)。

數(shù)值模擬采用Star-ccm+軟件，作流-固耦合計(jì)算。湍流模型采用realizable k-epsilon two-layer model，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，對(duì)流通量的離散求解采用二階迎風(fēng)格式，采用eddy break-up模型模擬燃燒，固體材料采用Ni-263，采用三步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

計(jì)算邊界條件如下：

表1　合成氣成分Tab.1　Syngas components

4）火焰筒出口給定背壓P=1 643 120 Pa。

計(jì)算采用多面體網(wǎng)格，對(duì)小孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部加密處理，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到8 660萬(wàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。對(duì)該軟件realizable k-epsilon twolayer湍流模型來(lái)說(shuō)，為達(dá)到較好的數(shù)值模擬結(jié)果，需要使壁面第1層網(wǎng)格的y+＜30，本算例對(duì)于所關(guān)注的大部分區(qū)域，第1層網(wǎng)格的y+值均位于1.0～25.0的范圍內(nèi)。

圖6給出了該燃燒室初始結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果，速度場(chǎng)顯示火焰筒主燃區(qū)存在一個(gè)明顯的低速回流區(qū)，3排主燃孔的射流與主流相互摻混，在相應(yīng)的射流后也存在低速區(qū)。靜溫顯示流場(chǎng)剖面最高溫度為2 064.2 K。

圖6　燃燒室初始結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果Fig.6　Initial numerical simulation results of combustor

統(tǒng)計(jì)得到初始燃燒室結(jié)構(gòu)各排孔流量，單位kg/s。

1）主燃孔（D1、D2、D3）：4.02、4.31、3.1；

2）氣膜冷卻孔（R1～R20）：0.19、0.211、0.155、0.245、0.211、0.333、0.334、0.282、0.394、0.405、0.315、0.291、0.242、0.237、0.204、0.165、0.179、0.172、0.188；

表2給出該燃燒室的進(jìn)、出口總壓和壓力損失，得壓力損失Δp=4.88%。

表2　初始燃燒室壓降Tab.2　Initial pressure drop of combustor

3.2設(shè)計(jì)目標(biāo)

該燃燒室的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括流量分配及總壓降，具體如下：

1）各排主燃孔、氣膜冷卻孔空氣流量維持初始目標(biāo)要求；

2）燃燒室導(dǎo)流襯套進(jìn)口與火焰筒出口之間總壓損失目標(biāo)Δpv=4.2%。

該初始燃燒室進(jìn)出口總壓損失Δp=4.88%，與目標(biāo)壓損4.2%之間誤差為16.19%。反映到實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，即為在實(shí)現(xiàn)流量分配目標(biāo)的同時(shí)滿(mǎn)足總壓損失調(diào)節(jié)。

經(jīng)驗(yàn)表明，如果僅對(duì)各排孔面積及燃燒室頭部通道面積進(jìn)行簡(jiǎn)單的等比例縮放，各排孔流量將無(wú)法達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)；通過(guò)數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)手段實(shí)現(xiàn)需要多次迭代，并且無(wú)法精準(zhǔn)控制流量分配。因此需要發(fā)展一種較為便捷、精確的方法以實(shí)現(xiàn)流量分配及總壓損失設(shè)計(jì)目標(biāo)，這也是本文研究一維模型方法的目的所在。

3.3一維模型標(biāo)定

一維模型標(biāo)定包括各損失元件的流量系數(shù)、通道元件的阻力系數(shù)和流體修正模型的損失系數(shù)等。在一維網(wǎng)絡(luò)中輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置模型性能參數(shù)，同時(shí)，參照CFD計(jì)算設(shè)置邊界條件，進(jìn)行一維計(jì)算。

圖7給出了校準(zhǔn)后的一維網(wǎng)絡(luò)模型流量計(jì)算結(jié)果，分別為3排主燃孔和20排冷卻孔的流量對(duì)比，可見(jiàn)與三維CFD結(jié)果吻合很好，標(biāo)定精度很高。

圖8給出了燃燒室關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的總壓分布，各節(jié)點(diǎn)位于各排主燃孔、氣膜孔對(duì)應(yīng)的位置，圖中可見(jiàn)一維模型計(jì)算的壓力分布同樣與三維CFD計(jì)算結(jié)果吻合很好，證明一維模型中流量系數(shù)及阻尼系數(shù)比較精確，一維模型精度較高。

圖7　初始結(jié)構(gòu)火焰筒主燃孔與氣膜冷卻孔流量Fig.7　Mass flow of initial combustor

圖8　一維網(wǎng)絡(luò)中各位置節(jié)點(diǎn)壓力標(biāo)定Fig.8　Node pressure calibration of 1-D network

3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)

完成標(biāo)定后，采用上述一維模型進(jìn)行燃燒室結(jié)構(gòu)一維設(shè)計(jì)。

調(diào)節(jié)手段包括修改燃燒室結(jié)構(gòu)，取消中心清吹空氣；保持各排孔的軸向位置不變，調(diào)整各排主燃孔和氣膜冷卻孔的流通面積。

各排孔結(jié)構(gòu)的尺寸修改信息如表3所示，其中主燃孔D1～D3基本為按相同比例增加面積，變化比為10.16%～10.3%，各排氣膜冷卻孔的面積變化則從8.27%～13.11%不等。

表3　燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸修改對(duì)比Table 3　Comparison of combustor structures

優(yōu)化后的燃燒室三維CFD計(jì)算結(jié)果如圖9所示，分別為某截面的速度、靜溫云圖和火焰筒壁溫分布。與初始結(jié)構(gòu)相比，新燃燒室火焰形態(tài)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)比較相似，流場(chǎng)合理；新燃燒室統(tǒng)計(jì)后的流量分配結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合很好，如圖10所示。其中，主燃孔D1、D2和D3的流量與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的誤差分別僅為3.0%、0.67%和-0.07%，其他氣膜冷卻孔及旋流器的流量誤差均在6%以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

進(jìn)出口壓力及總壓損失如表4所示，可見(jiàn)總壓降Δp=4.23%，與目標(biāo)壓降Δpv之間的誤差僅為0.71%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

設(shè)計(jì)及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)表明，針對(duì)燃燒室特定孔排和旋流器的流量分配調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)幅度±30%以?xún)?nèi)均可一次實(shí)現(xiàn)；局部誤差較大的元件通過(guò)新一輪一維模型修正，可以達(dá)到較為理想的精度。

上述調(diào)節(jié)流量及總壓分布的手段不僅適用于數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)過(guò)程，還適用于燃燒室的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)驗(yàn)證階段，可以快捷精確地調(diào)節(jié)開(kāi)孔尺寸，縮短實(shí)驗(yàn)周期。

圖9　燃燒室新結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9　Numerical simulation of new combustor

圖10　流量分配對(duì)比Fig.10　Comparison of mass flow splits

表4　CFD計(jì)算壓力性能Tab.4　Pressure of numerical simulation

4　結(jié)語(yǔ)

采用Flowmaster一維流網(wǎng)軟件對(duì)某燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行一維建模及設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)主燃孔及氣膜冷卻孔尺寸，得到優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)。開(kāi)展三維數(shù)值模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明，該燃燒室3排主燃孔、20排氣膜冷卻孔流量分配目標(biāo)及燃燒室總壓損失目標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

一維網(wǎng)絡(luò)方法同樣可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)修改方案，便捷、精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰筒孔排和旋流器的流量分配和壓力分布優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

綜合結(jié)果表明，本文所開(kāi)展的一維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法結(jié)合數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)測(cè)量手段，對(duì)縮短燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室整體及部件設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)精度具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：黃月）

Network flow split design of combustor in gas turbine

WU Jingfeng,ZHOU Yanpei
（Engine Certification Center,CAAC,Beijing 100102,China）

A gas turbine combustor is modeled and designed using 1-D network method,and the result is validated compared with the result of 3-D numerical simulation.The network method divides the combustor into a series of 1-D sub-flows,the 1-D network is solved with pressure equations and the sub-flows are linked together in the overall governing equations to obtain a complete solution of the entire flow field.In this way,pressure-drops and flow-splits may be obtained throughout the region of interest.A 1-D network is applied to model and optimize the specific combustor with targets include mass flow split of primary holes and cooling holes and the total pressure drop which is equal to 4.2%.Finally,numerical simulation of this new combustor is carried out and the results are compared with 1-D network,indicating that the targets are achieved well.Results of 1-D network match well with those of numerical simulation,demonstrating the accuracy and reliability of 1-D network approach in the design of complex combustors.

gas turbine;combustor;1-D network;flow split;combustion

TK472；V231

A

1674-5590（2016）04-0053-06

2015-07-16；

2015-10-08

吳晶峰（1983—），男，江西鷹潭人，工程師，博士，研究方向?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)，燃燒室數(shù)值模擬，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航審定.