无引气式涡轮级间燃烧室设计与数值研究

骆广琦，胡磊，孙东，张海明

无引气式涡轮级间燃烧室设计与数值研究

骆广琦，胡磊，孙东，张海明

(空军工程大学工程学院，陕西西安710038)

利用流体计算软件模拟涡轮级间燃烧室(ITB)三维两相燃烧流场。对比分析无引气式ITB与传统ITB性能及流场分布。采用Realizablek-ε模型模拟湍流黏性，离散相模型追踪油珠运动轨迹，非预混平衡化学反应模型模拟燃烧过程。计算结果表明：无引气式ITB除总压损失比传统ITB的稍大外，其它指标均与传统ITB的相当；但由于该方案不需要额外引气，故提升了ITB发动机性能及应用价值。

涡轮级间燃烧室；无引气式；离散相模型；非预混平衡化学反应；数值仿真

1 引言

涡轮级间燃烧室(ITB)技术是通过在多级涡轮间设置燃烧室进行二次燃烧，提高后级涡轮燃气进口总温，在涡轮单位功不变的情况下减小涡轮落压比，从而提高喷管出口总压和发动机性能，扩大发动机飞行马赫数范围[1～3]。从热力循环角度看(热力循环图参见文献[1])，ITB使发动机的热力循环从传统的布雷顿循环转变为接近等温循环，给工质加入了更多的热能，使发动机循环功增大，更多的热能转换为气体动能，使得发动机具有更高的推力性能。

Lewis早年研究了离心力场对火焰传播速度的影响[4]，认为高离心力下火焰传播主要依靠浮升力效应产生的“焰泡”迁移增大其传播速度，并将火焰燃烧分为层流燃烧、湍流燃烧和浮力燃烧三种类型，通过实验发现浮力燃烧火焰传播速度比层流和湍流燃烧的快。同时，因为火焰有了环向速度分量，火焰需要的滞留时间，更多的是通过环向长度而不是轴向长度获得，从而使得传统发动机在有限空间内加装ITB成为可能。

为使空腔内产生高离心加速度的旋流，目前国外普遍采用二股气流的形式(如图1)，将高压压气机后的空气从环绕在周向腔外侧、相对于径向都有一偏角的24个喷射孔射入空腔来实现。这必然要从压气机后大量引气[5]。目前国外所采用的二股气流的引气量普遍达到20%，对于传统发动机来说，过高的引气量必然急剧降低发动机效率[6]。

图1 传统ITB结构示意图Fig.1 Traditional ITB structure

本文设计了如图2所示的无引气式ITB结构。该结构方案主要包括进口段、导向叶片、凸台、周向腔及出口段，采用大角度偏转叶片的形式迫使来流产生高速旋流，利用离心力场燃烧原理提高火焰传播速度，避免了从高压压气机后大量引气的弊端。为使高速旋流带动整个周向腔内气流，在叶片通道处设置一定高度的凸台。高速气流从截面积较小的叶片通道进入周向腔内，可在该周向腔内形成驻涡燃烧，增大火焰稳定性。燃油喷嘴设在叶片通道上方，燃油与高离心加速度气流在周向腔内掺混燃烧。

图2 无引气式ITB结构剖图Fig.2 Cross section of ITB without bleed

2 模型的建立

2.1 结构模型及网格划分

该结构导向叶片为12个，叶片偏转角度为55°；燃油由叶片通道上均布的12个入射孔喷入。为提高网格质量，将模型结构进行分块处理，局部加密，网格总数为250万个。

2.2 边界条件

本结构由于周向腔顶部无空气入口，为与传统引气式ITB燃烧效果[5]进行比较，采用了与文献[7]进口条件相同的流量与油气比，故主流进口气流为0.268 374 kg/s，即传统ITB主流流量与周向腔空气入口流量之和。12个燃油喷嘴，每个的流量为0.000 445 kg/s，混合气当量比为0.294。出口处采用压力出口，主流通道入口温度为528 K。需说明的是，该进口边界条件并非模拟真实高压涡轮出口条件，而仅为基础理论实验研究的简化值，即未考虑进口气流为燃烧室燃烧后的高温、高污染气体，本文为保持与文献实验条件一致而采用该条件。模型采用C12H23(JB-8+100燃油)作为反应物，通过圆锥雾化喷嘴喷入周向腔中，形成锥形喷雾。利用离散相模型模拟液滴流动。液滴来流的离散数量设置为20个，液滴直径为100 μm，液滴的半锥角为35°，燃油温度为300 K[8]。

2.3 计算模型及求解器

湍流模型采用Realizablek-ε模型，采用依据及ITB湍流模型研究发展详见文献[9]。对于本算例模拟的快速化学反应的紊态扩散火焰，采用非预混燃烧模型来模拟燃烧过程[10]。求解器为分离隐式稳态求解器，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法处理，各计算参数的离散均采用二阶精度的迎风格式，控制方程采用亚松弛因子控制收敛。各残差的收敛参数，除能量为10-6外，其余均为10-3。由于三维模型结构复杂，能量的残差收敛较困难，故本文主要通过进、出口的流量和能量守恒判断，同时监测出口处的平均温度，当迭代到以上参数的残差标准时，即可认为计算已收敛。

2.4 评估标准

采用总压损失、燃烧效率等相关指标对研究对象进行性能评定。总压损失定义为：

燃烧效率ηb采用尾气评估法[12]计算：

式中：HC为燃油燃烧热值；EICO、EICxHy为衡量一氧化碳与燃油的污染排放程度，定义为

式中：[]表示摩尔组分浓度；M代表分子量；α代表y/x；T为空气中二氧化碳的摩尔百分数，这里假定为0.000 34；X/m的表达式为

式中：X为空气比油的摩尔份数，h为进口空气中水蒸气的含量，Z定义为

3 结果分析

3.1 指标比较

由于本方案采取12个大角度偏转叶片无引气式结构，使得模型无法简化成1/6周期性模型，故采用全尺寸结构进行计算。同时与1/6模型和全尺寸模型结果进行对比分析，相关结果如表1所示。表中，验证模型采用传统ITB，各计算模型采用相同的数值模型，1/6验证模型与1/6文献模型的物理模型相同；Texit为出口流量加权平均温升。

文献及本文的仿真模型与文献实验值的对比分析：实验总压损失约为5.0%，而文献和本文仿真模型的普遍约为10.0%，计算值整体高于实验值；全尺寸模型的仿真结果比1/6模型的更接近于真实物理实验过程。

无引气式ITB模型与传统ITB全尺寸模型的对比分析：本模型的总压损失要明显高于传统ITB模型。原因为本模型主要通过大角度偏转叶片迫使来流产生高离心加速度，一方面，来流从较小面积的叶片通道进入较大面积的周向腔内，会造成较大的扩压损失；另一方面，高速来流在大角度偏转叶片作用下也必然造成一定的总压损失。而传统ITB模型单纯从周向腔外部射入空气，所以本模型造成的总压损失必然偏大。因此，如何降低无引气式ITB的总压损失尤为关键。另外，与传统ITB模型相比，本模型的燃烧效率、出口流量加权平均温升及CO2浓度略低，CO和O2的浓度略高，即传统ITB模型的燃烧过程更加充分。不过，本模型的整体性能基本达到了传统ITB模型的水平。由于本模型不需要从高压压气机后引气，因此其结构将更具应用价值。

表1 结果比较Table 1 Comparison of results

3.2 流场分析

图3为无引气式ITB单侧轴向截面流场图，从图中可明显发现两个低速区域。1区为周向腔后壁面夹角处，此区域为高速来流经过周向腔并在贴周向腔壁面流动过程中遇到壁面垂直拐角而形成的低速旋涡。2区为高速来流从凸台上部进入后，产生图示方向速度，从而在整个周向腔内形成驻涡燃烧。

图3 轴向截面流场图Fig.3 Flow field of the axial cross section

3.3 温度场分析

无引气式ITB模型内部轴向截面温度分布如图4所示。由于该模型的燃油在进入周向腔前已在叶片通道后端与来流掺混，因此进入周向腔内的气流为燃油混合气。从图中可知，该模型的燃烧过程发生在整个周向腔内，在对应图3低速区的地方出现两高温区。这是由于该两处气流速度较低，燃油在此两处能稳定燃烧，故而温度较高。

由图5所示的外壁面温度分布可知，该无引气式ITB壁面高温区主要分布在燃烧室后半段。这是因为燃油混合气沿叶片通道射入周向腔内，来流在近壁面高速流动，对ITB外壁面形成气膜冷却，但在周向腔后半段壁面夹角处产生了稳定燃烧区，因而周向腔仅后壁面温度较高，其它区域温度较低。另外，在周向腔后壁面，高温燃气受12个叶片旋流的影响，在后壁面均匀分布着12个周期性的高温区。

从图6中的出口径向温度分布曲线可看出，出口温度在根部区域较高，中部最低，上部较均匀。因此，对于后级涡轮叶片，根部的热应力要大些，而尖部的热应力要小些，整体出口温度分布较为均匀。不过，该温度分布与涡轮叶片需求的温度分布(3/4叶高处温度最高)不完全一致，有待进一步改进。

图4 轴向截面温度分布图Fig.4 Temperature contour of the axial cross section

图5 壁面温度分布图Fig.5 Wall temperature contour

图6 出口径向温度分布Fig.6 Exit radial temperature distribution

4 结论

(1)本文设计的无引气式级间燃烧室，除总压损失比传统涡轮级间燃烧室的稍大外，基本达到了传统涡轮级间燃烧室的性能指标，加之不需要额外引气，大大提升了涡轮级间燃烧室的应用价值。

(2)无引气式涡轮级间燃烧室的周向腔内能形成两个大范围的高温区，并能形成稳定的驻涡燃烧；该燃烧室外壁面高温区主要集中在周向腔后壁面；出口径向温度分布曲线还有待进一步改善。

(3)下一步将研究该型无引气式涡轮级间燃烧室各几何参数对其内部流场、温度场的影响规律。

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Design and Numerical Analysis of Inter-Turbine Burner without Bleed

LUO Guang-qi，HU Lei，SUN Dong，ZHANG Hai-ming
(Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

The differences between traditional Inter-Turbine Burner(ITB)and ITB without bleed were ana⁃lyzed by using CFD software to simulate the 3D combustor on two phase combustion performances and com⁃bustion flows.Realizablek-εmodel was applied to simulate the turbulence viscosity.The fuel droplet tra⁃jectories were modeled in Lagrangian frame of reference by using discrete phase model.Non-premixed com⁃bustion model was used to model turbulence-chemistry interaction.The calculation results indicated:this ITB has basically reached the performance index of the traditional ITB except for total pressure loss a bit larger.At the same time,this ITB did not need extra bleeding,which promoted the performance and applica⁃tion of ITB engine greatly.

Inter-Turbine Burner；without bleed；discrete phase model；non-premixed turbulence-chemistry interaction；numerical simulation

V231.2

A

1672-2620(2012)01-0001-04

2011-06-22；

2011-11-13

骆广琦(197l-)，男，陕西泾阳人，教授，主要从事推进系统总体设计与性能研究等。