加力燃燒室一體化設計與試驗研究

加力燃燒室一體化設計與試驗研究

加力燃燒室是提高車輛質量比的重要技術手段。然而，傳統(tǒng)的加力燃燒室噴油裝置和火焰跟蹤裝置直接配置在加力燃燒室的主氣體通道上，這不可避免地會堵塞主導軸，造成明顯的總壓損失，尤其是在不打開加力室的“冷態(tài)”流場的損失上。傳統(tǒng)的加力燃燒室耗油率高，不能長期使用。本文針對航空發(fā)動機高推質比的需求,提出一種加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器與渦輪整流支板的一體化設計方案,其主要的設計特征是將整流支板、燃油噴射系統(tǒng)和加力燃燒室火焰穩(wěn)定器設計成一個整體,該方案可取消設置在流路中的加力燃燒室穩(wěn)定器和噴油裝置,大大降低非加力“冷態(tài)”流阻損失;縮短加力燃燒室長度,減少附加質量;引外涵空氣冷卻整流支板及加力內錐,可降低整流支板及加力內錐的壁溫,從而降低加力燃燒室的紅外輻射強度.該方案的突出優(yōu)點是在加力時有利于穩(wěn)定燃燒,在非加力時有較低的的流阻損失和較高推進效率,同時還能降低紅外輻射的作用,有效縮短加力燃燒室長度[7,8,9,10,11,12,13].該方案是未來高推質比、高隱身航空發(fā)動機加力燃燒室發(fā)展的重要方向之一.1綜合負荷燃燒室的結構設計1.1流變支板結構設計本文參考美國EJ200和M88-Ⅱ航空發(fā)動機加力燃燒室的設計經驗,在新一代加力燃燒室設計結構基礎上對整流支板和火焰穩(wěn)定器進行一體化的整合設計.所設計的一體化加力燃燒室主要由整流支板、內涵穩(wěn)定器、分流環(huán)、聯(lián)焰器、外涵支承、外涵穩(wěn)定器、燃油噴嘴、加力內錐、機匣等部分構成.整流支板在結構上是連接擴壓器外壁和中心錐體的承力框架,并把加力內錐的質量和氣動力傳遞到外壁.一般而言,從低壓渦輪流出的燃氣與發(fā)動機軸線并不平行,而是存在某一扭角.作為整流支板與穩(wěn)定器一體化設計的探索研究,本文整流支板氣動外形采用直板型設計,整流支板的葉型采用NACA(NationalAdvisoryCommitteeforAeronautics)對稱翼型設計,尾部設計成凹槽作為值班式火焰穩(wěn)定器.葉型氣動外形如圖1所示.1.2環(huán)形火焰穩(wěn)定器聯(lián)焰器的功能是在周向方向傳播火焰,使火焰在整個加力燃燒室盡可能均勻分布,聯(lián)焰器位于分流環(huán)的末端.環(huán)形火焰穩(wěn)定器采用吸入式火焰穩(wěn)定器或蒸發(fā)式火焰穩(wěn)定器,聯(lián)焰器整體采用V型火焰穩(wěn)定器設計,如圖2所示.聯(lián)焰器上面接外涵火焰穩(wěn)定器,下面接內涵火焰穩(wěn)定器.1.3外涵火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定的設計思路一體化加力燃燒室采用內外涵分別組織燃燒,即采用先燃燒后混合的方案.故需要對外涵火焰穩(wěn)定器進行設計.外涵火焰穩(wěn)定器穩(wěn)定的設計思路是將外涵火焰穩(wěn)定器、燃油噴嘴、外涵支承融為一體,中間通冷卻空氣進行冷卻,冷卻空氣氣路與整流支板內冷卻空氣氣路相通.如圖3所示.1.4內壓擴壓通道一體化加力燃燒室的分流環(huán)是發(fā)動機渦輪機匣的一部分,下表面與加力內錐形成內涵擴壓通道,上表面與外涵機匣形成外涵擴壓通道,如圖4所示.分流環(huán)與聯(lián)焰器連接如圖5所示.1.5體化加力燃燒室結構設計將以上的設計部件按照一體化加力燃燒室的設計要求進行有機的整合,形成總體設計方案.整合的過程是將分流環(huán)與混合器(聯(lián)焰器)相連,混合器的上面連接外涵火焰穩(wěn)定器,下面連接內涵火焰穩(wěn)定器.3個部件相連后,火焰在其后面可以實現(xiàn)徑向和周向的傳焰.整流支板下面連接加力內錐,外涵火焰穩(wěn)定器上面連接加力燃燒室筒體.設計的一體化加力燃燒室整體結構如圖6所示.環(huán)形混合器與火焰穩(wěn)定器組合整體如圖7所示.2支撐結構的試驗和計算方案2.1體化加力燃燒室火焰穩(wěn)定器.一體化設計的整流支板火焰穩(wěn)定器(緊湊耦合型火焰穩(wěn)定器)是一體化加力燃燒室中的關鍵部件,其工作性能對加力燃燒室整體工作性能起決定性作用.加力燃燒室試驗件主要由3部分構成,整流支板火焰穩(wěn)定器,前置腔體,擴壓通道.試驗的主要目的是驗證所設計的一體化加力燃燒室的火焰穩(wěn)定效果及方案的可行性.為了加工和布置燃油管路的方便,整流支板火焰穩(wěn)定器在前面設計和計算的基礎上進行了適當簡化,氣動外形的頭部為45°錐角,側壁為直板型,后面依然是凹槽型.燃油從上面進入,主燃油從側壁橫向噴出,值班燃油從后面順噴.冷卻氣從下面進入整流支板內部,對整流支板火焰穩(wěn)定器及燃油管路起冷卻作用.一體化設計的整流支板火焰穩(wěn)定器試驗件如圖8所示.2.2實驗臺及測試系統(tǒng)加力燃燒室試驗段接在主燃燒室后面,主燃燒室出來的燃氣進入到加力燃燒室試驗段,燃油經一體化設計的整流支板火焰穩(wěn)定器噴入到燃氣來流中點火燃燒,模擬加力燃燒室的燃燒情況.實驗臺及測試系統(tǒng)實驗臺示意圖如圖9所示.2.3模型計算與驗證計算采用FLUENT軟件中的Realizablek-ε湍流模型、DDM(discretedropmodel)噴霧模型、PDF(probabilitydensityfunction)燃燒模型、DO(discreteordinates)輻射模型、熱力模型NOx排放模型進行計算,將該模型的數(shù)值模擬結果與試驗結果進行了對比研究,以驗證計算結果的可信度,為一體化設計加力燃燒室的優(yōu)化及性能預估提供可信的技術手段.3加力燃燒室熱試驗燃燒點火順序按照發(fā)動機的實際工作過程,先點燃主燃燒,后點燃加力燃燒室.加力燃燒按照油量從小到大調節(jié),本文共給出了冷態(tài)和3種不同油氣比的熱態(tài)試驗方案的計算和試驗結果,表1給出的加力燃燒室進口的燃氣參數(shù).圖10顯示的是加力燃燒室熱試照片.3.1體化加力燃燒室圖11列出了加力燃燒室冷態(tài)及不同油氣比條件下熱試的總壓恢復系數(shù).從圖11的加力燃燒室的總壓恢復系數(shù)中可以發(fā)現(xiàn):采用一體化加力燃燒室,其冷態(tài)總壓恢復系數(shù)高達0.98以上,熱態(tài)時也可達0.95左右,因此,采用一體化加力燃燒室,可大幅降低非加力狀態(tài)的冷態(tài)流阻,并且具有較低的熱態(tài)流阻.3.2加力燃燒室油氣比對加力溫升的影響圖12給出了一體化加力燃燒室不同油氣比條件下的加力溫升.從圖12加力燃燒室的不同油氣比條件下的加力溫升中可以發(fā)現(xiàn):采用一體化加力燃燒室,其加力溫升曲線上升得很快,隨著油氣比的增大,其溫升效果越明顯.3.3油氣比對燃燒效率的影響圖13給出了加力燃燒室不同油氣比條件下的燃燒效率.從圖13加力燃燒室的不同油氣比條件下的燃燒效率中可以發(fā)現(xiàn):采用一體化加力燃燒室,其燃燒效率約為90%,略低于計算值和傳統(tǒng)的加力燃燒室,主要原因是由于加工等因素導致燃油噴嘴的霧化效果不是很好,造成了燃燒效率一定程度的下降,這是有待于進一步改進的地方.3體化加力燃燒室本文在一體化加力燃燒室設計方案的基礎上對整流支板火焰穩(wěn)定器燃燒性能進行了計算和試驗驗證.初步得到了如下一些結論:1)采用一體化加力燃燒室,在不同油氣比條件下燃燒狀態(tài)良好,表明其供油及火焰穩(wěn)定的方式是可以穩(wěn)定燃燒的.2)采用一體化加力燃燒室,其加力溫升曲線上升得很快,隨著油氣比的增大,其溫升效果越明顯.表明其燃燒組織方式可望縮短加力燃燒室的總體長度.3)采用一體化加力燃燒室,其冷態(tài)總壓恢復系數(shù)很高,熱態(tài)時也能維持在一個較高的水平.表明,采用一體化加力燃燒室,可大幅降低非加力狀態(tài)的冷態(tài)流