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短螺旋型燃烧室旋流结构及气动边界发展规律数值模拟
发稿时间:2019-08-16         作者:张军华 胡斌          来源:国家能源风电叶片研发(实验)中心     【字号:

  短螺旋燃烧室(SHC)不同于传统的环形燃烧室构型,其每个燃烧室头部(含旋流器及头部挡板、挡油盘等)以过头部挡板中心且垂直于发动机轴线的直线为旋转轴,旋转一定角度,从而形成一种非轴向进气的结构,其结构概念图如1所示。国内外相关的研究表明短螺旋燃烧室在缩短发动机轴向长度、提高燃烧室结构紧凑性、减少压气机出口和涡轮入口导叶数等方面具有巨大的潜力。然而,倾斜的燃烧室头部会导致侧壁面的出现(图1所示),从而对燃烧室内部的旋流产生非轴对称的约束,进而影响内部的回流区结构。为了进一步阐明不同头部安装角的变化与内部流场结构转变的规律,工程热物理世爵用户登录线路6国家能源风电叶片研发(实验)中心的研究人员采用定常RANS方法研究了不同头部安装角下的旋涡结构以及气动边界的产生与发展,并结合相关的切向角动量和径向压力场分布分析了气动边界对不同旋涡结构的影响。 

  2给出了头部安装角为15°35°45°时,不同轴向位置展向截面的Q值云图,其中Q值越大,表明流体转动效应越强,代表该处存在旋涡结构。从图2中可看出两个主要的变化规律。一是在同一轴向位置,随着头部安装角的增加,旋涡经历了对称的环状结构、马蹄状结构、封闭的环形结构的演化过程。二是随着轴向距离的增加,不同头部安装角下的旋涡强度皆不断衰减。前者是由相邻头部之间出现的高轴向速度气流,即气动边界的变化导致的,而后者则是因为旋流的强度受粘性耗散作用而沿轴向不断衰减。其中气动边界如图3所示。 

  气动边界是轴向速度较大的一股气流,能对旋流形成周向约束,如图3中黑色虚线圈所示。当头部安装角为0°时,气动边界的高度值最大,这会对旋流产生较强的周向约束,此时旋涡体现为封闭的环形结构。当头部安装角为15°时,此时气动边界的高度太小,对旋流约束减弱,旋流出现周向的扩张,因此旋涡出现“缺口”,变为马蹄形结构。随着安装角进一步增加,气动边界的高度不断增加,对旋流的约束不断增强,旋涡逐渐变为封闭的环形结构。热态流场的变化规律与冷态一致,但气动边界的高度值较小,这是由于燃烧造成的气体膨胀会对气动边界的产生和发展带来不利影响。 

  为了说明气动边界对旋流的约束作用,图4计算了冷态流场的切向角动量沿轴向的变化值。从图4中可看出不同头部安装角下旋流的切向角动量在总体上都出现随轴向距离增加而衰减的现象,说明了旋流强度不断减弱。而当安装角为35°45°时,旋流的角动量分别在轴向距离为90mm110mm附近出现了局部增大的现象,且峰值与时的接近,这说明此时出现的气动边界对旋流扩张产生了约束,因此流场的旋涡出现相应的环形结构。 

  5给出了轴向距离为10mm处的压力云图。根据简化的一维动量方程可知,旋流流动越强,气体微团受到的离心力将越大,因此径向压力梯度也越大,从而形成大范围的低压区。当安装角为时,此时的低压区域为环状结构。当安装角为15°时,此时旋流引起的局部低压区域变为月牙形,其面积比冷态的小,表明此时旋流大幅度减弱。当安装角为35°和45°时,在非受限侧重新出现大的压力梯度,这也进一步证实了旋流受到了气动边界的约束,导致其强度衰减变慢。而对于热态流场,由于气动边界受燃烧膨胀的影响,局部低压区域也相应变小。 

  本研究探索了不同头部安装角下的旋涡结构及气动边界沿轴向的演化过程,能为今后短螺旋燃烧室的设计与应用提供了理论基础。相关成果被《推进技术》期刊录用。 

 

 

 

 

 

 
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