径向稳定器冷却方式对壁温和流场影响的数值模拟

翟云超，钟世林，康玉东，邓远灏，王金涛

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)

1 引言

凹腔驻涡燃烧室因其火焰稳定能力强、燃烧效率高和贫燃吹熄极限低而受到广泛关注[1-4]。美国GE公司率先实现了凹腔驻涡在加力燃烧室中的应用，在其专利[5]中，将凹腔驻涡作为值班火焰稳定器，通过径向稳定器传焰和组织燃烧。因径向稳定器后方燃气温度远远超过了现有高温合金的许用温度，GE公司提出了一种径向稳定器气冷方案，其主要思想是利用外涵引气来实现对径向稳定器的冷却，但并未对其冷却方式及冷却气分布等特征进行阐述。相较而言，国内在该领域的研究尚处于起步阶段，针对径向稳定器冷却的研究更是缺乏，暂未看到有公开发表的文献。

基于此，本文针对径向稳定器的冷却展开了探究，利用Fluent软件比较分析了冲击冷却[6-7]和冲击-发散冷却[8-11]两种冷却方式的冷却效果及其对径向稳定器后方流场的影响，并着重分析了发散孔倾角和发散孔开孔数目对冷却和流场的影响。

2 计算模型

图1给出了基于凹腔驻涡值班火焰稳定器的加力燃烧室模型，该加力燃烧室主要包括凹腔稳定器和径向稳定器等。径向稳定器所选材料为GH5188，该材料适用于1 373 K以下要求抗氧化性的零件。材料属性可通过查询材料手册[12]获得。

方案0为基准方案，无冷却；通过方案1和方案2比较两种冷却方式的冷却特点；方案3是在方案2的基础上将发散孔倾角由90°调整为30°，即通过方案2和方案3比较发散孔倾角对冷却的影响；方案4是在方案3的基础上，保持发散孔倾角不变，将端板划分为上、中、下三个区域，从上到下发散孔越发稀疏，为保证端板落压比不变，增大外板上的开槽面积，即通过方案3和方案4比较发散孔排布对冷却的影响。

3 计算方法和边界条件

首先利用Icem软件对上述加力燃烧室模型进行网格划分，总网格量为550万。而后采用商用Fluent软件对上述模型进行数值仿真。选用压力求解器，Simple算法；空气为理想气体，采用标准k-ε湍流模型；选用质量流量进口作为进口边界条件，压力出口为出口边界条件。且在凹腔前进气缝处设置左、中、右三处直射式喷嘴，采用solid-cone模型。燃烧模型采用有限速率/涡耗散模型，选用Fluent所提供的煤油五组分一步化学反应。进口边界条件如表2所示。

4 结果分析

图3给出了无冷却径向稳定器端板壁温云图。可见，端板温度基本在1 900 K以上，超过了材料的许用温度，印证了对径向稳定器进行冷却的必要性。

图4、图5分别给出了方案1～方案4的端板壁温云图及径向稳定器中间截面的总温云图。可见，相较于无冷却方案，冲击冷却和冲击-发散冷却均能明显降低端板壁温，使其低于材料最高许用温度，满足使用要求。

表1 冷却方案Table 1 Cooling schemes

表2 进口边界条件Table 2 Working conditions of calculation

对比方案1和方案2的端板壁温云图可见，在相同GC值下，采用冲击冷却的端板最高壁温接近材料的最高许用温度，而采用冲击-发散冷却的端板壁温明显低于材料的最高许用温度，且其分布呈现出中间低两端高的态势。故相较于冲击冷却，冲击-发散冷却的冷却效果更为显著。另一方面，结合图5可见，针对采用冲击-发散冷却方式的径向稳定器，从端板中出来的冷却气会将从凹腔中出来的高温燃气吹离径向稳定器后壁面，对径向稳定器后方的流场结构造成影响，而采用冲击冷却方式的径向稳定器则不会出现上述现象。

对比方案2和方案3的端板壁温云图可知，将发散孔倾角由90°改为30°后，端板壁温分布由中间低两端高演变成了上端高下端低。结合图5可知，相较于方案2，方案3中从径向稳定器端板冷却孔中出来的冷却气将高温燃气整体吹离端板，而未破环高温燃气的流场结构，且越到径向稳定器下方，高温燃气离径向稳定器越远，端板温度越低，远低于材料的最高许用温度。可见，适当减小发散孔倾角能明显削弱径向稳定器冷却气对其后流场结构的影响。

对比方案3和方案4，两种方案的端板壁温分布规律一致，均小于材料的最高许用温度。其中，方案4的端板壁温略高，这是因为方案4对端板冷却孔排布进行了调整，将原先的均布改为了分区排布，分为了上、中、下三个区域，且发散孔数逐渐减少。相较于方案3，方案4中的高温燃气离径向稳定器端板更近，即减弱了径向稳定器冷却气对其后方流场结构的影响。可见，在确保径向稳定器不超温的前提条件下，可适当减少端板发散孔的数目。

5 结论

对采用不同冷却方式的径向稳定器展开了数值计算，分析了不同冷却方式的冷却效果及对径向稳定器后方流场的影响。主要得到以下结论：

(1)冲击冷却和冲击-发散冷却均能明显降低径向稳定器端板壁温分布，且在相同GC值下，冲击-发散冷却的冷却效果更好，但该种冷却方式会对径向稳定器后方的流场结构造成影响。

(2)适当减小冲击-发散冷却的发散孔倾角，有利于削弱从端板出来的冷却气对径向稳定器后方流场结构的影响，但冷却气会将高温燃气整体吹离径向稳定器壁面。

(3)针对发散孔具有倾角的冲击-发散冷却方式，在保证径向稳定器不超温的前提条件下，减少端板上的发散孔数，虽会使得端板壁温有所升高，但可进一步削弱从发散孔中出来的冷却气对径向稳定器后方流场结构的影响。