某輔助動(dòng)力裝置火焰筒頭部氣膜槽高度對(duì)燃燒室頭部流場(chǎng)影響分析

李煒 謝芳 林志勇

摘 要：輔助動(dòng)力裝置燃燒室與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室相比，具有結(jié)構(gòu)尺寸小，燃油流量及空氣流量小，空氣壓力低等特點(diǎn)，為了獲得良好的綜合性能，同時(shí)兼顧低廉的經(jīng)濟(jì)成本，輔助動(dòng)力裝置燃燒室的頭部設(shè)計(jì)具有其自身特點(diǎn)，頭部一般不采用常規(guī)的渦流器來形成回流區(qū)，而是在火焰筒頭部?jī)?nèi)、外環(huán)上設(shè)計(jì)若干道氣膜槽，通過內(nèi)外環(huán)上的氣膜孔進(jìn)氣在周向或軸向形成環(huán)渦，因此，火焰筒頭部氣膜槽的高度尺寸對(duì)頭部環(huán)渦流場(chǎng)有較大影響。目前國(guó)內(nèi)在此方面的相關(guān)研究還不深入，公開發(fā)表的文獻(xiàn)也較少。本文以某輔助動(dòng)力裝置燃燒室為研究對(duì)象，采用商用軟件ANSYS Fluent計(jì)算了單一氣膜槽高度尺寸變化對(duì)燃燒室冷、熱態(tài)流場(chǎng)的影響及對(duì)燃燒室點(diǎn)火及性能的影響，為今后的設(shè)計(jì)提供參考。研究結(jié)果表明：點(diǎn)火狀態(tài)，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會(huì)造成火焰筒頭部回流區(qū)位置發(fā)生變化，甚至消失，不利于點(diǎn)火。在大狀態(tài)下，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會(huì)造成火焰筒內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，壁面的局部溫度升高，影響火焰筒的壽命。

關(guān)鍵詞：輔助動(dòng)力裝置；火焰筒頭部；流場(chǎng)；氣膜槽高度

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0092-03

輔助動(dòng)力裝置（Auxiliary Power Unit，簡(jiǎn)稱APU）主要用于起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，為飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)提供壓縮空氣源，驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的液壓泵、發(fā)電機(jī)[1]?，F(xiàn)在，無論是軍用飛機(jī)或是民用飛機(jī)都已經(jīng)普遍使用了APU，使飛機(jī)不依靠地面的支持設(shè)備提供電源或氣源，更具有獨(dú)立性、舒適性。

輔助動(dòng)力裝置燃燒室與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室相比，具有結(jié)構(gòu)尺寸小，燃油流量及空氣流量小，空氣壓力低等特點(diǎn)[2]，為了獲得良好的綜合性能，同時(shí)兼顧低廉的經(jīng)濟(jì)成本，輔助動(dòng)力裝置燃燒室的頭部設(shè)計(jì)具有其自身特點(diǎn)，頭部一般不采用常規(guī)的渦流器來形成回流區(qū)，而是在火焰筒頭部?jī)?nèi)、外環(huán)上設(shè)計(jì)若干道氣膜槽，通過內(nèi)外環(huán)上的氣膜孔進(jìn)氣在周向或軸向形成環(huán)渦，因此，火焰筒頭部氣膜槽的高度尺寸對(duì)頭部環(huán)渦流場(chǎng)有較大影響。目前國(guó)內(nèi)在此方面的相關(guān)研究還不深入，公開發(fā)表的文獻(xiàn)也較少。

本文以某輔助動(dòng)力裝置燃燒室為研究對(duì)象，采用商用軟件ANSYS Fluent計(jì)算了單一氣膜槽高度尺寸變化對(duì)燃燒室冷、熱態(tài)流場(chǎng)的影響及對(duì)燃燒室點(diǎn)火及性能的影響，為今后的設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象

本文以某輔助動(dòng)力裝置燃燒室為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。火焰筒頭部采用單渦頭部氣流結(jié)構(gòu)，依靠火焰筒頭部?jī)?nèi)、外環(huán)上三道氣膜槽的空氣射流在火焰筒頭部組織穩(wěn)定回流區(qū)，燃油在回流區(qū)與空氣混合并燃燒。

為了研究氣膜槽高度尺寸對(duì)燃燒室頭部流場(chǎng)的影響，本文僅改變第三道氣膜槽的高度（由設(shè)計(jì)值2.9mm分別增加到3.4mm和4.1mm），計(jì)算了單一氣膜槽高度尺寸變化對(duì)燃燒室冷、熱態(tài)流場(chǎng)的影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析對(duì)燃燒室點(diǎn)火及性能的影響。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

為分析火焰筒頭部氣膜槽高度對(duì)燃燒室性能的影響，采用商業(yè)軟件ANSYS Fluent對(duì)燃燒室進(jìn)行了點(diǎn)火狀態(tài)和某大狀態(tài)的數(shù)值模擬計(jì)算。

建立三維數(shù)值模型時(shí)，計(jì)算域取整個(gè)燃燒室全環(huán)形的1/3（120°扇形段），燃燒室計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分見圖2，網(wǎng)格劃分軟件采用ANSYS meshing，總網(wǎng)格數(shù)約1388萬，網(wǎng)格的最大扭曲度為0.85，網(wǎng)格類型為六面體和四面體混合的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在規(guī)則區(qū)域盡量采用六面體網(wǎng)格，在幾何結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的區(qū)域，比如頭部區(qū)域、冷卻孔附近區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。

2.2 計(jì)算方法和邊界條件

（1）求解器選用“分離+隱式+穩(wěn)態(tài)”；（2）湍流模型：Realizable k-ε湍流模型；（3）近壁區(qū)處理：增強(qiáng)型壁面函數(shù)；（4）燃燒模型：非預(yù)混燃燒模型；（5）噴嘴設(shè)置：噴嘴類型為cone噴嘴。

2.3 計(jì)算方案

研究中變化的氣膜槽高度方案如表1所示，共3個(gè)方案。其中，基準(zhǔn)方案的尺寸為設(shè)計(jì)值2.9mm，模型1和2是在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上增大火焰筒頭部第三道氣膜槽的高度。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 點(diǎn)火狀態(tài)

在點(diǎn)火狀態(tài)下，不同氣膜槽高度條件下計(jì)算得到的火焰筒頭部流場(chǎng)見圖3，由圖可以看出：（1）基準(zhǔn)模型在火焰筒頭部靠近起動(dòng)噴嘴的位置形成一個(gè)順時(shí)針的回流區(qū)。分析影響，從起動(dòng)噴嘴噴出的燃油與空氣在該回流區(qū)充分混合并燃燒，可提高點(diǎn)火可靠性。（2）隨著第三道氣膜槽高度增大，回流區(qū)內(nèi)流速和流向發(fā)生變化，造成回流區(qū)逐漸往火焰筒外環(huán)壁面及出口方向移動(dòng)。當(dāng)高度為4.1mm時(shí)，回流區(qū)減弱至不明顯。分析影響，回流區(qū)不明顯，起動(dòng)噴嘴噴出燃油接觸到點(diǎn)火電嘴的電火花后形成的初始火團(tuán)很難在該區(qū)域穩(wěn)定，不利于點(diǎn)火。

3.2 大狀態(tài)

在大狀態(tài)下，不同氣膜槽高度條件下計(jì)算得到的火焰筒頭部熱態(tài)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)見圖4、圖5。由圖可以看出：（1）目視可以看出，隨著氣膜槽高度增大，頭部流場(chǎng)發(fā)生變化，但變化沒有點(diǎn)火狀態(tài)明顯，分析原因是大狀態(tài)下氣流速度比點(diǎn)火狀態(tài)大，第三道氣膜槽對(duì)整個(gè)回流區(qū)的流場(chǎng)影響較小。（2）由于頭部流場(chǎng)發(fā)生變化，頭部溫度場(chǎng)也發(fā)生變化。以圖5中A區(qū)域?yàn)槔?，氣膜槽高度為設(shè)計(jì)值2.9mm時(shí)，A區(qū)域溫度約為652K～747K，當(dāng)氣膜槽高度增加為3.4mm時(shí)，A區(qū)域溫度約上升為680K～795K，當(dāng)氣膜槽高度增加為4.1mm時(shí)，A區(qū)域溫度約上升為740K～832K。分析影響，溫度更高，更易造成火焰筒壁面積炭，A區(qū)域燃?xì)鉁囟壬邔?dǎo)致附近火焰筒壁面溫度升高，降低火焰筒使用壽命。

4 結(jié)語

本文以某型輔助動(dòng)力裝置裝置為研究對(duì)象，計(jì)算了單一氣膜槽高度尺寸變化對(duì)燃燒室冷、熱態(tài)流場(chǎng)的影響及對(duì)燃燒室點(diǎn)火及性能的影響，分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)論如下：（1）基準(zhǔn)模型可在火焰筒頭部靠近起動(dòng)噴嘴位置產(chǎn)生一個(gè)單渦回流區(qū)，有利于點(diǎn)火。（2）火焰筒頭部氣膜槽高度的差異會(huì)造成頭部流場(chǎng)的變化。點(diǎn)火狀態(tài)，頭部氣膜槽高度尺寸增大，會(huì)造成火焰筒頭部回流區(qū)位置發(fā)生變化，甚至消失，不利于點(diǎn)火。在大狀態(tài)下，頭部氣膜槽高度尺寸不斷增大，會(huì)造成火焰筒內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，壁面的局部溫度升高，影響火焰筒的壽命。（3）火焰筒頭部氣膜槽高度尺寸的變化對(duì)燃燒室頭部流場(chǎng)的影響很大。因此，進(jìn)行輔助動(dòng)力裝置燃燒室火焰筒頭部設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格控制氣膜槽高度尺寸的公差值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李東杰.輔助動(dòng)力裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（6）：7-9.

[2] 金如山.航空然汽輪機(jī)燃燒室[M].宇航出版社，1988.

[3] Lefebvre，A.H. Gas Turbine Combustion[M].Taylor and Francis，1999.